De waterstofbrug

De tot nu toe beschreven interacties zijn niet beperkt tot moleculen van een specifieke samenstelling. Er is echter één belangrijke intermoleculaire interactie die specifiek is voor moleculen die een zuurstof-, stikstof-, of fluoratoom bevatten dat aan een waterstofatoom is gebonden. Deze interactie is de waterstofbrug, een interactie van de vorm A-H—B, waarbij A en B atomen zijn van één van de drie hierboven genoemde elementen en het waterstofatoom op een rechte lijn ligt tussen de kernen van A en B. Een waterstofbrug is ongeveer 10 keer zo sterk als de andere hierboven beschreven interacties, en wanneer aanwezig domineert hij alle andere soorten intermoleculaire interacties. Zij is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor het bestaan van water als vloeistof bij normale temperaturen; vanwege zijn lage molaire massa zou men verwachten dat water een gas zou zijn. De waterstofbrug is ook verantwoordelijk voor het bestaan als vaste stof van veel organische moleculen die hydroxylgroepen (-OH) bevatten; de suikers glucose en sucrose zijn voorbeelden.

Vele interpretaties van de waterstofbrug zijn voorgesteld. Een die past in het algemene schema van dit artikel is de A-H eenheid te beschouwen als bestaande uit een atoombaan A en een baan van waterstof 1s en een eenzaam elektronenpaar op B te beschouwen als bezettende een B-baan. Wanneer de drie atomen op één lijn liggen, kunnen deze drie banen drie moleculaire banen vormen: één bindend, één grotendeels niet-bindend, en één anti-bindend. Er zijn vier elektronen te huisvesten (twee van de oorspronkelijke A-H binding en twee van het lone paar). Zij bezetten de bindende en de niet-bindende orbitalen, waardoor de antioverbindende orbitaal vrij blijft. Het netto-effect is dus een verlaging van de energie van de AHB-groepering en dus de vorming van een intermoleculaire binding. Opnieuw treft men bij het aantreffen van de waterstofbrug een verdraaiing van de conventionele houding aan; de vraag die door deze interpretatie wordt opgeworpen is niet waarom een dergelijke binding voorkomt, maar waarom zij niet meer algemeen voorkomt. De verklaring ligt in de kleine afmeting van het waterstofatoom, waardoor de balans van energieën in het moleculaire banenplan gunstig is voor binding.

Waterstofbinding komt voor aan andere atomen dan stikstof, zuurstof en fluor, als zij een negatieve lading dragen en dus rijk zijn aan gemakkelijk beschikbare elektronen. Waterstofbinding is dus een van de belangrijkste mechanismen van hydratatie van anionen in waterige oplossing (de binding van H2O-moleculen aan de opgeloste stof) en draagt daardoor bij tot het vermogen van water om te fungeren als een goed oplosmiddel voor ionische verbindingen. Het draagt ook bij tot de hydratatie van organische verbindingen die zuurstof- of stikstofatomen bevatten en verklaart aldus de veel grotere oplosbaarheid van alcoholen in water dan van koolwaterstoffen.

Waterstofbruggen zijn van groot belang voor de bepaling van de structuur van biologisch belangrijke verbindingen, met name proteïnen en desoxyribonucleïnezuur (DNA). Een belangrijk kenmerk van de structuur van proteïnen (die polypeptiden zijn, of polymeren gevormd uit aminozuren) is het bestaan van de peptideverbinding, de groep -CO-NH-, die voorkomt tussen elk paar aangrenzende aminozuren. Deze band levert een NH-groep die een waterstofbrug kan vormen met een geschikt acceptoratoom en een zuurstofatoom, dat als een geschikte receptor kan fungeren. Een peptideverbinding levert dus de twee essentiële ingrediënten van een waterstofbrug. Het aan elkaar koppelen van dergelijke peptidegroepen door waterstofbruggen van het in figuur 17 getoonde type werd in detail onderzocht door Pauling en Robert Corey, die een reeks regels formuleerden, de Pauling-Corey regels, voor de uitvoering ervan. De implicatie van deze regels is het bestaan van twee soorten structuren voor een polypeptide, namelijk een spiraalvorm (de α-helix) of een geplooide plaatvorm (de β-geplooide plaat). Alle polypeptiden hebben de ene of de andere structuur en hebben vaak afwisselende gebieden van elk. Aangezien de eigenschappen en het gedrag van een enzymmolecuul (een bepaalde klasse polypeptiden) worden bepaald door zijn vorm en met name door de vorm van het gebied waar het molecuul waaraan het werkt moet hechten, volgt hieruit dat waterstofbruggen van centraal belang zijn voor de functies van het leven.

waterstofbrug
waterstofbrug

Figuur 17: De koppeling van atomen in twee peptideschakels door de waterstofbruggen die ze kunnen vormen. De schakels kunnen deel uitmaken van dezelfde polypeptideketen die in zichzelf is teruggebogen, of ze kunnen tot verschillende ketens behoren.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Waterstofbruggen zijn ook verantwoordelijk voor de overdracht van genetische informatie van de ene generatie op de andere, want ze zijn verantwoordelijk voor de specifieke koppeling van cytosine aan guanine en thymine aan adeninegroepen die de structuur van de dubbele DNA-helix kenmerkt.

Leave a Reply

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.