7. Водородная связь.
специфическая связь, которая создается атомом Н, который находится в группах ОН, NH, FH, ClH и иногда SH, причем Н связывает эти группы с валентно насыщенными атомами N2, O2 и F.
Водородные связи определяют структуру и свойства воды, как самого главного и основного расворителя в биосистемах. Водородные связи участвуют в формировании макромолекул, биополимеров, а так же связях с малыми молекулами.
Uвод = 4-29 кДж/моль
Основной вклад в водородные связи вносят электростатические взаимодействия, но они не сводятся к ним. Протон движется вдоль прямой, соединяющей экектоотрицательные атомы и испытывает различное влияние со стороны этих атомов.
Рисунок
Этот график – частный случай, связь между N-H...N и N...H-N. R – расстояние между взаимодействующими частицами. 2 минимума свободной энергии располагаются возле первого или второго взаимодействующего атома N.
8.Особенности строения воды.
Большинство биополимеров функционирует в водной среде, и взаимодействие составляющих их мономеров с водой во многом определяет пространственную конфигурацию макромолекулы в целом. Причина столь важной роли воды в биологических процессах кроется в следующем.
В отличие от гидридов элементов VI группы (H2S, H2Se, H2Te) молекула H2O является диполем из-за своей асимметрии: линии, соединяющие центры атома кислорода с центрами атомов водорода, образуют угол 104,28°. Атом кислорода в молекуле воды расположен как бы в центре тетраэдра, в двух вершинах которого находятся атомы водорода. Две пары электронов кислорода, не участвующих в образовании ковалентных связей, находятся на вытянутых орбиталях, оси которых направлены к двум другим углам тетраэдра. Эти электронные пары несут локальный отрицательный заряд и обуславливают электростатическое притяжение между данной молекулой воды и атомами водорода соседних молекул. Благодаря этим взаимодействиям в жидкой воде формируются ассоциации молекул, называемые кластерами. Структура кластеров сходна со структурой льда. В кристаллах льда каждая молекула воды связана водородными связями с 4 соседями, при этом атомы кислорода соседних молекул также располагаются в вершинах тетраэдров. Такая кристаллическая решетка отличается рыхлостью: в кристаллах льда атомы расположены сравнительно далеко друг от друга, поэтому лед имеет довольно низкую плотность, более низкую, чем жидкая вода, в которой часть молекул располагается в полостях тетраэдрической кристаллической структуры. Вместе с тем даже после полного таяния льда в жидкой воде сохраняются льдоподобные структуры – кластеры. Между кластерами и неструктурированной частью воды постоянно существует обмен молекулами, так что в среднем каждый кластер живет всего 10-10 – 10-11 секунд. При 20 ̊С доля не связанных в кластеры молекул составляет 29,5%. С повышением температуры средний размер кластеров уменьшается, и доля несвязанных молекул возрастает. Кстати, именно с плавлением кластеров связана аномально высокая теплоёмкость воды.
В воде хорошо растворяются те органические соединения, которые содержат полярные группы и способны вступать в диполь-дипольные взаимодействия с молекулами воды или образовывать с ними водородные связи. Таковы, например, группы ОН, >С=О, QUOTE - -NH2. Напротив, неполярные молекулы углеводородов плохо растворяются или совсем не растворяются в воде. Это объясняется тем, что при растворении молекулы углеводородов втискиваются в полости внутри тетраэдрических ячеек кластеров, вытесняя оттуда неструктурированную воду. Последняя образует новые кластеры, и упорядоченность системы увеличивается, а значит, энтропия уменьшается. Поэтому гидрофобные взаимодействия являются результатом свойств воды, а не каких-то особых сил, связывающих неполярные группы друг с другом. Таким образом, ассоциация неполярных молекул в воде за счет гидрофобных взаимодействий определяется выталкивающим действием воды на неполярные соединения, что обусловлено тенденцией молекул воды к достижению состояния максимальной неупорядоченности (максимальной энтропии).