分子間作用力

化學(xué)研究的最小物質(zhì)是原子，原子間強烈的相互作用被稱為化學(xué)鍵，化學(xué)鍵包括共價鍵、離子鍵和金屬鍵。除化學(xué)鍵外，小分子與小分子之間、某些較大分子的基團之間或小分子與大分子內(nèi)的基團之間，還存在著各種各樣的作用力，總稱分子間作用力。相對于化學(xué)鍵，分子間作用力是一種弱作用力。分子間作用力的種類很多，其中氫鍵就是一種最常見的分子間作用力。

1 氫鍵的定義

氫鍵這一術(shù)語很容易被誤解為氫原子形成的化學(xué)鍵，其實氫鍵根本就不是化學(xué)鍵。氫鍵是已經(jīng)以共價鍵與其他原子鍵合的氫原子與另一個原子之間產(chǎn)生的分子間作用力。通常發(fā)生氫鍵作用的氫原子兩邊必須是強電負性原子，如F、O、N等。圖1就是9種常見的氫鍵形式。

2 氫鍵的成因

在氫鍵X-H…Y模型中，X和Y通常是電負性很強、半徑很小的原子。由于X的電負性很強，將使X--H的鍵合電子對強烈偏向X原子，氫原子核就相對地從鍵合電子云中“裸露”出來，成為一帶正電荷的“裸露”原子核，同時Y原子的電負性越強、半徑越小，其孤對電子的負電場就越集中而強烈，帶正電荷的“裸露”氫原子核就越有余力吸引Y原子的孤對電子而形成氫鍵。除氫原子外的其他一切原子，由于核外包裹著電子，原子核不能“裸露”出來，而不能形成氫鍵。因此，氫鍵形成的基本條件有二：一是氫原子；二是氫原子兩側(cè)具電負性很強的其他原子。

3 氫鍵的分布

根據(jù)氫鍵形成的基本條件可知，氫鍵既可存在于小分子之間，如水分子與水分子之間；也可存在于小分子與大分子之間，如細胞中的水分子可通過氫鍵與蛋白質(zhì)、淀粉等大分子結(jié)合在一起形成結(jié)合水；又可存在于大分子內(nèi)部，如蛋白質(zhì)、核酸等大分子的不同基團之間存在著大量的氫鍵。

4 氫鍵對于生命的意義

4.1 氫鍵影響水的物理性質(zhì)

水是生物體內(nèi)含量最多的化合物。由于水分子之間氫鍵的作用，導(dǎo)致冰的密度小于液態(tài)水、4℃時水的密度最大；與同周期的其他氫化物(如HS、H₂Se、H₂Te)相比，水具有較高的熔沸點、比熱和汽化熱等。水的這些特異物理性質(zhì)對于生命的存在有著決定性的意義。較高的熔沸點使得地表溫度下水以液態(tài)形式存在，于是才有生命的發(fā)生；如若冰的密度比液態(tài)水的密度大、液態(tài)水從0℃上升至4℃密度不增大，地球上所有水體在冬天結(jié)冰時，所有水生生物都會被凍死；高的比熱和汽化熱使水成為生物體內(nèi)良好的溫度調(diào)節(jié)劑：水的高比熱可使機體易于維持恒定的體溫，使體內(nèi)的生化反應(yīng)得以正常進行，同時也使機體能更好地適應(yīng)環(huán)境溫度的變化；高汽化熱使水成為有機體的冷卻劑，如植物葉片的蒸騰作用及動物的排汗，均可降低機體的體溫，維持體溫的相對恒定。

4.2 氫鍵影響蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)是生命活動的體現(xiàn)者，其通常有一條或多條肽鏈組成，組成蛋白質(zhì)的多肽鏈并不是一條松散的肽鏈。研究表明，一條多肽鏈上每個氨基酸殘基的N-H與前面隔三個氨基酸殘基的C=0均可形成氫鍵，正是這些鏈內(nèi)氫鍵的存在使多肽不再是直線狀，而是發(fā)生盤繞形成僅螺旋(圖2)。當(dāng)二條或多條肽鏈幾乎完全伸展的側(cè)向聚集在一起時，相鄰肽鏈上N-H和C=0之間可形成有規(guī)則的氫鍵，也正是這些鏈間氫鍵的存在使多肽發(fā)生空間上的折疊，導(dǎo)致不同肽鏈按層排列，形成所謂的B折疊(圖3)。在β折疊中，所有肽鏈都參與鏈間氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與肽鏈的長軸接近垂直。α螺旋與β折疊在形成蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)中具有重要作用。

4.3 氫鍵影響DNA的三維結(jié)構(gòu)

DNA是絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)，是生命活動的控制者?？茖W(xué)家沃森和克里克指出，DNA是有規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA的兩條脫氧核苷酸長鏈反向平行排列在雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，構(gòu)成DNA的基本骨架，內(nèi)側(cè)通過脫氧核苷酸之間的堿基互補配對連接起來，其中A一定與T配對，G一定與C配對，配對的堿基通過氫鍵相互交聯(lián)，在每一個堿基上都有適于形成氫鍵的供氫體(如氨基和羥基)和受氫體(如酮基和亞氨基)，其中G-C之間形成三個氫鍵，A-T之間形成二個氫鍵。正是由于這些氫鍵的主導(dǎo)作用，才形成了DNA分子獨特的雙螺旋三維結(jié)構(gòu)。