Wasserstoffbrückenbindung

hydrogen bond; hydrogen binding

Bezeichnet die Wechselwirkungen zwischen einem an einen Protonendonator (X) gebundenen Wasserstoffatom und einem einsamen Elektronenpaar eines Protonenakzeptors (Y). Dabei müssen beide Atome (X und Y) elektronegative Elemente sein. Hierbei bezeichnet Elektronegativität die Eigenschaft eines Atoms, von benachbarten Atomen innerhalb eines Moleküls Elektronen anzuziehen.

Wasserstoffbrückenbindungen resultieren aus elektrostatischen Anziehungskräften eines Wasserstoffatoms zwischen 2 elektronegativen Atomen, wie Stickstoff oder Sauerstoff. Sie entstehen, wenn 2 Moleküle oder 2 geeignet weit voneinander getrennte Abschnitte eines Makromoleküls über Wasserstoffatome (H) in Wechselwirkung treten. Dazu muss das Wasserstoffatom kovalent an ein stark elektronegatives Atom (z. B. N, O oder F) gebunden sein. Dies verleiht dem H-Atom eine positive Partialladung und befähigt es, freie Elektronenpaare von benachbarten Atomen anzuziehen. Die Spaltung der Bindung erfordert 21–42 kJ/mol und ist bei Proteinen durch die Mesomerie der Peptidbindung am höchsten (Polarisierung von >NH und C=O).

Donatoren von kovalent gebundenem Wasserstoff sind:

Akzeptoren von nichtkovalent gebundenem Wasserstoff sind:

Bereits im Jahr 1951 erkannte Linus Pauling die Bedeutung der Wasserstoffbrückenbindungen für die Faltungsmotive der Proteine (Nobelpreis 1954). 1953 wurde von James D. Watson und Francis Crick die DNA-Doppelhelix auf Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen zurückgeführt (Nobelpreis 1962).

Die schwache Bindungsenergie einer einzelnen Wasserstoffbrücke (etwa 1/10 einer Elektronenpaarbindung) verleiht den Makromolekülen eine relativ große Flexibilität ihrer Konformation. Durch die Kooperation zahlreicher Wasserstoffbrücken, die zunehmend die konkurrierenden Wassermoleküle ausschalten, werden jedoch starke Assoziationskräfte entwickelt. Eindrucksvoll zeigt sich das an der hohen Schmelztemperatur Tm der Desoxyribonukleinsäuren. Die Tm-Werte steigen linear mit dem Gehalt an G-C-Basenpaaren an, die mit ihren 3 Wasserstoffbrücken stabiler sind als die A-T-Paare mit 2 Brücken.

Die räumliche Anordnung infolge verschiedener Arten von Wechselwirkungen – wie Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen (Wechselwirkung, hydrophobe) – bewirkt die erforderliche Spezifität von Interaktionen: Antigen-Antikörper, Hormon-Rezeptor und Substrat-Enzym.

Wasserstoffbrückenbindungen gewährleisten die komplementären Basenpaarungen innerhalb der Doppelhelix der DNA, von DNA-RNA und nichtkodierender RNA und stabilisieren die Sekundär- (α-Helix oder Faltblatt) und Tertiärstrukturen von Proteinen (Proteinstruktur). Die gute Wasserlöslichkeit der einfachen Saccharide ist auf zahlreiche Wasserstoffbrücken zurückzuführen.

Wasser bildet ein Netzwerk von mehrdimensionalen Wasserstoffbrücken, da Sauerstoff 2 einsame Elektronenpaare besitzt. Daraus resultieren wichtige physiologische Eigenschaften: hoher Siede- und Schmelzpunkt sowie Oberflächenspannung und Wärmeleitfähigkeit (wichtig für einheitliche Körpertemperatur und Wärmeregulation). Die hohe Dielektrizitätskonstante schwächt die Anziehung von Ionen, die gleichzeitig von Wasser umhüllt und in ihren kinetischen Eigenschaften verändert werden.