分子间作用力

分子间作用力 分子间作用力,生物学基础知识与参考资料, 王学宏 约1720字 化学研究的最小物质是原子，原子间强烈的相互作用被称为化学键，化学键包括共价键、离子键和金属键。除化学键外，小分子与小分子之间、某些较大分子的基团之间或小分子与大分子内的基团之间，还存在着各种各样的作用力，总称分子间作用力。相对于化学键，分子间作用力是一种弱作用力。分子间作用力的种类很多，其中氢键就是一种最常见的分子间作用力。 1 氢键的定义 氢键这一术语很容易被误解为氢原子形成的化学键，其实氢键根本就不是化学键。氢键是已经以共价键与其他原子键合的氢原子与另一个原子之间产生的分子间作用力。通常发生氢键作用的氢原子两边必须是强电负性原子，如F、O、N等。图1就是9种常见的氢键形式。 2 氢键的成因 在氢键X-H„Y模型中，X和Y通常是电负性很强、半径很小的原子。由于X的电负性很强，将使X--H的键合电子对强烈偏向X原子，氢原子核就相对地从键合电子云中“裸露”出来，成为一带正电荷的“裸露”原子核，同时Y原子的电负性越强、半径越小，其孤对电子的负电场就越集中而强烈，带正电荷的“裸露”氢原子核就越有余力吸引Y原子的孤对电子而形成氢键。除氢原子外的其他一切原子，由于核外包裹着电子，原子核不能“裸露”出来，而不能形成氢键。因此，氢键形成的基本条件有二:一是氢原子;二是氢原子两侧具电负性很强的其他原子。 3 氢键的分布 根据氢键形成的基本条件可知，氢键既可存在于小分子之间，如水分子与水分子之间;也可存在于小分子与大分子之间，如细胞中的水分子可通过氢键与蛋白质、淀粉等大分子结合在一起形成结合水;又可存在于大分子内部，如蛋白质、核酸等大分子的不同基团之间存在着大量的氢键。 4 氢键对于生命的意义 4.1 氢键影响水的物理性质 水是生物体内含量最多的化合物。由于水分子之间氢键的作用，导致冰的密度小于液态水、4?时水的密度最大;与同周期的其他氢化物(如HS、H₂Se、H₂Te)相比，水具有较高的熔沸点、比热和汽化热等。水的这些特异物理性质对于生命的存在有着决定性的意义。较高的熔沸点使得地表温度下水以液态形式存在，于是才有生命的发生;如若冰的密度比液态水的密度大、液态水从0?上升至4?密度不增大，地球上所有水体在冬天结冰时，所有水生生物都会被冻死;高的比热和汽化热使水成为生物体内良好的温度调节剂:水的高比热可使机体易于维持恒定的体温，使体内的生化反应得以正常进行，同时也使机体能更好地适应环境温度的变化;高汽化热使水成为有机体的冷却剂，如植物叶片的蒸腾作用及动物的排汗，均可降低机体的体温，维持体温的相对恒定。 4.2 氢键影响蛋白质的三维结构 蛋白质是生命活动的体现者，其通常有一条或多条肽链组成，组成蛋白质的多肽链并不是一条松散的肽链。研究表明，一条多肽链上每个氨基酸残基的N-H与前面隔三个氨基酸残基的C=0均可形成氢键，正是这些链内氢键的存在使多肽不再是直线状，而是发生盘绕形成仅螺旋(图2)。当二条或多条肽链几乎完全伸展的侧向聚集在一起时，相邻肽链上N-H和C=0之间可形成有规则的氢键，也正是这些链间氢键的存在使多肽发生空间上的折叠，导致不同肽链按层排列，形成所谓的B折叠(图3)。在β折叠中，所有肽链都参与链间氢键的交联， 氢键与肽链的长轴接近垂直。α螺旋与β折叠在形成蛋白质的三维结构中具有重要作用。 4.3 氢键影响DNA的三维结构 DNA是绝大多数生物的遗传物质，是生命活动的控制者。科学家沃森和克里克指出，DNA是有规则的双螺旋结构。DNA的两条脱氧核苷酸长链反向平行排列在双螺旋结构的外侧，构成DNA的基本骨架，内侧通过脱氧核苷酸之间的碱基互补配对连接起来，其中A一定与T配对，G一定与C配对，配对的碱基通过氢键相互交联，在每一个碱基上都有适于形成氢键的供氢体(如氨基和羟基)和受氢体(如酮基和亚氨基)，其中G-C之间形成三个氢键，A-T之间形成二个氢键。正是由于这些氢键的主导作用，才形成了DNA分子独特的双螺旋三维结构。