Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980

Как молекулы соединяются друг с другом
Силы, действующие между молекулами
Водородные связи и структура воды

Одним из наиболее важных типов слабых связей между биологически активными молекулами является водородная связь (гл. 2, разд. А.7). Мы уже говорили о том, какова роль диполь-дипольного взаимодействия этого типа для формирования структуры белков, углеводов и нуклеиновых кислот. Рассмотрим теперь значение водородных связей для биологического растворителя — воды.

Биохимики часто пользуются понятием «структура воды», имея в виду способность больших групп молекул воды, находящейся в жидком состоянии (кластеров), образовывать льдоподобные структуры с помощью водородных связей. В обычном льду все молекулы воды связаны друг с другом водородными связями, причем каждые шесть молекул образуют шестичленное кольцо, напоминающее кольцо циклогексана. Такая структура характерна для всего кристалла льда, поскольку между молекулами воды соседних колец тоже образуются водородные связи. Каждый атом кислорода связан ковалентно с двумя атомами водорода и, кроме того, образует водородные связи с двумя атомами водорода других молекул воды. (Некоторые из таких водородных связей указаны на приведенном ниже рисунке пунктирными стрелками.)

Молекулы воды в кристаллах льда могут быть ориентированы различным образом в пределах гексагональной структуры (см. рисунок). Они сохраняют свободу вращения и способны поэтому образовывать водородные связи в разных направлениях. Такого рода неупорядоченность сохраняется и при пониженных температурах, в связи с чем лед — одно из немногих веществ, обладающих остаточной энтропией при абсолютном нуле. Необычным свойством льда является также то, что молекулы воды в кристалле упакованы не наиболее плотным образом, а образуют «открытую» структуру. Диаметр полости внутри шестиугольника, проходящей также через центры шестиугольников, расположенных ниже, составляет приблизительно 0,06 нм.

Хотя многие вопросы, касающиеся структуры жидкой воды, все еще остаются неясными, наличие льдоподобных кластеров, непрерывно распадающихся и образующихся вновь, можно считать твердо установленленным; эти кластеры часто называют мерцающими структурами.

Молекулы воды образуют водородные связи не только друг с другом, но и с полярными группами растворенных соединений. В eго же время любая группа, способная образовывать водородные связи с другой группой, может образовать водородные связи примерно такой же прочности и с молекулами воды. Именно поэтому водородные связи далеко не всегда способствуют ассоциации малых молекул в водных растворах. Если в неполярном растворителе какие-либо полярные молекулы прочно связываются друг с другом за счет водородных связей, это отнюдь не означает, что они будут ассоциировать и в воде. Что же в таком случае позволяет биохимикам утверждать, что водородные связи играют огромную роль в формировании структуры макромолекул и при взаимодействии биологически важных соединений? Дело в том, что равновесие между состояниями, при которых пары взаимодействующих молекул в воде связаны друг с другом водородными связями или диссоциированы, легко смещается в ту или другую сторону. Так, например, белки и нуклеиновые кислоты могут образовывать компактные структуры за счет внутримолекулярных водородных связей между определенными группами или же денатурировать вследствие образования водородных связей между данными группами и молекулами воды, причем разница в свободных энергиях этих двух состояний сравнительно невелика.

Пожалуй, основная причина той огромной роли, которую играют в биохимии водородные связи, состоит в том, что они часто обеспечивают комплементарность поверхностей взаимодействующих молекул Другими словами, места расположения групп, образующих водородные связи, на поверхностях взаимодействующих молекул служат важными «ориентирами», обеспечивающими точное совмещение поверхностей этих молекул. Однако силы, обусловливающие агрегацию многих органических молекул и их связывание друг с другом в водных растворах, не ограничиваются водородными связями.