Один зв'язок слабкий. Але тисячі разом тримають форму білків і скріплюють дві нитки ДНК.
Водневий зв'язок: «липке» тяжіння між молекулами
Атом H, прив'язаний до O або N, трохи позитивний. Його притягує неподілена пара сусіднього O або N.
- Позначають D–H···A: донор, водень, акцептор.
- Найміцніший, коли D, H і A майже на одній прямій.
- Вода: кожна молекула може мати до чотирьох таких зв'язків.
Детальніше: аномалії води
- Кипить при 100 °C, а H2S (важчий) при −60 °C.
- Лід легший за воду (0,917 г/см³), тому водойми не промерзають до дна.
- Велика теплоємність: вода стабілізує температуру організмів.
- Гідрофобний ефект: неполярні групи білка збираються всередині глобули.
Слабкий, зате їх мільйони
Водневий зв'язок приблизно в 10 разів слабший за ковалентний, але міцніший за тепловий рух. Тому структура стійка і водночас оборотна.
Що тут видно: довжина смужки показує енергію зв'язку. Один водневий зв'язок розривається за пікосекунди, а сотні разом тримають форму.
Білок: форму задають водневі зв'язки
Вторинна структура цілком побудована на зв'язках C=O···H–N між групами остова.
Послідовність амінокислот, пептидні (ковалентні) зв'язки.
α-спіраль і β-шар. Тримається на Н-зв'язках.
Укладка всього ланцюга: Н-зв'язки, йонні, гідрофобні, S–S.
Кілька ланцюгів разом, наприклад гемоглобін α2β2.
Нагрівання вище 55–70 °C розриває Н-зв'язки: білок денатурує (як варене яйце). Первинна структура лишається.
Білок у 3D: α-спіраль і β-шар
ДНК: пари основ на водневих зв'язках
A з T тримають 2 зв'язки, G з C тримають 3. Спробуй сам: з'єднай кожну основу з парою.
Це приклад. Торкнись дошки, щоб грати самому.
Нагрівання «розстібає» подвійну спіраль
Що тут видно: дві нитки ДНК. Кольорові щаблі: пари основ, жовті крапки: водневі зв'язки. Нагрів розриває їх, спочатку на кінцях і в AT-ділянках.
Цифри й власна послідовність
Правило Воллеса Tm = 2·(A+T) + 4·(G+C), °C: лише наближена оцінка для коротких олігонуклеотидів (до 14–20 нт).
Оборотність — це перевага
- Реплікація: геліказа розриває Н-зв'язки, кожна нитка стає матрицею.
- ПЛР: 95 °C нитки розходяться, 50–65 °C праймери знаходять пари, 72 °C полімераза добудовує нитку.
- РНК: одна нитка складається у шпильки: стебло з пар A=U і G≡C та петля.
- Tm росте з вмістом GC: три зв'язки міцніші за два.
Детальніше: модель Вотсона й Кріка
Дві антипаралельні нитки утворюють праву спіраль: діаметр ≈ 2 нм, крок 0,34 нм між парами, виток ≈ 3,4 нм (≈ 10 пар). Правила Чаргаффа: A = T, G = C. Крім Н-зв'язків, спіраль стабілізує стекінг (взаємодія основ у «стопці»).
Целюлоза міцна, крохмаль пухкий
- Целюлоза: прямі ланцюги β-глюкози, багато Н-зв'язків між ними: тверді мікрофібрили.
- Крохмаль: α-ланцюги згинаються в спіраль і розгалужуються: пухка, легко розчинна структура.
- Шовк і кератин: β-шари та α-спіралі, зшиті Н-зв'язками.
Детальніше: таблиця біополімерів
| Біополімер | Де Н-зв'язки | Що це дає |
|---|---|---|
| α-Кератин | C=O···H–N в α-спіралях, спіралі скручені по дві | пружність волосся й нігтів |
| Фіброїн шовку | між антипаралельними β-ланцюгами | міцність на розрив при гнучкості |
| Колаген | потрійна спіраль, N–H гліцину···O=C сусіднього ланцюга | міцні сухожилля й шкіра |
| Целюлоза | O–H···O всередині й між ланцюгами | стінки рослинних клітин |
| ДНК, РНК | між комплементарними основами | зберігання й копіювання інформації |
Висновки
- Н-зв'язок D–H···A слабкий (4–40 кДж/моль), але його дають тисячі груп.
- Вторинна структура білків (α-спіраль, β-шар) цілком тримається на Н-зв'язках.
- ДНК: A=T (2 зв'язки), G≡C (3). Нагрів розплітає спіраль, GC-багата плавиться вище.
- Оборотність потрібна життю: реплікація, ПЛР, робота білків, денатурація.