Vodonična veza i njena uloga u
biološkim sistemima
Fizika kondenzovane materije
Seminarski rad
Profesor:
Student:
Dr Dragoslav Petrović
Milana Marjanović
Novi Sad, 2015.
UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI
FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
4
objavio dve važne publikacije 1936. godine. Jedna se odnosila na „vodonične mostove“ u
ledu i vodi, a drugi na „vodonične mostove“ u organskim jedinjenjima. Publikacija o
organskim jedinjenjima
Huggins
-a je izuzetno značajna, a u njemu se opisuje intra- i
intermolekulske vodonične veze sa O
−
H i N
−
H kao donorima i O i N kao akceptorima. On je
predvideo da će teorija o vodoničnim vezama dovesti do boljeg razumevanja prirode, kao i
ponašanja kompleksnih organskih struktura kao što su proteini, skrob, celuloza, šećer i
ostali ugljenohidrati, hlorofil, hemoglobin i ostale prirodne supstance.
Neko konačno poglavlje o vodoničnim vezama je ostvario
Pauling
1939. godine
u svojoj
knjizi
„Nature of the Chemical Bond“
, gde je
uveo pojam vodonične veze u fizički i hemijski
svet. A
P
imentel
i
McClellan
su ustvari uspeli da usavrše
Pauling
-ovu definiciju vodonične
veze 1960. godine. Dok su
Steiner
i
Saenger
1993. godine uveli kvantifikaciju definicije
vodonične veze, i uspeli da stave tačku na samu definiciju vodonične veze.
Nakon ovoga ne staje istraživanje na temu vodonične veze, već se naglasak stavlja na
njeno što lakše otkrivanje u molekulima, kao i na njenoj ulozi u sistemima. Tu se javlja još
mnogo imena naučnika uz ovu temu, od kojih ću izdvojiti još
A. S. N. Murthy
i
C. N. R. Rao
koji
su radili, šezdesetih godina dvadesetog veka, na spektroskopskim studijama. I mnogi drugi.
3. Definicija i osobine vodonične veze
Za definisanje vodonične veze sledeće
Pauling
-ove rečenice su bile suštinske:
1.
„..under certain conditions an atom of hydrogen is attracted by rather strong forces
to two atoms, instead of only one, so that it may be considered to be acting as a
bond between then. This is called the hydrogen bond.“
[3]
2.
„..a hydrogen atom, with only one stable orbital, cannot form more than one pure
covelent bond and that the attraction of two atoms observed in hydrogen-bond
formation must be due largely to ionic forces.“
[3]
Međutim, bilo je potrebno usavršiti ih i dalje razviti, što su uspeli
Pimentel
i
McClellan
koji su definisali vodoničnu vezu kao:
„A H Bond exists between a functional group A
−
H and an atom or a group of atoms B in
same or different molecule when (a) there is evidence of bond formation (association or
chelation), (b) there is evidence that this new bond linking A
−
H and B speciffically involves the
hydrogen atom already bonded to A.“
[6]
Što u suštini znači da ako su X i A atom (u konstituciji X−H•••A) veoma elektronegativni,
onda se usamljeni elektron H atoma pozicionira između X i H, a tako da atom H ostaje
ogoljen u smeru prema A što omogućava da elektrostatičko privljačenje između H i A bude
dovoljno veliko da bi se ova interakcija nazvala vodoničnom vezom. Prema
Pimentel
-u i
McClellan
-u X
−
H je uvek donor u vodoničnoj vezi.
5
Steiner
i
Saenger
su definisali vodoničnu vezu kao:
„A hydrogen bond is therefore the attractive force that arises between the donor covalent
pair X
−
H in which a hydrogen atom H is bound to a more electronegative atom X, and other
noncovalently bound nearest neighbor electronegative acceptor atoms A.“
[4]
Znači, vodonična veza, najkraće rečeno, predstavlja privlačenje između atoma donora
X
−
H i akceptora A. Što se predstavlja na sledeći način:
A
H
X
Praktično, fenomen vodonične veze može biti prepoznat tako što će na mestima X i A
biti sledeći elementi: F, C, O, Cl, N, S, Se, Br i I. Međutim, u vodoničnu vezu stupaju većinom
F, C, O, N i Cl.
3.1. Geometrijski parametri
Geometrijski parameti vodonične veze se može opisati pomoću
d, D,
θ,
r
i
φ
,
što je
prikazano sledećom slikom.
Slika 1. Geometrijski paramteri vodonične veze
Kao što se sa slike da videti
D
predstavlja rastojanje između atoma X i A, na ovom
parametru je bio naglasak u prošlosti, jer ono ustvari ništa ne govori o poziciji H atoma u
vezi, što se tada nije moglo ni odrediti. Međutim, danas se koriste ostali parametri
d, r,
θ
i
φ
,
a
D
se koristi samo kao pomoćni parametar. Rastojanje
r
je rastojanje između X i H atoma,
ustvari rastojanje kovelentne veze u atomima donora. Rastojanje vodonične veze je ustvari
parametar
d
, a ugao između
d
i
r
rastojanja je ugao
θ
između njih. Ako je vodonična veza
proširena i na stranu akceptora definiše se i ugao
φ
.
Rastojanje između atoma X
−
H nije konstantno i ono veoma zavisi od H
•••
A, dok je
rastojanje H
•••
A veoma zavisno od prirode atoma koji se vezuju za akceptor A i za grupu
X
−
H, kao i od same prirode X atoma, a na rastojanje između akceptorskog atoma A i
njegovog sledeće vezujućeg atoma ima uticaj donorke grupe. Ovo govori o tome da se u
vodoničnoj vezi radi o interakciji grupa-par.
7
Na grafiku se da primetiti da najmanju vrednost potencijalna energija ima za
ravnotežno rastojanje
d
0
,
potom da je ona negativna za sva rastojanja
d
>
d
0
i takođe za sva
rastojanja manja od
d
0
,
a pozitivna je samo za veoma kratke distance. Tamo gde je energija
jednaka nuli, dolazi do granice između stabilne (
E < 0
) i nestabilne (
E > 0
) zone.
Na slici je prikazano još i oblast dejstva privlačne (
d > d
0
) i odbojne (
d < d
0
)
sile. Pa se
najveća privlačenja javljaju u tački gde kriva ima najveći nagib, i tome odgovara nestabilna
geometrija.
Kod vodonične veze, kriva potencijalne energije nije ista za svaku kombinaciju donor-
akceptor, već svakoj kombinaciji odgovara neka sopstvena kriva. Primećeno je još da se za
snažnije veze dobija dublji minimum i da je on pomeren ka kraćim rastojanjima.
Vodonična veza
Energija [-kcal/mol]
D [
Å
]
[F
−
H
•••
F]
⁻
39
2,30
[OH
3
•••
OH
2
]
⁺
33
2,48
[NH
4
•••
NH
3
]
⁺
24
2,85
[OH
2
•••
OH]
⁻
23
2,44
NH
4
•••
OH
2
18,9
2,77
OH
2
•••
Cl
13,5
3,27
[NH
3
•••
NH
2
]
⁺
10,2
2,91
O
=
C
−
O
−
H
•••
O=C
−
O
−
H
7,4
Cl
−
H
•••
OH
2
5,4
H
2
O
•••
H
2
O
5,0
N=C
−
H
•••
OH
2
3,8
3,12
Me
−
O
−
H
•••
Ph
2,8
OH
2
•••
F
−
CH
4
2,4
H
−
C
C
−
H
•••
OH
2
2,2
3,26
Cl
−
H
•••
SeH
2
2,0
H
−
C
C
−
H
•••
C
C
−
H
1,4
H
2
S
•••
H
2
S
1,1
4,16
CH
4
•••
OH
2
0,6
CH
4
•••
SH
2
0,4
CH
4
•••
FCH
3
0,2
Tabela 1. Energije i ravnotežna rastojanja za neke vodonične veze [5]
8
Energije vodoničnih veza padaju u širok i kontinuirani opseg od -0,5kcal/mol do skoro -
40kcal/mol, što je i prikazano prethodnom tabelom, gde je za određene tipove vodoničnih
veza data energija veze i ravnotežno rastojanje
D.
3.4. Klasifikacija vodoničnih veza
Osnovna podela vodoničnih veza je na
veoma jake
,
jake
i
slabe
.
Najslabije vodonične
veze se teško razlikuju od van der Walls-ovih interakcija, dok su najjače vodonične veze
nešto jače od slabih kovalentnih veza. Iz ovih razloga, teško je sa sigurnošću reči šta je jaka,
a šta slaba vodonična veza.
Međutim, neka podela je napravljena, i to tako što se u obzir za kategorizaciju uzelo više
kriterijuma, kao na primer: energetski kriterijum (vrednost granične energije veze),
fenomenološki kriterijum (rastojanje ili broj IC talasnog pomeraja) ili funkcionalni
kriterijum (šta su u stanju da urade te vodonične veze). Naravno ovakva klasifikacije ne
može uvek biti konzistentna za sve kriterijume simultano, negde je ona „jaka“ kada se uzme
u obzir njena energija, ali je „slaba“ kada je u pitanju njena geometrija, ili obrnuto. U
sledećoj tabeli su prikazane neke karakteristike veoma jakih, jakih i slabih vodoničnih veza.
Veoma jake veze
Jake veze
Slabe veze
Energija veze
[- kcal/mol]
15 - 40
4 - 15
< 4
Predstavnici
[F-H
•••
F]
⁻
[N-H
•••N
]
⁺
P-O-H
•••
O=P
O-H
•••
O=C
N-H
•••
O=C
O-H
•••
O-H
C-H
•••
O
C-H
•••π
O
s
-H
•••
O
IC
v
s
relativni pomeraj [%]
> 25
5 - 25
< 5
Dužina veze
H•••A ~ X-H
H•••A > X-H
H•••A >> X-H
Izduženje X-H veze [
Å
]
0,05 - 0,2
0,01 - 0,05
≤
0,01
D (X
•••
A) opseg [
Å
]
2,2 - 2,5
2,5 - 3,2
3,0 - 4,0
d (H
•••A) opseg
[
Å
]
1,2 - 1,5
1,5 - 2,2
2,0 - 3,0
Veze kraće od vdW [%]
100
~ 100
30 - 80
Θ
(X-H
•••A) opseg [⁰]
175 - 180
130 - 180
90 - 180
kT (na sobnoj temperaturi) [J]
> 25
7 - 25
< 7
Efekat na kristalno pakovanja
snažan
određen
promenljiv
Kovalenca
izražena
slaba
skoro ne postoji
Elektrostatičnost
veoma dominantna
dominantna
srednja
Tabela 2. Neke karakteristike veoma jakih, jakih i slabih vodoničnih veza [5]
10
Jake vodonične veze
(4 – 15 kcal/mol) formiraju neutralne donorske i akceptorske
grupe, gde je donorska grupa elektronegativnija u odnosu na H atom, a akceptorska grupa
ima usamljen, nepodeljen elektronski par. Ova kategorija vodoničnih veza je značajna i
esencijalna u pogledu strukture i funkcije u biološkim molekulima.
Slabe vodonične veze
(< 4 kcal/mol) se formiraju kada je H atom kovalentno vezan za
nešto malo elektronegativniji atom, u odnosu na H (C
−
H, Si
−
H) ili kada akceptorska grupa
nema usamljen elektronski par, već kada ima
π
- elektrone (
C
C
) ili aromatični prsten.
Ove interakcije skoro da imaju iste energetske i geometrijske osobine kao van der Walls-ovi
kompleksi, mada se od njih razlikuju samo po usmerenosti X
−
H veze.
Razlika između veoma jakih, jakih i slabih vodoničnih veza, kao i veoma slabih
interakcija sa primerima i energetskim karakteristikama je prikazana na slici 3.
Sve vodonične veze mogu biti
intramolekularn
e
, kada su donorska i akceptorska grupa
deo istog molekula, ili
intermolekularne
kada ove grupe pripadaju različitim molekulima.
Kada su donorska i akceptorska grupa jednake onda se vodonična veza naziva i
homonuklearnom vodiničnom vezom
, a u slučaju da su ove grupe različite onda vezu
nazivamo
heteronuklearnom vodoničnom vezom
.
3.5. Sažetak o vodoničnoj vezi
Zbirno gledano prethodno opisane karakteristike vodonične veze, možemo zaključiti
sledeće kriterijume koje takoreći ispunjava vodonična veza: [6]
1.
Sile koje su uključene u formaciju vodonične veze su one koje: obuhvataju
elektrostatičko poreklo, proističu iz prenosa naelektrisanja između donora i
akceptora, su poreklom disperzione, su odgovorne za poremećaj elektronske
distribucije X
−
H grupe u zavisnosti od atoma A, i repulzivne sile.
2.
Atomi X i H su kovalentno vezani i njihova veza je polarizovana, tako da se jačina
veze H
•••
A povećava sa povećanjem elektronegativnosti X atoma.
3.
Vodonikova veza jača što X
−
H
•••
A ima više linearnih uglova i što je kraća
udaljenost H
•••
A.
4.
Dužina kovalentne X
−
H veze povećava formiranje vodonične veze što dovodi do
crvenog pomaka u IC oblasti. Tu ustvari dolazi do frekventnog istezanja
kovalentne veze X
−
H, i dovodi do povećane apsorpcije u IC oblasti, zbog vibracija
atoma.
5.
X
−
H
•••
A
−
Y vodonično vezivanje dovodi do karakterističnih NMR naznaka u
rastvoru.
6.
Gibbs-ova interakcija energije po vodoničnoj vezi bi trebala da bude veća od
termičke energije vodonične veze da bi ona bila eksprimentalno detektovana.
Poslednja tri kriterijuma se odnose na karakteristike vodonične veze pomoću kojih je
moguće izvršiti njenu identifikaciju, o čemu će biti reč u naradnom poglavlju.
11
4. Metode za ispitivanje vodoničnih veza
Vodonične veze se mogu proučavati pomoću sledećih metoda:
1.
spektroskopske metode
2.
difrakcione metode
3.
termohemijske metode
i
4.
teorijske metode
.
U grupu spektroskopskih metoda spadaju infracrvena, Raman i mikrotalasna
spektroskopija, kao i NMR i neutron-neelastično rasejanje. Difrakcione metode uključuju
difrakciju
X
-zraka i neutronskog zračenja. U termohemijske metode spadaju kalorimetrija
toplote mešanja ili rastvaranja i određivanje entalpije direktno ili preko merenja
ravnotežnih konstanti. Teorijske metode su:
ab-initio
, semi-empirijske i empirijske metode.
[7]
4.1. Spektroskopske metode
Vibraciono spektroskopske tehnike su klasične tehnike za proučavanje vodonične veze
u kondenzovanoj fazi. Skoro sve vodonične veze su otkrivene ovom tehnikom, jer ona
omogućava njenu identifikaciju i kod najjačih i kod najslabijih vodoničnih veza.
IC (infracrvena) spektroskopija
koristi elektromagnetno zračenje talasnih dužina u
opsegu 1 - 1,25
μ
m (ili vrednosti talasnog broja od 10000 - 4000 cm
-1
), dok se za
Raman
vibracionu spektroskopiju
koriste elektromagnetni talasi u opsegu 4000 - 10 cm
-1
.
Prelazak na niže frekvencije i proširenje apsorpcije u IC oblasti, što se dešava zbog
istezanja X–H veze koja proističe iz slabljenja snage zbog formiranja vodonične veze. I ova
karakteristika je predstavljala glavni dijagnostički aparat u identifikaciji vodoničnih veza.
IC spektroskopijom dobijamo informacije o valencionim i deformacionim oscilacijama
X–H veze i akceptorskih grupa.
NMR spektroskopija
se zaniva na hemijskom pomeranju kada dolazi do promene u
okruženju, tako da se ova metoda koristi za ispitivanje promene molekularne strukture koje
su izazvale formiranje vodonične veze. Za biološke molekule se najčešće koriste
H-proton
i
C-ugljenik
NMR spektroskopija, s obzirom da su vezani za elektronegativne atome biće
nezaštićeni, a time će imati znatno hemijsko pomeranje.
4.2. Difrakcione metode
Difrakcione metode koje se koriste u ispitivanju vodoničnih veza su
difrakcija X-
zracima
i
neutronska difrakcija
. Nama je suštinski najvažnija pozicija H atoma u
razumevanju vodonične veze. I jednom i drugom difrakcionom metodom je moguće odrediti
poziciju H atoma u molekulu (kristalu), međutim veća preciznost se dobija difrakcijom
neutronskog zračenja. Neutronskom difrakcijom je moguće vršiti proceduru na svim
13
smanjuju cenu troškova istraživanja, što u većini slučajeva veoma bitna stavka
smanjuju rizik pri radu sa opasnim materijama, što je izrazitno značajno u
očuvanju zdravlja tokom istraživanja
Na početku smo rekli da se ovaj metod sastoji iz tri tehnike. Gde je prva bila
ab inito
što
u prevodu ustvari znači prvi princip, ova metoda je bazirana na kvantnoj mehanici i zato
pružaju najbolja predviđanja, ali za njeno korišćenje je neophodna izuzetno visoka
hardverska konfiguracija računara. Semi-empirijske metode su takođe bazirane na kvantnoj
mehanici, ali se do rezultata dolazi nešto brže jer se koriste empirijski podaci. Dok su
metode molekularne mehanike potpuno empirijske i zasnivaju se na klasičnoj fizici, što
znači da su mnogo brže od prethodne dve, ali time i najnetačnije. [4]
Sama metoda predstavlja primenu matematičkih i teorijskih principa na rešavanja
hemijskih problema. Sa razvojem tehnologije napreduje i ovo polje u istraživanju
vodoničnih veza. Pomoću ove metode je moguće predvideti neke od sledećih karakteristika
vodonične veze: toplota formiranja, energija veze, energija i strukture molekula
(termodinamička stabilnost), distribucija naelektrisanja u molekulima, afiniteti prema
elektronu, potencijali jonizacije i vibracione frekvencije.
5. Značaj vodonične veze u biološkim sistemima
Napomenuli smo već da vodonična veza ima ogroman značaj u biološkim sistemima,
posebno N
−
H
•••
N i N
−
H
•••
O veze koje se uspostavljaju između azotnih baza u lancu DNK.
Znamo da DNK u sebi sadrži kompletnu genetsku informaciju neophodnu za normalan
razvoj i funkcionisanje tog organizma. Ako ne bi došlo do vezivanja između azotnih baza u
lancu DNK ona ne bi postojala kao takva. Što nam daje zaključak da život ne bi bio moguć
bez ovog tipa veze. Do ovakvog zaključka se došlo tek nakon razrešenja tačne strukture
DNK, kao i saznanja o njegovoj replikaciji, transkripciji i konačno translaciji u protein, o
čemu će biti više reči u daljem tekstu.
Za bolje razumevanje potrebno je objasniti kakvu ulogu proteini ugraju u organizmu.
Oni su bitni makromolekuli u biološkim sistemima, jer sve što se dešava na nivou ćelija
odvija se preko proteina. Znači oni su odgovorni za sve funkcionalne procese koji se
dešavaju u organizmima biljaka, životinja, pa i čoveka, naravno.
Ostvarivanje vodoničnih veza u DNK se dešava između azotnih baza, kao što je rečeno, i
to tri vodonične veze između citozina i guanina (dve veze N
−
H
•••
O i jedna N
−
H
•••
N) i dve
vodonične veze između timina i adenina (po jedna veza N
−
H
•••
O i N
−
H
•••
N). Ove veze
ustvari omogućavaju povezivanje dva antiparalelna lanca, što inače predstavlja molekul
DNK. Na slici 5. je prikazana struktura DNK, gde se vidi da se ona sastoji od fosfatnih grupa,
14
šećera i azotnih baza, i gde su još izdvojeno prikazane formirane vodonične veze između
citozina i guanine (C:G) i adenine i timina (A:T).
Slika 4. Struktura DNK i uspostavljanje vodonične veze između azotnih baza
Kao što se da videti u tabeli 2. ove vodonične vezu koje se formiraju u molekulu DNK su
jake veze, a takođe su i izrazito slabe gledano uopšteno na sve hemijske veze, a ipak igraju
bitnu ulogu u biološkim sistemima, što ih čini nezamenjivim. Dužina N
−
H
•••
N veze kod A:T
je 1,80
±
0,03
Å
i kod G:C je 1,86
±
0,02
Å
.
Značenje ovako slabih vodoničnih veza u biološkim sistemima se mogu slikovito
prikazati pomoću sledeće slike. Gde se primeti da kada postoji mnoštvo ovakvih slabih veza,
njegova zbirna funkcija je izuzetno značajna.
16
prostornu organizaciju, što je izuzetno bitno kod funkcije proteina (u zavisnosti od
strukture menja se funkcija proteina), tako i vodonične veze obrazovane u ovim sistemima
igraju bitnu ulogu u funkciji proteina. Vodonične veze koje se tu većinom javljaju su C–
H
•••
O veze, i one su „odgovorne“ za protein-protein interakciju. Ova veza je slaba
vodonična veza (kao što je prikazano u tabeli 2.), međutim njeno celokupno dejstvo je
ogromno, kao što je i slučaj kod prethodno opisanih vodoničnih veza u biološkim sistemima.
Slika 6. Vodonične veze (isprekidane linije) kod α heliksa (levo) i β pločica (desno)
Vodonična veza povezuje paralelne lance glukoze i formira celulozu, a ona čini
primarnu komponentu ćelijskog zida biljaka, jer mu daje čvrstinu i izdržljivost. Kod
životinja (ljuskara) ovu ulogu čini hitin, koji je polimer kao i celuloza, sa nešto izmenjenom
strukturom, ali takođe poseduje vodonične veze između slojeva. Tu je prisutna O–H
•••
H
veza.
I još jedna posebna uloga vodonične veze u biološkim sistemima, sem gore navedenih je
ta da se javlja između molekula vode, bez koje opstanak na planeti Zemlji ne bi bio moguć, a
što nas ustvari čini posebnim u Univerzumu. Voda predstavlja sastavni deo žive materije, i
ne samo sastavni već i većinski deo organizama čini voda.
Ne može se tačno reći gde je uloga vodonične veze najznačajnija, jer su svi ovi primeri u
kojima se ona javlja esencijalni za život, njegov opstanak i funkcionisanje.
17
Literatura
[1]
„Hidrogen Bonding: The Last Mystery in Drug Design?“
, Hugo Kubinyi (2001.)
[2]
„The Reception of Hydrogen Bonding by the Chemical Community: 1920-1937“
, Denis
Quane (1990.)
[3]
„The Nature of the Chemical Bond and he Structure of Molecules and Crystals: An
Introduction to Modern Structural Chemistry“
, Linus Pauling (1960.)
[4]
„Hydrogen Bonding in Biological Structures“
, George A. Jeffrey, Wolfram Saenger
(1991.)
[5]
„The Weak Hydrogen Bond“
, Gautam Desiraju, Thomas Steiner (2010.)
[6]
„Definition of the Hydrogen Bond“
, E. Arunan, G. R. Desiraju, R. A. Klein, J. Sadlej, S.
Scheiner, I. Alkorta, D. C. Clary, R. H. Crabtreee, J. J. Dannenberg, P. Hobza, H. G. Kjaergaard,
A. C. Legon, B. Mennucci, D. J. Nesbitt (2009.)
[7]
„Vodonične veze, struktura i biofizički aspekti mehanizma aktivnosti seroidnih
hormona- androgena i antiandrogena“
, Olivera Klisurić (2007.)
