氢键在生物活性分子中的作用

前言
氢键是一种介于共价键(200～400KJ·mol -1 )和范德华力(10 ～40KJ·mol -1 )之间的一种特殊相互作用,其键能在30 ～200KJ·mol -1 间,键长比范德华力半径之和小,但比共价键键长之和大很多。

物质的许多性质如沸点、熔点、粘度、表面张力等都与此有关。

一、氢键的概念及分类
1，氢键的形成
氢键是指与电负性极强的元素X 相结合的氢原子和另一分子中电负性极强的原子Y 之间所形成的一种弱键。

可表示为X-H…Y，X,Y 通常是F ,O 和N 等元素。

2，氢键在生物分子中的存在状态
蛋白质、核酸、糖、脂等是生物体特有的大分子有机化合物,是建造生物体的主要成分,被称为生物分子。

3，氢键的分类
①，正常的氢键
氢键通常是一种缺电子的 H 原子与富电子原子或原子团之间的一种弱相互作用,比化学键的键能小得多, 与范德华力较为接近 .通常情况下, 氢键可以表示为“X —H …Y”，其中 X 和 Y 一般都是电负性较大的元素 , 且 Y 原子有1对或1对以上的孤对电子，X —H 称为质子供体(proton donor), Y 称为质子受体(proton acceptor).
②、π型氢键
π型氢键是一种缺电子的 H 原子与多重键的π电子或是共轭体系的π电子之间形成的一种弱相互作用.
②、双氢键
双氢键是指带电正性的H原子与带电负性的H 原子之间的一种弱相互作用。

双氢键间的键能一般在 7 .1～ 14 .6kJ/mol之间, H …H 间的距离一般在0.17～ 0.22nm之间.
■氢键的分类也可这样分：
同种分子之间------现以HF为例说明氢键的形成。

在HF分子中，由于F 的电负性(4.0)很大，共用电子对强烈偏向F原子一边，而H原子核外只有一个电子，其电子云向F原子偏移的结果，使得它几乎要呈质子状态。

这个半径很小、
无内层电子的带部分正电荷的氢原子，使附近另一个HF分子中含有负电子对并带CAP-DNA 复合物部分负电荷的F原子有可能充分靠近它，从而产生静电吸引作用。

这个静电吸引作用力就是所谓氢键。

即F-H...F。

不同种分子之间------不仅同种分子之间可以存在氢键，某些不同种分子之间也可能形成氢键。

例如NH3与H2O之间。

所以这就导致了氨气在水中的惊人溶解度:1体积水中可溶解700体积氨气。

分子内氢键------某些分子内，例如HNO3、邻硝基苯酚分子可以形成分子内氢键，还有一个苯环上连有两个羟基，一个羟基中的氢与另一个羟基中的氧形成氢键。

分子内氢键由于受环状结构的限制，X-H…Y往往不能在同一直线上。

分子内氢键使物质熔沸点降低。

分子内氢键必须具备形成氢键的必要条件，还要具有特定的条件，如:形成平面环，环的大小以五或六原子环最稳定，形成的环中没有任何的扭曲。

双氢键与Π氢键------不同分子之间还可能形成双氢键效应，写为B-H… H-A。

比如H3N- BH3，而双氢键很容易脱去H2，所以双氢键也被看成氢化物脱氢的中间体。

另外在大分子中往往还存在π-氢键，大π键或离域π 键体系具有较大的电子云可以作为质子的受体，而形成π-氢键，也称芳香氢键，在稳定多肽和蛋白质中也起着重要作用。

特性
氢键通常是物质在液态时形成的，但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气态物质之中。

例如在气态、液态和固态的HF中都有氢键存在。

能够形成氢键的物质是很多的，如水、水合物、氨合物、无机酸和某些有机化合物。

氢键的存在，影响到物质的某些性质。

二、生物活性分子
蛋白质、核酸、糖、脂等是生物体特有的大分子有机化合物 ,是建造生物体的主要成分,被称为生物分子。

它们是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。

4，氢键在蛋白质中的作用
蛋白质是生物体含量最丰富的一类生物大分子物质。

蛋白质分子的基本组成单位基酸。

参与合成蛋白质的氨基酸有20种,其中除脯氨酸外，均可用通式H2N(R)-CH -COOH 表示 ,其中 R 为侧链基团。

由通式可看出氨基酸的氨基与羧基都与α-碳原子相连,因此称为α-氨基酸。

蛋白质是具有三维空间的高分子物质, 按照肽链的折叠方式和复杂程度将其结构分为四级 ,即一级结构和空间结构(包括二、三、四级结构)。

并非所有蛋白质都具有四级结构 ,只有两条以上肽链组成的蛋白质才具有四级结构 , 单链蛋白质只有一、二、三、级结构。

蛋白质分子是由氨基酸构成的。

氨基酸分子之间是靠肽键相连的。

在蛋白质的二级结构中 ,在多肽链骨架中, 局部肽段的折叠卷曲所形成的有规律的空间构象 ,主要有α-螺旋结构和β -片层结构,二级结构主要依赖氢键这种分子间相互作用来维系构象的稳定性。

α-螺旋蛋白质多肽链和β-折叠蛋白质多肽链中都有大量的羰基和亚氨基形成的氢键，从而使蛋白质维持一定的构象。

α-螺旋结构：多肽链以肽键平面为单位,通过α-碳原子的单键旋转,绕中心轴盘曲形成α-螺旋 ,每 3 ～ 6 个氨基酸残基形成一个螺旋圈 ,螺距为0.54nm ,侧链R基团位于螺旋外侧 ,在螺旋中每个肽键中的 NH 的氢与第四个肽键中CO的氧间形成氢键, 氢键的方向与螺旋轴基本平行 ,由于螺旋中的肽键全部形成氢键,使螺旋结构保持稳定。

β-片层结构：β-片层是一种肽链相当伸展的结构, 肽键平面之间折叠成锯齿状 , R 基团位于锯齿状结构的上下方。

它由两条肽链,或一条肽链的两肽段之间的 C =O 与NH 形成氢键, 使片层结构保持稳定,氢键与折叠的长轴相垂直,两条肽链的 N -端在同一方向为平行式 ,N -端不在同一方向为反平行式 ,以反平行式较稳定。

蛋白质三级结构是多肽链在二级结构的基础上近一步盘曲折叠而形成的空间结构。

维系蛋白质三级结构的也是非共价键的作用，其中少不了氢键的存在。

蛋白质发展的空间构象与其功能密切相关。

以牛胰核糖核酸酶为例,核糖核酸酶由124 个氨基酸残基构成单链链内有20%为螺旋结构。

核糖核酸酶分子依靠氢键及四对二硫键维系空间结构。

如加变性剂使二硫键还原 ,氢键断裂,核糖核酸酶的空间构象被破坏,肽链变为无规则卷曲 ,生物活性完全丧失,若将变性剂及时透析除去，则氢键恢复, 酶活性可完全恢复。

从此例可说明蛋白质的空间结构在其功能中起着决定的作用，蛋白质在发挥其生物功能时应具有的特定的空间结构。

5.核酸中的碱基中氢键的作用
１９５３年ＷＡＴＳＯＮ和ＣＲＩＣＫ发现了ＤＮＡ双螺旋结构，两条多聚核苷酸链相互反平行盘绕成双螺旋；互补碱基由位于螺旋内部的氢键联结，其平面垂直于螺旋轴．碱基对通过氢键作用形成一定的空间结构，此种结构具有调节基因表达的生物功能，与动植物生长发育、疾病发生有着密切关系．有了碱基间氢键的作用才能构成丰富复杂的ＤＮＡ分子，如果没有碱基之间的氢键，就能组装成ＤＮＡ双螺旋链；
因此核碱基氢键的研究越来越受到科学工作者的重视．氢键无处不在，是自然界中很重要的相互作用方式，它已渗透到化学、生物、物理以及材料科学等领域．维持ＤＮＡ双螺旋链主要是互补碱基间的氢键、碱基堆积力等，氢键是维
系和促进蛋白质与核酸高级结构形成的重要作用力，基因突变时氢键的变化与基因的特殊生物学行为密切相关．核酸碱基中，主要存在Ｎ－Ｈ…Ｎ及Ｎ－Ｈ…Ｏ两种强氢键类型，静电引力导致分子间超共轭效应起主要作用，而分子内共轭及原子杂化效应都可以忽略．ＡＬＡＢＵＧＩＮ理论能够很好的解释氢键位移的形成，氢键的红移和蓝移的形成原因主要是分子间超共轭效应和原子轨道重杂化两种效应共同决定的，当超共轭效应大于重杂化效应时形成红移氢键，反之则形成蓝移氢键．分子间和分子内超共轭能大小是其效应强弱的具体体现．ＮＢＯ分析分子间和分子内共轭二阶稳定化能有助于对氢键形成机理进行解释．ＨＯＢＺＡ等提出用两步机理理论解释蓝移氢键的形成，即电荷转移到电子受体的σ＊（Ｎ－Ｈ）反键轨道或具有孤对电子原子上，导致质子给体原子内部结构发生重排，电荷分布均增大从而导致Ｘ－Ｈ键伸长、频率减小．
6，碱基尿嘧啶与小分子间氢键的作用
碱基尿嘧啶分别在一号位点、二号位点、三号位点与小分子作用形成的氢键二聚体的结合能 BE 与二阶稳定化能Eij 呈现出很好的线性相关性。

在同一氢键类型中，轨道能Eorb 和 Eij 有很好的线性关系。

7，氢键与蛋白质耐热性关系的研究
氢键是当蛋白质空间结构中，H供体和H受体之间的距离小于3A，供体一氢键一受体的角度小于900时形成的。

对于氢键与蛋白质耐热性的关系，从来就有不同的观点。

Tanner等川比较4种不同来源的磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)，发现亚基内的氢键数目和耐热性成正比。

他们认为，氢键对稳定性的作用超过盐桥和中性原子之间形成的氢键。

Gerhard vogt]发现，氢键数目随着温度的升高而增加。

seung Pil Paek和Young Je Yoo根据氨基酸的表面积将氨基酸残基分成五态:
完全暴露态、暴露态、边界态、包埋态、完全包埋态，发现氢键在完全包埋态下的耐热蛋白质中分布显著，说明完全包埋态的氢键对蛋白质稳定性的作用比其他状态大。

然而有些研究显示氢键在耐热或常温蛋白质中，没有明显的差别，认为氢键不是决定蛋白质耐热性的因素。

由此可见，氢键与蛋白质耐热性之间的关系是耐人寻味的，不同类的氢键可能对不同来源的蛋白质产生不同类、甚至是相反的影响。

总结
除了以上两种生物活性分子，生物体内还有许多重要复杂的有机高分子,由于氢键的形成 ,让它们分子有了复杂的空间结构 ,从而具有特殊的生理功能。

氢键的键能虽然不大 ,但却是一种非常重要的分子间和分子内作用力,到目前为止,我们可以这样说: 氢键与生物的起源，和进化有着密不可分的关系,没有氢键,地球上肯定不会有液态的水,也就不会有诸如蛋白质、核酸这些对生命的诞生具有决定意义的物质 ,换句话说 ,没有氢键就不会有生命。

氢键在生物分子中有着重要的意义和作用,用无机物中的例子,很难表达它的重要性。

了解生物分子中氢键的存在状态及作用,会使人们更加认识到氢键的重要性及其作用。

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