Водородная связь в органике и биологии

25 апреля 1953 года в журнале «Nature» вышла заметка на одну страницу, подписанная двумя молодыми учёными из Кембриджа — американцем Джеймсом Уотсоном и англичанином Фрэнсисом Криком. В ней предлагалась модель молекулы ДНК: две цепи закручены в двойную спираль, а азотистые основания цепей, обращённые внутрь, соединены попарно — аденин с тимином, гуанин с цитозином. Пары удерживаются не ковалентными связями, а водородными: две у пары аденин — тимин, три у пары гуанин — цитозин. Авторы скромно заметили в конце, что предложенное спаривание сразу подсказывает механизм копирования генетического материала. Слабые водородные связи, которые легко разорвать и легко восстановить, оказались основой наследственности.

Водородная связь определяет температуры кипения спиртов и кислот, растворимость сахаров и мочевины, прочность хлопка и шёлка, форму белков и работу ферментов. О водородной связи в неорганических веществах — воде, фтороводороде, аммиаке — рассказывает статья о водородных соединениях элементов. Здесь речь пойдёт об органических веществах и о живой природе, где водородная связь — один из главных инструментов, которыми молекулы распознают друг друга и складываются в сложные структуры.

• 1. Что такое водородная связь
• 2. Доноры и акцепторы в органических молекулах
• 3. Прочность и длина водородной связи
• 4. Спирты: кипение и растворимость
• 5. Карбоновые кислоты: димеры
• 6. Амины и амиды
• 7. Внутримолекулярная водородная связь
• 8. Водородные связи в органических кристаллах
• 9. Водородная связь выбирает таутомер
• 10. Как увидеть водородную связь
• 11. Водородная связь и кислотность
• 12. Целлюлоза: прочность из водородных связей
• 13. Найлон, кевлар и шёлк
• 14. Коллаген и желатин
• 15. Белки: спирали и слои
• 16. Водородные связи в работе ферментов
• 17. Лекарства и водородные связи
• 18. ДНК: пары оснований
• 19. Плавление ДНК и ПЦР
• 20. РНК и шпильки
• 21. Супрамолекулярная химия: молекулы собираются сами
• 22. Сильные и слабые водородные связи
• 23. Гидрогели: вода в сетке водородных связей
• 24. Вода и водородные связи в клетке
• 25. Сладкий вкус и водородные связи
• 26. История изучения
• 27. Частые ошибки
• 28. Интересные факты
• 29. Частые вопросы
• 30. Что пока не решено
• 31. ЕГЭ
• 32. Для олимпиад
• 33. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое водородная связь

Водородная связь возникает между атомом водорода, ковалентно связанным с сильно электроотрицательным атомом — кислородом, азотом, фтором, — и другим электроотрицательным атомом, имеющим неподелённую пару. Атом, к которому водород присоединён ковалентно, называют донором водородной связи, атом с неподелённой парой — акцептором. Записывают её точками или пунктиром: O–H…O, N–H…O, O–H…N. По определению ИЮПАК 2011 года, водородная связь — притяжение между атомом водорода фрагмента X–H, где X электроотрицательнее водорода, и атомом или группой атомов, если есть свидетельства образования связи [1].

Природа водородной связи двойственна. Главная составляющая — электростатическая: атом водорода, у которого электроотрицательный партнёр оттянул электронную плотность, несёт заметный положительный заряд и притягивается к отрицательно заряженной неподелённой паре. Но есть и донорно-акцепторная составляющая: неподелённая пара акцептора частично передаёт электронную плотность на разрыхляющую орбиталь связи X–H, и та слегка удлиняется и ослабевает. Поэтому водородная связь направлена: самая прочная — линейная, когда атомы X, H и Y лежат на одной прямой.

2. Доноры и акцепторы в органических молекулах

Органические молекулы содержат множество групп, способных участвовать в водородных связях. Донорами служат группы O–H спиртов, фенолов, карбоновых кислот, группы N–H аминов, амидов, пептидов, азотистых оснований. Акцепторами — атомы кислорода групп C=O альдегидов, кетонов, кислот, сложных эфиров, атомы кислорода простых эфиров и спиртов, атомы азота аминов и гетероциклов. Многие группы одновременно и доноры, и акцепторы: гидроксильная группа спирта даёт атом водорода и принимает водородные связи неподелёнными парами кислорода.

Связи C–H почти не полярны, и углеводороды водородных связей не образуют. Поэтому простые эфиры и сложные эфиры, у которых нет групп O–H, могут быть только акцепторами: между собственными молекулами они водородных связей не образуют, но с молекулами воды — образуют. Это объясняет, почему диэтиловый эфир кипит при 35 °C, как пентан, но растворим в воде (около 6 г в 100 г) гораздо лучше пентана.

3. Прочность и длина водородной связи

Энергия водородной связи обычно от 5 до 40 кДж/моль — в десять — сорок раз меньше энергии ковалентной связи и в несколько раз больше энергии обычного межмолекулярного притяжения. Связь O–H…O между молекулами воды и спиртов — около 20 кДж/моль, N–H…O между пептидными группами белков — 10–20 кДж/моль, связи с участием заряженных групп, например между карбоксилат-ионом и аммонийной группой, — до 40 кДж/моль и больше. Расстояние между атомами кислорода донора и акцептора — около 270–290 пм, меньше суммы их ван-дер-ваальсовых радиусов (304 пм): атомы сближаются сильнее, чем позволило бы простое касание.

Слабость водородной связи по сравнению с ковалентной — не недостаток, а её главное достоинство в живой природе. При температуре тела энергия теплового движения около 2,6 кДж/моль, и одиночные водородные связи постоянно рвутся и восстанавливаются. Структура держится только тогда, когда водородных связей много и они действуют согласованно, — как застёжка-молния, которую трудно разорвать целиком, но легко расстегнуть зубчик за зубчиком. Именно так расходятся цепи ДНК при копировании и разворачиваются белки при денатурации. Немецкий химик Томас Штайнер в обзоре 2002 года показал, что водородные связи образуют непрерывный ряд — от сильных, почти ковалентных, до очень слабых, переходящих в обычное межмолекулярное притяжение [2].

4. Спирты: кипение и растворимость

Молекулы спиртов связаны друг с другом водородными связями через группы O–H, и это резко повышает температуры кипения. Этанол и его изомер диметиловый эфир имеют одинаковый состав C₂H₆O и одинаковую молярную массу, но этанол — жидкость, кипящая при 78 °C, а диметиловый эфир — газ, кипящий при −24 °C. Пропан с почти той же массой кипит при −42 °C. Разница в сто градусов — энергия, нужная, чтобы разорвать водородные связи между молекулами спирта при испарении.

С ростом углеводородного радикала доля группы OH в молекуле уменьшается, и влияние водородных связей ослабевает: разница температур кипения спирта и эфира той же массы сокращается от 100 °C у этанола до 80 °C у бутанола. Метанол, этанол и пропанол смешиваются с водой в любых соотношениях — их молекулы образуют водородные связи с водой; растворимость бутанола — около 7 г в 100 г воды, а высшие спирты практически нерастворимы. Длинная неполярная цепь не может участвовать в водородных связях и мешает растворению.

Многоатомные спирты содержат несколько групп OH, и их молекулы связаны особенно густой сетью водородных связей. Этиленгликоль кипит при 197 °C, глицерин — при 290 °C (с разложением) и очень вязок: при комнатной температуре он течёт в полторы тысячи раз медленнее воды. Оба смешиваются с водой в любых соотношениях и, нарушая сетку водородных связей воды, сильно понижают её температуру замерзания: 60-процентный раствор этиленгликоля замерзает около −50 °C. На этом основаны автомобильные антифризы. Сахара — многоатомные спирты с карбонильной группой — хорошо растворимы в воде по той же причине, а сладкий вкус сахаров связан с тем, что их группы OH образуют водородные связи с рецепторами языка.

5. Карбоновые кислоты: димеры

У карбоновых кислот в одной группе COOH есть и донор (O–H), и сильный акцептор (C=O). Две молекулы кислоты соединяются двумя водородными связями в циклический димер — восьмичленное кольцо из атомов двух карбоксильных групп. Энергия двойной связи в димере уксусной кислоты — около 60 кДж/моль, и димеры сохраняются даже в парах: плотность пара уксусной кислоты при температуре кипения почти вдвое больше, чем вычисленная для молекул CH₃COOH. Поэтому кислоты кипят выше спиртов той же массы: уксусная кислота — при 118 °C, а пропанол-1 той же молярной массы 60 г/моль — при 97 °C.

Сложные эфиры, в которых атом водорода группы COOH заменён углеводородным радикалом, водородных связей между собой не образуют. Метилформиат HCOOCH₃ — изомер уксусной кислоты — кипит при 32 °C, почти на 90 °C ниже кислоты. Это различие используют на экзамене: из двух изомеров — кислоты и сложного эфира — кислота всегда кипит выше. Сложные эфиры поэтому летучи и ароматны: запахи фруктов во многом создают сложные эфиры — изоамилацетат пахнет грушей и бананом, этилбутират — ананасом.

6. Амины и амиды

Связь N–H менее полярна, чем O–H, и водородные связи между молекулами аминов слабее, чем между молекулами спиртов. Пропиламин C₃H₇NH₂ кипит при 48 °C, а пропанол — при 97 °C. Первичные амины, у которых два атома водорода при азоте, кипят выше вторичных с одним атомом водорода, а третичные, у которых атомов водорода при азоте нет, — ниже всех: изомеры состава C₃H₉N — пропиламин, этилметиламин и триметиламин — кипят при 48, 37 и 3 °C. Но все амины — акцепторы водородной связи, и низшие амины, даже третичные, хорошо растворимы в воде.

Амиды — производные кислот, в которых группа OH заменена группой NH₂ или NHR, — образуют особенно прочные водородные связи N–H…O=C. Ацетамид CH₃CONH₂ с молярной массой 59 г/моль — твёрдое вещество, плавящееся при 81 °C и кипящее при 221 °C, тогда как уксусная кислота плавится при 17 °C. Мочевина (NH₂)₂CO — главный азотистый продукт обмена веществ — тоже амид; её растворимость в воде огромна (больше 100 г в 100 г воды), и концентрированные растворы мочевины разрушают водородные связи в белках, разворачивая их, — этим пользуются биохимики для денатурации белков.

Пептидная связь в белках — это амидная группа –CO–NH–. Каждая пептидная группа — и донор (N–H), и акцептор (C=O) водородной связи. Белок длиной в несколько сотен аминокислот содержит столько же пептидных групп, и все они стремятся образовать водородные связи — друг с другом или с водой. От того, как именно они это сделают, зависит форма белка.

7. Внутримолекулярная водородная связь

Если донор и акцептор находятся в одной молекуле на подходящем расстоянии, водородная связь может образоваться внутри молекулы, замыкая пяти- или шестичленный цикл. Классический пример — нитрофенолы. В орто-нитрофеноле группа OH и нитрогруппа соседствуют, и атом водорода группы OH связан с атомом кислорода нитрогруппы той же молекулы. Группа OH «занята» и не образует водородных связей с соседними молекулами. В пара-нитрофеноле группы разнесены на противоположные концы кольца, и каждая молекула связана с соседями межмолекулярными водородными связями.

Разница в свойствах поразительна. Орто-нитрофенол плавится при 45 °C, летуч и перегоняется с водяным паром, плохо растворим в воде; пара-нитрофенол плавится при 114 °C, с паром не перегоняется и растворим в воде лучше. Перегонкой с паром изомеры разделяют. Так же внутримолекулярная водородная связь делает салициловую кислоту (орто-гидроксибензойную) более сильной кислотой, чем бензойная: после отщепления протона карбоксилат-анион стабилизирован водородной связью с соседней группой OH, и pKₐ салициловой кислоты — 2,97 против 4,20 у бензойной.

Малеиновая и фумаровая кислоты — цис- и транс-изомеры бутендиовой кислоты — показывают тот же эффект в другой форме. В малеиновой кислоте две группы COOH по одну сторону двойной связи, и после отщепления первого протона анион стабилизирован внутримолекулярной водородной связью. Поэтому первая ступень диссоциации малеиновой кислоты сильнее (pKₐ₁ 1,9 против 3,0 у фумаровой), а вторая — слабее (pKₐ₂ 6,1 против 4,4): второй протон удерживается водородной связью. При нагревании малеиновая кислота легко отщепляет воду, образуя циклический ангидрид, а фумаровая — нет: её группы COOH слишком далеко.

8. Водородные связи в органических кристаллах

Строение кристаллов многих органических веществ определяют водородные связи. В кристалле сахарозы каждая молекула связана водородными связями с несколькими соседями через свои восемь групп OH, и кристалл получается твёрдым и прозрачным; при нагревании сахар не плавится спокойно, а разлагается, превращаясь в карамель. В кристалле мочевины каждый атом кислорода принимает четыре водородные связи от групп NH₂ соседних молекул — рекордное для органических кристаллов число.

Мочевина умеет строить из водородных связей и «клетки» для других молекул. В 1940 году немецкий химик Фридрих Бенген заметил, что при кристаллизации мочевины из раствора, содержащего неразветвлённые алканы, образуются кристаллы, в которых молекулы мочевины, соединённые водородными связями, формируют спиральные каналы шириной около 0,5 нм, а внутри каналов, как нитки в трубке, лежат молекулы алканов. Разветвлённые алканы в каналы не помещаются. Так мочевиной отделяли неразветвлённые парафины от разветвлённых при очистке дизельного топлива. Сознательное конструирование кристаллов из молекул, связанных водородными связями, — кристаллическая инженерия — сегодня позволяет получать лекарства в формах с нужной растворимостью и устойчивостью.

9. Водородная связь выбирает таутомер

Некоторые вещества существуют в виде двух быстро превращающихся друг в друга форм — таутомеров, различающихся положением атома водорода. Ацетилацетон CH₃COCH₂COCH₃ может быть дикетоном с двумя группами C=O или енолом, в котором атом водорода перешёл от центрального атома углерода к кислороду, образуя группу OH при двойной связи C=C. Для простых кетонов, вроде ацетона, енольная форма ничтожна — меньше одной стотысячной доли. Но в жидком ацетилацетоне енол составляет около 80 %.

Причина — внутримолекулярная водородная связь. В еноле ацетилацетона группа OH и группа C=O находятся рядом и образуют прочную водородную связь, замыкающую шестичленное кольцо, а двойные связи кольца сопряжены. В воде, которая сама образует водородные связи с группами C=O, доля енола падает до 15–20 %: вода «перехватывает» акцептор, и внутримолекулярная связь теряет преимущество. Так равновесие между таутомерами управляется водородными связями — внутри молекулы и с растворителем. Енолы β-дикетонов прочно связывают ионы металлов, и ацетилацетонаты металлов используют как катализаторы и летучие соединения для нанесения металлических плёнок.

10. Как увидеть водородную связь

Самый простой способ обнаружить водородную связь — инфракрасная спектроскопия. Связь O–H колеблется с частотой, которая в спектре соответствует волновому числу около 3640 см⁻¹, если группа OH свободна. Когда атом водорода участвует в водородной связи, связь O–H немного удлиняется и ослабевает, частота колебания снижается, а полоса смещается к 3200–3400 см⁻¹ и сильно уширяется: в образце одновременно есть водородные связи разной длины и прочности.

Если разбавлять раствор спирта в тетрахлорметане, широкая полоса связанных групп O–H ослабевает, а узкая полоса свободных растёт: молекулы спирта перестают встречаться друг с другом. Полоса внутримолекулярной водородной связи, как у орто-нитрофенола, при разбавлении не меняется: связь находится внутри одной молекулы, и разбавление её не разрушает. Так межмолекулярную и внутримолекулярную водородные связи отличают в опыте. Водородные связи видны и в спектрах ядерного магнитного резонанса: атом водорода, участвующий в водородной связи, «оголён» сильнее, и его сигнал смещается; у карбоновых кислот сигнал группы COOH лежит около 11–12 м. д. — дальше, чем у почти любых других атомов водорода в органических молекулах.

11. Водородная связь и кислотность

Водородные связи с растворителем сильно влияют на кислотность и основность. Ион, образующийся при диссоциации, окружается молекулами воды, образующими с ним водородные связи, и это стабилизирует его. Гидроксид-, ацетат-, феноксид-ионы принимают водородные связи от молекул воды своими атомами кислорода; ионы аммония и замещённого аммония отдают водородные связи своими атомами водорода. Чем лучше ион гидратирован, тем выгоднее его образование.

Этим объясняется, почему в водном растворе триметиламин — более слабое основание, чем диметиламин, хотя в газовой фазе наоборот: ион триметиламмония имеет лишь один атом водорода при азоте и образует с водой меньше водородных связей. Тем же объясняется, почему спирты в воде — очень слабые кислоты (pKₐ около 16), а в газовой фазе, где нет водородных связей с растворителем, их кислотность совсем иная. Водородные связи с растворителем — один из главных факторов, которые химик должен учитывать, сравнивая силу кислот и оснований.

12. Целлюлоза: прочность из водородных связей

Целлюлоза и крахмал построены из одних и тех же остатков глюкозы, но различаются способом их соединения. В крахмале остатки α-глюкозы соединены так, что цепь закручивается в спираль, и группы OH торчат наружу; крахмал набухает в горячей воде и образует клейстер. В целлюлозе остатки β-глюкозы соединены так, что цепь получается прямой и плоской, а каждое звено повёрнуто относительно соседнего на 180°. Прямые цепи укладываются параллельно, и группы OH соседних цепей образуют между собой десятки миллионов водородных связей. Так получаются микрофибриллы — тончайшие кристаллические нити, прочные, как стальная проволока той же толщины.

Поэтому целлюлоза, несмотря на обилие гидроксильных групп, нерастворима в воде: группы OH уже заняты водородными связями друг с другом, и молекулы воды не могут их «перехватить». Хлопковое волокно почти на 90 % состоит из целлюлозы, древесина — на 40–50 %. Растворить целлюлозу можно лишь в растворителях, разрушающих водородные связи: в реактиве Швейцера (аммиачном растворе гидроксида меди), в концентрированных растворах некоторых солей, в ионных жидкостях. На этом основано производство вискозы и других искусственных волокон из древесной целлюлозы.

Бумага держится тоже на водородных связях. При изготовлении листа волокна целлюлозы во влажной массе сближаются, и при высыхании между ними образуются водородные связи. Если бумагу намочить, молекулы воды разрывают связи между волокнами, и лист теряет прочность. Поэтому мокрая бумага рвётся легко, а высохшая снова становится прочной, хотя и покоробленной.

13. Найлон, кевлар и шёлк

Американский химик Уоллес Карозерс, работавший в компании DuPont, в 1929 году начал систематическое изучение полимеризации [3] и в 1935 году получил найлон — полиамид, в котором звенья соединены амидными группами. Между амидными группами соседних цепей образуются водородные связи N–H…O=C, и волокно найлона оказывается прочным и упругим. Нейлоновые чулки, появившиеся в продаже в 1940 году, вызвали ажиотаж: в первый день было продано около 64 тысяч пар. В годы войны весь найлон пошёл на парашюты.

Кевлар, созданный в 1965 году Стефани Кволек, — тоже полиамид, но его звенья содержат жёсткие бензольные кольца, и цепи прямые, как стержни. Водородные связи между ними выстраивают цепи в слои, и волокно оказывается в пять раз прочнее стальной проволоки той же массы; из него делают бронежилеты, тросы, корпуса лодок. Природный шёлк устроен похоже: белок фиброин образует плоские складчатые β-слои, в которых соседние цепи связаны водородными связями, а слои уложены друг на друга. Шёлк паука — сочетание кристаллических β-слоёв, придающих прочность, и неупорядоченных участков, придающих растяжимость; по прочности на единицу массы он превосходит сталь.

14. Коллаген и желатин

Коллаген — самый распространённый белок в организме человека: он составляет основу кожи, сухожилий, хрящей и костей. Его молекула — тройная спираль из трёх белковых цепей, закрученных вокруг общей оси, как канат. Каждая третья аминокислота в цепях коллагена — глицин, самая маленькая, которая помещается в центре спирали, а многие из остальных — пролин и гидроксипролин. Цепи соединены водородными связями между группами N–H глицина одной цепи и группами C=O другой. Для образования гидроксипролина нужен витамин C; без него коллаген получается непрочным, и развивается цинга — болезнь моряков дальних плаваний, при которой кровоточат дёсны и не заживают раны.

Если коллаген прокипятить, водородные связи между цепями рвутся, тройные спирали распадаются, и получается желатин. При охлаждении раствора желатина цепи частично снова закручиваются в спирали, связываясь водородными связями, и образуют сетку, удерживающую воду, — студень. Студень из желатина плавится около 35 °C, чуть ниже температуры тела, поэтому желейные конфеты и заливное тают во рту. Обратимость перехода «раствор — гель» при нагревании и охлаждении — прямое следствие слабости водородных связей.

15. Белки: спирали и слои

В 1951 году Лайнус Полинг и Роберт Кори, исходя из длин связей, углов и плоского строения пептидной группы, предсказали две главные формы, которые принимает белковая цепь за счёт водородных связей. В α-спирали каждая группа C=O связана водородной связью с группой N–H, расположенной на четыре звена дальше по той же цепи; на один виток приходится 3,6 аминокислоты, и все водородные связи направлены вдоль оси спирали. В β-слое водородные связи соединяют соседние вытянутые цепи, и получается плоский складчатый лист [4, 5]. Обе формы вскоре нашли в настоящих белках: α-спирали — в кератине волос и в миоглобине, β-слои — в шёлке и во многих ферментах.

Водородные связи держат и третичную структуру белка — пространственную укладку цепи в глобулу. Но при нагревании, при изменении кислотности, в концентрированных растворах мочевины или спирта водородные связи рвутся, и белок разворачивается — денатурирует. Яичный белок при варке из прозрачной жидкости превращается в белую твёрдую массу: развёрнутые цепи слипаются друг с другом новыми, беспорядочными связями. Высокая температура смертельна для большинства организмов именно потому, что их белки денатурируют; лишь бактерии горячих источников имеют белки, устойчивые до 100 °C и выше, — с большим числом солевых мостиков и плотной упаковкой.

Фермент распознаёт свою молекулу-субстрат во многом по водородным связям: в его активном центре доноры и акцепторы расположены так, чтобы точно соответствовать донорам и акцепторам субстрата. Лекарства конструируют по тому же принципу. Ингибиторы протеаз, применяемые против ВИЧ, проектировали, рассчитывая, какие водородные связи их молекула образует с аминокислотами активного центра фермента вируса.

16. Водородные связи в работе ферментов

Многие ферменты используют водородные связи не только для того, чтобы удерживать субстрат, но и для самой реакции. Классический пример — ферменты, расщепляющие белки: химотрипсин, трипсин, субтилизин. В их активном центре три аминокислоты — серин, гистидин и аспарагиновая кислота — связаны цепочкой водородных связей, так называемой каталитической триадой. Аспартат через водородную связь ориентирует гистидин, а гистидин отрывает протон от группы OH серина, и атом кислорода серина, ставший сильным нуклеофилом, атакует пептидную связь субстрата.

Интересно, что каталитическая триада возникла в эволюции несколько раз независимо: у субтилизина бактерий и у химотрипсина млекопитающих совершенно разная форма белковой цепи, но в активном центре три одинаковые аминокислоты расположены одинаково. Природа «нашла» одно и то же решение дважды — и в основе этого решения лежит согласованная работа водородных связей. Похожие цепочки водородных связей переносят протоны в ферментах дыхательной цепи и фотосинтеза.

17. Лекарства и водородные связи

Лекарство действует, связываясь с белком-мишенью — ферментом, рецептором, ионным каналом. Это связывание почти всегда включает несколько водородных связей между молекулой лекарства и аминокислотами белка. Каждая водородная связь даёт выигрыш лишь в несколько килоджоулей на моль, но вместе они обеспечивают и прочность, и избирательность связывания: лекарство «садится» в свою мишень и не садится в похожие белки. Антибиотик ванкомицин, например, связывается пятью водородными связями с концевым фрагментом строительного блока клеточной стенки бактерий; бактерии, устойчивые к ванкомицину, заменили в этом фрагменте одну группу N–H на атом кислорода, потеряли одну водородную связь — и связывание ослабло в тысячу раз.

Однако водородные связи с водой мешают лекарству проникать через мембраны. Поэтому химики-фармацевты балансируют: молекула должна образовывать водородные связи с мишенью, но не слишком много с водой. Правило Липински, известное из статьи о полярности, ограничивает число доноров водородной связи в хорошо всасывающихся лекарствах пятью, а акцепторов — десятью. Расчёт водородных связей между лекарством и мишенью — одна из главных задач компьютерного дизайна лекарств.

18. ДНК: пары оснований

В 1950 году австро-американский биохимик Эрвин Чаргафф, анализируя ДНК разных организмов, обнаружил странную закономерность: количество аденина в ДНК всегда равно количеству тимина, а количество гуанина — количеству цитозина, хотя соотношение пар A+T и G+C у разных видов разное [6]. Смысл правил Чаргаффа раскрыли Уотсон и Крик [7]: в двойной спирали основания двух цепей стоят друг напротив друга парами, и пары подобраны по водородным связям. Аденин образует две водородные связи с тимином, гуанин — три с цитозином. Другие сочетания не подходят: доноры и акцепторы оказываются не напротив друг друга, а размеры пары — не те.

Комплементарность пар — основа передачи наследственной информации. При репликации цепи ДНК расходятся, и к каждой цепи по правилу комплементарности достраивается новая. При транскрипции по цепи ДНК строится молекула РНК, а при трансляции антикодон транспортной РНК узнаёт кодон матричной РНК тоже по водородным связям между основаниями. Ошибки в спаривании — например, когда основание на мгновение переходит в редкую таутомерную форму с переставленным атомом водорода и спаривается «не с тем» партнёром, — один из источников мутаций.

Водородные связи между основаниями — не единственное, что держит двойную спираль. Не менее важно притяжение плоских оснований, уложенных друг над другом «стопкой» — стэкинг, — и гидрофобный эффект, загоняющий неполярные основания внутрь спирали, подальше от воды. Но именно водородные связи определяют, какое основание с каким спаривается, и тем самым — точность копирования генов.

19. Плавление ДНК и ПЦР

При нагревании раствора ДНК водородные связи между основаниями рвутся, и при определённой температуре — температуре плавления — цепи расходятся. Пара G–C удерживается тремя водородными связями и сильнее связана стэкингом, поэтому чем больше в ДНК пар G–C, тем выше температура плавления. Американские биохимики Юлиус Мармур и Пол Доти в 1962 году установили, что эта зависимость почти линейна, и предложили определять по температуре плавления состав ДНК [8].

На плавлении ДНК основана полимеразная цепная реакция — ПЦР, — изобретённая в 1983 году американским биохимиком Кэри Муллисом (Нобелевская премия по химии 1993 года). Раствор с ДНК нагревают до 95 °C, и цепи расходятся; затем охлаждают до 50–65 °C, и к цепям по правилу комплементарности присоединяются короткие затравки; затем при 72 °C термостойкий фермент из бактерий горячих источников достраивает новые цепи. За один цикл количество нужного фрагмента ДНК удваивается, за тридцать циклов — увеличивается в миллиард раз. ПЦР применяют в диагностике инфекций, криминалистике, установлении родства, и весь метод держится на том, что водородные связи между цепями можно разорвать нагреванием и восстановить охлаждением.

Температура плавления затравок — важный параметр ПЦР, и её рассчитывают по составу: каждая пара G–C добавляет около 4 °C, каждая пара A–T — около 2 °C. Это простое «правило Уоллеса» — прямое следствие разного числа водородных связей в парах оснований.

20. РНК и шпильки

РНК обычно одноцепочечная, но её цепь складывается сама на себя, образуя двуцепочечные участки — «шпильки» и петли, — в которых основания спариваются по тем же правилам (в РНК вместо тимина урацил, и пара A–U удерживается двумя водородными связями). Кроме того, в РНК часто встречается «шатающаяся» пара G–U с двумя водородными связями. Пространственная форма транспортной РНК — «клеверный лист», сложенный в букву Г, — целиком задаётся водородными связями между её основаниями.

Формы, которые принимает РНК, позволяют ей не только переносить информацию, но и катализировать реакции. Рибосома — молекулярная машина, синтезирующая белки, — устроена так, что пептидную связь образует не белок, а РНК: её основания, связанные водородными связями, ориентируют молекулы субстратов. Многие биологи считают, что жизнь началась с «мира РНК», где одна и та же молекула хранила информацию и работала как фермент, — и в основе этого мира тоже лежат водородные связи.

21. Супрамолекулярная химия: молекулы собираются сами

Водородные связи позволяют молекулам узнавать друг друга и самопроизвольно собираться в сложные структуры. Эту область назвал супрамолекулярной химией — «химией за пределами молекулы» — французский химик Жан-Мари Лен [9]. Он, американец Чарлз Педерсен, открывший краун-эфиры, и Дональд Крам получили Нобелевскую премию по химии 1987 года за молекулы, избирательно связывающие ионы и другие молекулы. Принцип такой же, как в паре ферментов и субстратов: доноры и акцепторы водородных связей «хозяина» точно расположены напротив акцепторов и доноров «гостя».

Самый впечатляющий пример самосборки — ДНК-оригами. Американский учёный Пол Ротемунд в 2006 году взял длинную одноцепочечную ДНК вируса и сотни коротких «скрепок» — олигонуклеотидов, подобранных так, чтобы каждая спаривалась с двумя удалёнными участками длинной цепи [10]. При медленном охлаждении смеси цепь сама складывалась в задуманную форму: квадрат, звезду, смайлик размером около 100 нм. Из ДНК-оригами сегодня строят наноконтейнеры для доставки лекарств, наноразмерные «линейки» для микроскопии и даже двигающиеся молекулярные механизмы. Всё это возможно потому, что правила спаривания оснований — водородные связи A–T и G–C — надёжны и предсказуемы.

22. Сильные и слабые водородные связи

Обычные водородные связи несимметричны: атом водорода прочно связан с донором и слабо — с акцептором. Но если донор и акцептор одинаково электроотрицательны и сближены до 240–250 пм, атом водорода может оказаться почти посредине, и связь становится очень прочной — до 100–160 кДж/моль. Такие связи существуют в ионе HF₂⁻, в ионе гидромалеата, в «протонных губках». Американские биохимики Уоллес Клеланд и Морис Кревой в 1994 году предположили, что подобные «низкобарьерные» водородные связи образуются в активных центрах некоторых ферментов в момент реакции и дают ферментам часть их каталитической силы [11]. Гипотеза вызвала долгую дискуссию и до сих пор обсуждается.

На другом конце шкалы — слабые водородные связи C–H…O, в которых донором служит атом водорода при атоме углерода. Связь C–H почти неполярна, и такая водородная связь слаба — 2–8 кДж/моль, — но в больших молекулах их много. Связи C–H…O помогают удерживать структуру β-слоёв белков, определяют упаковку многих органических кристаллов и участвуют в связывании лекарств с белками. Особенно заметны они, когда атом углерода связан с электроотрицательными атомами: в хлороформе связь C–H достаточно полярна, и хлороформ образует водородные связи с ацетоном, отчего их смесь кипит при более высокой температуре, чем каждый компонент в отдельности.

23. Гидрогели: вода в сетке водородных связей

Гидрогель — сшитый полимер, способный удерживать в себе воду в десятки и сотни раз больше собственной массы. Его цепи содержат множество групп OH, NH₂, COOH, образующих водородные связи с водой, а редкие поперечные сшивки не дают полимеру раствориться. В 1961 году чешский химик Отто Вихтерле, работая дома за кухонным столом на самодельной машине из детского конструктора и динамо от велосипеда, отлил первые мягкие контактные линзы из гидрогеля полигидроксиэтилметакрилата. Линза содержит около 40 % воды, мягкая, пропускает кислород к роговице глаза.

Гидрогели применяют в раневых повязках, которые удерживают влагу и не прилипают к ране, в системах постепенного высвобождения лекарств, в искусственных хрящах, в сельском хозяйстве для удержания влаги в почве. Природные гидрогели — желатин, агар из водорослей, слизь, стекловидное тело глаза — работают по тому же принципу. Мягкость тканей живого организма во многом определяется тем, что они — гидрогели, в которых вода связана водородными связями с белками и полисахаридами.

24. Вода и водородные связи в клетке

Белки, ДНК, мембраны в клетке окружены водой, и вода участвует в их структуре. Молекулы воды образуют водородные связи с полярными группами на поверхности белков, заполняют полости внутри них, служат «мостиками» между донорами и акцепторами. Белок без гидратной оболочки теряет подвижность и перестаёт работать как фермент. Поэтому высушенные семена, споры бактерий, тихоходки в состоянии анабиоза почти не проявляют признаков жизни, но, получив воду, оживают.

Рыбы холодных морей Антарктики и Арктики живут при температуре воды −1,8 °C — ниже температуры замерзания их крови. От замерзания их защищают антифризные белки: их поверхность покрыта группами, которые образуют водородные связи с гранями зарождающихся кристалликов льда и не дают им расти. Такие белки нашли и у насекомых, растений, грибов. Их пытаются использовать, чтобы мороженое не становилось кристаллическим при хранении и чтобы донорские органы можно было охлаждать без повреждения льдом.

25. Сладкий вкус и водородные связи

Почему одни вещества сладкие, а другие нет? В 1967 году американские химики Роберт Шалленбергер и Терри Акри предложили простую гипотезу: сладкая молекула должна иметь донор водородной связи (группу O–H или N–H) и акцептор (атом кислорода или азота) на расстоянии около 0,3 нм друг от друга. Такая пара групп образует две водородные связи с соответствующей парой групп рецептора вкуса на языке. У сахаров такие пары — соседние группы OH. Позднее к модели добавили третью, неполярную точку связывания, которая объясняла, почему одни вещества слаще других.

Модель помогла понять сладость совершенно непохожих на сахар веществ — сахарина, аспартама, некоторых аминокислот — и искать новые подсластители. Сахарин примерно в 300–500 раз слаще сахарозы, аспартам — около 200 раз. Хотя рецептор сладкого вкуса устроен сложнее, чем предполагала исходная модель, распознавание сладких молекул действительно идёт во многом через водородные связи. Вкус и запах — ещё одна область, где водородные связи работают как механизм молекулярного узнавания.

26. История изучения

Водородную связь как объяснение свойств воды и спиртов предложили в 1920 году Уэнделл Латимер и Уорт Родебуш [12], а Лайнус Полинг в книге «Природа химической связи» (1939) посвятил ей отдельную главу и показал, что она определяет строение многих кристаллов и биологических молекул. Его предсказания α-спирали и β-слоя в 1951 году [4, 5] и открытие двойной спирали ДНК Уотсоном и Криком в 1953 году [7] сделали водородную связь одним из центральных понятий биологии.

Во второй половине XX века водородную связь начали использовать сознательно: в синтетических волокнах [3], в супрамолекулярной химии [9], в дизайне лекарств, в ДНК-нанотехнологии [10]. В 2011 году ИЮПАК дал ей современное определение [1], признав, что водородная связь — не только электростатическое притяжение, но и частичный перенос электронной плотности.

27. Частые ошибки

Самая частая ошибка — путать водородную связь с ковалентной связью атома водорода. Водородная связь — это связь между атомом водорода, уже ковалентно связанным с донором, и другим атомом. Разрыв водородных связей при кипении спирта не разрушает молекулы спирта, а при плавлении ДНК — цепи ДНК.

Вторая ошибка — приписывать водородные связи любым веществам, содержащим водород. Метан, бензол, алканы, хлороводород, сероводород практически не образуют водородных связей: у первых связи C–H почти неполярны, у последних атомы хлора и серы недостаточно электроотрицательны и слишком крупны. Простые эфиры и альдегиды не образуют водородных связей друг с другом, хотя с водой — образуют.

Третья ошибка — считать, что в ДНК водородные связи — единственное, что удерживает цепи. Стэкинг оснований и гидрофобный эффект вносят в устойчивость двойной спирали не меньший вклад; водородные связи прежде всего определяют специфичность — какое основание с каким спаривается.

28. Интересные факты

В одной молекуле ДНК человека — самой длинной, в хромосоме 1, — около 250 миллионов пар оснований и, значит, около 600 миллионов водородных связей между цепями. Вся ДНК одной клетки человека содержит больше десяти миллиардов таких связей.

Лапки водомерок и листья лотоса не смачиваются водой: их поверхность покрыта воском и микроскопическими выростами, не образующими водородных связей с водой, и капли скатываются, унося грязь. Это «эффект лотоса» используют в самоочищающихся красках и стёклах.

Застёжка-липучка, изобретённая швейцарским инженером Жоржем де Местралем после прогулки, на которой к его собаке прицепились репейники, — макроскопический аналог водородных связей: множество слабых крючков, каждый из которых легко отцепить, вместе держат прочно.

29. Частые вопросы

Почему спирты кипят выше эфиров того же состава?

У спиртов есть группа O–H, и их молекулы связаны водородными связями. У простых эфиров атомы водорода связаны только с углеродом, и водородных связей между молекулами эфира нет.

Почему целлюлоза не растворяется в воде, а глюкоза растворяется?

Глюкоза — небольшая молекула, все её группы OH образуют водородные связи с водой. В целлюлозе группы OH соседних цепей образуют водородные связи друг с другом в плотных кристаллических волокнах, и вода не может их разорвать.

Почему пара G–C прочнее пары A–T?

Гуанин и цитозин связаны тремя водородными связями, аденин и тимин — двумя; кроме того, стэкинг с участием пар G–C сильнее. Поэтому ДНК, богатая парами G–C, плавится при более высокой температуре.

Чем внутримолекулярная водородная связь отличается от межмолекулярной?

Внутримолекулярная связь образуется внутри одной молекулы и не связывает молекулы друг с другом. Вещества с внутримолекулярными водородными связями, как орто-нитрофенол, более летучи и менее растворимы в воде, чем их изомеры с межмолекулярными связями.

30. Что пока не решено

Сколько водородных связей у молекулы воды в жидкости

Каждая молекула воды может участвовать в четырёх водородных связях, но сколько их в среднем в жидкой воде и как быстро они перестраиваются, до сих пор обсуждается: по разным оценкам, от 3,4 до 3,9 связи на молекулу, а время жизни одной связи — около пикосекунды. От ответа зависит понимание гидратации белков и ионов.

Роль низкобарьерных связей в ферментах

Гипотеза Клеланда и Кревоя о том, что ферменты используют особо прочные водородные связи для ускорения реакций, до сих пор не подтверждена и не опровергнута окончательно: измерить положение атома водорода в активном центре работающего фермента очень трудно, и разные методы дают разные ответы.

31. ЕГЭ

Водородная связь названа в кодификаторе ЕГЭ по химии среди видов химической связи [13]. В заданиях нужно выбирать вещества, между молекулами которых образуются водородные связи, объяснять с их помощью температуры кипения и растворимость органических веществ, сравнивать свойства изомеров. Водородные связи образуются между молекулами воды, спиртов, фенолов, карбоновых кислот, первичных и вторичных аминов, амидов, аммиака, фтороводорода; не образуются — между молекулами алканов, алкенов, аренов, простых и сложных эфиров, альдегидов, кетонов, третичных аминов (хотя все эти кислородсодержащие и азотсодержащие вещества могут быть акцепторами водородной связи с водой).

Разбор типичных формулировок

«Выберите два вещества, между молекулами которых образуются водородные связи: этанол, этан, уксусная кислота, ацетальдегид, диметиловый эфир». Этанол и уксусная кислота — в них есть группы O–H.

«Какое из веществ имеет наиболее высокую температуру кипения: пропанол-1, пропаналь, метилэтиловый эфир, бутан?» Пропанол-1: водородные связи между молекулами спирта.

«Почему уксусная кислота кипит выше этанола?» Молекулы кислоты образуют прочные циклические димеры с двумя водородными связями; к тому же молярная масса кислоты больше.

32. Для олимпиад

Димеризация уксусной кислоты в парах

Если пары уксусной кислоты состоят из мономеров и димеров, их средняя молярная масса находится между 60 и 120 г/моль. Измерив плотность пара, можно найти степень димеризации. Например, если при некоторой температуре и давлении 1 атм средняя молярная масса пара — 90 г/моль, то доля мономера x удовлетворяет уравнению $60x+120(1-x)=90$, откуда $x=0,5$ по количеству частиц. Константа равновесия димеризации при этом

Измеряя такую константу при разных температурах, находят энтальпию димеризации — около −60 кДж/моль, то есть около 30 кДж/моль на одну водородную связь.

Правило Уоллеса и устойчивость дуплексов

Для коротких олигонуклеотидов температура плавления приближённо равна $4N_{GC}+2N_{AT}$ °C. Для затравки из 20 нуклеотидов с 10 парами G–C и 10 парами A–T получаем 60 °C. Точнее устойчивость дуплекса описывают моделью «ближайших соседей», учитывающей стэкинг каждой пары соседних пар оснований, — по ней работают все программы для подбора затравок ПЦР.

Энергия водородной связи из теплоты испарения

Грубую оценку энергии водородной связи можно получить из теплоты испарения. У воды при 25 °C она равна 44 кДж/моль. Каждая молекула в жидкости участвует примерно в четырёх водородных связях, но каждая связь общая для двух молекул, — на моль воды приходится около двух молей водородных связей. Если бы вся теплота испарения шла на их разрыв, на одну связь приходилось бы около 22 кДж/моль. На деле часть теплоты испарения расходуется на преодоление дисперсионного притяжения, а часть связей рвётся уже в жидкости, поэтому эта оценка близка к верхней границе. Для сравнения: у сероводорода, молекулы которого почти не образуют водородных связей, теплота испарения лишь 18,7 кДж/моль.

33. Задания с разбором

Задание 1

Выберите вещества, между молекулами которых образуются водородные связи: метанол, метан, муравьиная кислота, формальдегид, метиламин.

Задание 2

Почему этанол кипит при 78 °C, а диметиловый эфир того же состава — при −24 °C?

Задание 3

Расположите вещества по возрастанию температуры кипения: пропан, этанол, диметиловый эфир, уксусная кислота.

Задание 4

Почему из двух изомеров — уксусной кислоты и метилформиата — кислота кипит намного выше?

Задание 5

Расположите изомеры C₃H₉N по уменьшению температуры кипения: триметиламин, пропиламин, этилметиламин.

Задание 6

Сколько водородных связей между основаниями в фрагменте ДНК, содержащем 10 пар A–T и 15 пар G–C?

Задание 7

Почему глюкоза растворима в воде, а целлюлоза — нет?

Задание 8

Почему орто-нитрофенол летучее пара-нитрофенола?

Задание 9

Почему денатурация белка при варке яйца необратима, а плавление ДНК при нагревании обратимо?

Задание 10

Какие водородные связи стабилизируют α-спираль белка?

Задание 11

Почему этиленгликоль используют как антифриз?

Задание 12

Почему диэтиловый эфир растворим в воде лучше пентана, хотя кипит при той же температуре?

Задание 13

Почему мокрая бумага рвётся легче сухой?

Задание 14

Какой из изомеров бутендиовой кислоты — малеиновая или фумаровая — легче образует ангидрид при нагревании? Почему?

Задание 15

Почему ацетамид — твёрдое вещество, а уксусная кислота при комнатной температуре жидкая?

Задание 16 (олимпиадное)

Плотность паров уксусной кислоты по воздуху при некоторой температуре равна 3,1. Найдите долю димеров (по количеству частиц).

Задание 17 (олимпиадное)

Оцените по правилу Уоллеса температуру плавления затравки 5′-GCTAGCATCG-3′.

Задание 18 (олимпиадное)

По формуле Мармура — Доти найдите долю пар G–C в ДНК, плавящейся при 90 °C.

Задание 19 (олимпиадное)

Почему pKₐ₁ малеиновой кислоты меньше, а pKₐ₂ больше, чем у фумаровой?

Задание 20 (олимпиадное)

Почему смесь хлороформа и ацетона кипит при более высокой температуре, чем каждый из компонентов?

Литература

1. Arunan E., Desiraju G. R., Klein R. A. et al. Definition of the hydrogen bond (IUPAC Recommendations 2011) // Pure and Applied Chemistry. 2011. Vol. 83, № 8. P. 1637–1641. DOI: 10.1351/PAC-REC-10-01-02.
2. Steiner T. The hydrogen bond in the solid state // Angewandte Chemie International Edition. 2002. Vol. 41, № 1. P. 48–76. DOI: 10.1002/1521-3773(20020104)41:1<48::AID-ANIE48>3.0.CO;2-U.
3. Carothers W. H. Studies on polymerization and ring formation. I. An introduction to the general theory of condensation polymers // Journal of the American Chemical Society. 1929. Vol. 51, № 8. P. 2548–2559. DOI: 10.1021/ja01383a041.
4. Pauling L., Corey R. B., Branson H. R. The structure of proteins: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1951. Vol. 37, № 4. P. 205–211. DOI: 10.1073/pnas.37.4.205.
5. Pauling L., Corey R. B. Configurations of polypeptide chains with favored orientations around single bonds: two new pleated sheets // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1951. Vol. 37, № 11. P. 729–740. DOI: 10.1073/pnas.37.11.729.
6. Chargaff E. Chemical specificity of nucleic acids and mechanism of their enzymatic degradation // Experientia. 1950. Vol. 6, № 6. P. 201–209. DOI: 10.1007/BF02173653.
7. Watson J. D., Crick F. H. C. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid // Nature. 1953. Vol. 171, № 4356. P. 737–738. DOI: 10.1038/171737a0.
8. Marmur J., Doty P. Determination of the base composition of deoxyribonucleic acid from its thermal denaturation temperature // Journal of Molecular Biology. 1962. Vol. 5, № 1. P. 109–118. DOI: 10.1016/S0022-2836(62)80066-7.
9. Lehn J.-M. Supramolecular chemistry — scope and perspectives: molecules, supermolecules, and molecular devices (Nobel lecture) // Angewandte Chemie International Edition in English. 1988. Vol. 27, № 1. P. 89–112. DOI: 10.1002/anie.198800891.
10. Rothemund P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns // Nature. 2006. Vol. 440, № 7082. P. 297–302. DOI: 10.1038/nature04586.
11. Cleland W. W., Kreevoy M. M. Low-barrier hydrogen bonds and enzymic catalysis // Science. 1994. Vol. 264, № 5167. P. 1887–1890. DOI: 10.1126/science.8009219.
12. Latimer W. M., Rodebush W. H. Polarity and ionization from the standpoint of the Lewis theory of valence // Journal of the American Chemical Society. 1920. Vol. 42, № 7. P. 1419–1433. DOI: 10.1021/ja01452a015.
13. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения единого государственного экзамена по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.