Природа водородной связи
- Водородная связь — это преимущественно электростатическое притяжение между донором с частично положительным водородом и акцептором с неподелённой парой электронов; обозначается как $\mathrm{D}-\mathrm{H}\cdots \mathrm{A}$ (например $\mathrm{C}=\mathrm{O}\cdots \mathrm{H}-\mathrm{N}$).
- Она направленная (ориентация важна) и слабее ковалентной, но сильнее ван‑дер‑Ваальсовых взаимодействий; в биологических условиях энергия одной Н‑связи примерно $\sim 4-20kJ/mol$ ($\sim 1-5kcal/mol$), а их коллективный эффект даёт большую стабильность.
Роль в структуре белков
- Вторичная структура: α‑спираль стабилизируется Н‑связями между карбонильной и амидной группой резидуа $\mathrm{i}$ и $\mathrm{i}+4$ (то есть $\mathrm{i}\to \mathrm{i}+4$); β‑лист — Н‑связями между цепями (параллельными или антипараллельными).
- Третичная и четвертичная структура: боковые цепи аминокислот формируют дополнительные Н‑связи (между полярными боковыми группами, с карбоксильными/амидными группами), которые влияют на упаковку и специфичность контактов.
- Функциональные центры: в активных центрах ферментов Н‑связи определяют положение субстрата, стабилизируют переходные состояния и участвуют в протонном переносе.
Роль в нуклеиновых кислотах
- Комплементарное спаривание основано на Н‑связях: $\mathrm{A}=\mathrm{T}$ (в ДНК) или $\mathrm{A}-\mathrm{U}$ (в РНК) — две Н‑связи, $\mathrm{G}\equiv \mathrm{C}$ — три Н‑связи. Количество Н‑связей влияет на термическую стабильность: GC‑обогащённые участки прочнее.
- Кроме того важны стэкинг‑взаимодействия между основаниями; Н‑связи обеспечивают специфичность считывания и репликации (распознавание по узорам доноров/акцепторов в больших/малых бороздах).
Как изменение Н‑связей влияет на функциональность
- Потеря или ослабление Н‑связей (мутация, изменение pH, ионная среда, температура, органические растворители) снижает стабильность вторичной/третичной структуры → денатурация, утрата активности ферментов, снижение сродства лиганда/субстрата.
- Образование новых Н‑связей может изменить конформацию и специфичность: например, смена одного остатка может изменить направление связи и сместить позицию каталитического функционала.
- В нуклеиновых кислотах разрушение Н‑связей ведёт к расплетению спирали (денатурация), а усиление — к повышению температуры плавления (Tm); нарушение спаривания способствует ошибкам при репликации и мутациям.
- Дисбаланс Н‑связей может приводить к агрегированию и неправильно свернутым формам (например, амилоидные отложения при деградации нормальных Н‑связочных паттернов).
Ключевая идея
- Отдельная Н‑связь слаба ($\sim 4-20kJ/mol$), но их направленность и коллективность обеспечивают специфичность, стабилизацию и динамику биомолекул; изменения в этих взаимодействиях прямо отражаются на структуре, стабильности и функции белков и нуклеиновых кислот.