Wasserstoffbrückenbindung
Wasserstoffbrückenbindungen oder Wasserstoffbrücken sind chemische Bindungen. Sie gehören zu den van-der-Waals-Bindungen, die elektrostatischer Natur sind und deren Bindungsenergien deutlich unter denen der kovalenten Atombindung und der ionischen Bindungen liegen.
Wasserstoffbrücken entstehen, wenn zwei Moleküle oder zwei geeignet weit voneinander getrennte Abschnitte eines Makromoleküls über Wasserstoffatome (H) in Wechselwirkung treten. Dazu muss das H kovalent an ein stark elektronegatives Atom (z. B. N, O oder F) gebunden sein, was dem H eine positive Partialladung und dem Bindungspartner des H eine negative Partialladung verschafft, weil das gemeinsame Elektronenpaar des H aufgrund seiner geringen Kernladung nicht so stark angezogen wird wie von den Protonen des Atomkerns des Donors. Man spricht auch von der Ausbildung eines positiven Pols (beim H) und eines negativen Pols (beim Bindungspartner des H), oft auch von einem starken Dipol. Die elektrostatischen Kräfte der Dipole führen zu einer Ausrichtung und gegenseitigen Anziehung der Dipole (+ Pol eines Dipols zieht - Pol eines anderen Dipols an). Die Wasserstoffbrücke ist gebildet. Oder: Die Wasserstoffbrücke wird nun vom H des einen Moleküls, dem Donor, zu einem Atom mit negativer Partialladung eines anderen Moleküls gebildet, dem Akzeptor. Dieser Prozess ist ansatzweise dem zur Dissoziation von Protonen bei Säuren führenden Vorgang (Protolyse) ähnlich.
- H-O-H...O-H2
Wasserstoffbrücken sind verantwortlich für die speziellen Eigenschaften vieler für Lebewesen äußerst wichtiger Moleküle:
- Wasser: flüssiger Aggregatzustand, Kohäsion, erhöhter Siedepunkt
- DNA: komplementäre Basenpaarung innerhalb der Doppelhelix
- RNA: komplementäre Basenpaarung innerhalb von tRNA-Molekülen oder zwischen RNA- und DNA-Molekülen
- Proteine: Stabilisierung der Sekundärstrukturen (Alpha-Helix oder Faltblatt) und der Tertiärstruktur, Bindung zur Quartärstruktur (es treten bei Proteinen aber auch andere Bindungstypen auf).
Wenn zum Beispiel im Wasser zwischen den H2O-Molekülen keine Wasserstoffbrücken bestünden, würde Wasser nicht bei 0 °Celsius schmelzen und bei 100 °C sieden, sondern beides bereits bei Temperaturen von zwei- bis dreistelligen Minustemperaturen tun, mit der Folge, dass es auf der Erde kein gefrorenes Eis und kein flüssiges Wasser, sondern nur gasförmigen Wasserdampf gäbe. Das Leben auf der Erde in der heutigen Form würde unter solchen Bedingungen nicht existieren können. Wasserstoffbrückenbindung verursacht auch die Dichteanomalie des Wassers.
Die Idee der schwachen Wechselwirkung des Sauerstoffatom eines Wassermoleküls mit dem Wasserstoffatom eines anderen stammt von Maurice Huggins, einem Studenten Gilbert Newton Lewis', der den Ausdruck Wasserstoffbrückenbindung im Jahr 1923 prägte.