分子間作用力

化學研究的最小物質是原子，原子間強烈的相互作用被稱為化學鍵，化學鍵包括共價鍵、離子鍵和金屬鍵。除化學鍵外，小分子與小分子之間、某些較大分子的基團之間或小分子與大分子內的基團之間，還存在著各種各樣的作用力，總稱分子間作用力。相對于化學鍵，分子間作用力是一種弱作用力。分子間作用力的種類很多，其中氫鍵就是一種最常見的分子間作用力。

1 氫鍵的定義

氫鍵這一術語很容易被誤解為氫原子形成的化學鍵，其實氫鍵根本就不是化學鍵。氫鍵是已經以共價鍵與其他原子鍵合的氫原子與另一個原子之間產生的分子間作用力。通常發生氫鍵作用的氫原子兩邊必須是強電負性原子，如F、O、N等。圖1就是9種常見的氫鍵形式。

2 氫鍵的成因

在氫鍵X-H…Y模型中，X和Y通常是電負性很強、半徑很小的原子。由于X的電負性很強，將使X--H的鍵合電子對強烈偏向X原子，氫原子核就相對地從鍵合電子云中“裸露”出來，成為一帶正電荷的“裸露”原子核，同時Y原子的電負性越強、半徑越小，其孤對電子的負電場就越集中而強烈，帶正電荷的“裸露”氫原子核就越有余力吸引Y原子的孤對電子而形成氫鍵。除氫原子外的其他一切原子，由于核外包裹著電子，原子核不能“裸露”出來，而不能形成氫鍵。因此，氫鍵形成的基本條件有二：一是氫原子；二是氫原子兩側具電負性很強的其他原子。

3 氫鍵的分布

根據氫鍵形成的基本條件可知，氫鍵既可存在于小分子之間，如水分子與水分子之間；也可存在于小分子與大分子之間，如細胞中的水分子可通過氫鍵與蛋白質、淀粉等大分子結合在一起形成結合水；又可存在于大分子內部，如蛋白質、核酸等大分子的不同基團之間存在著大量的氫鍵。

4 氫鍵對于生命的意義

4.1 氫鍵影響水的物理性質

水是生物體內含量最多的化合物。由于水分子之間氫鍵的作用，導致冰的密度小于液態水、4℃時水的密度最大；與同周期的其他氫化物(如HS、H₂Se、H₂Te)相比，水具有較高的熔沸點、比熱和汽化熱等。水的這些特異物理性質對于生命的存在有著決定性的意義。較高的熔沸點使得地表溫度下水以液態形式存在，于是才有生命的發生；如若冰的密度比液態水的密度大、液態水從0℃上升至4℃密度不增大，地球上所有水體在冬天結冰時，所有水生生物都會被凍死；高的比熱和汽化熱使水成為生物體內良好的溫度調節劑：水的高比熱可使機體易于維持恒定的體溫，使體內的生化反應得以正常進行，同時也使機體能更好地適應環境溫度的變化；高汽化熱使水成為有機體的冷卻劑，如植物葉片的蒸騰作用及動物的排汗，均可降低機體的體溫，維持體溫的相對恒定。

4.2 氫鍵影響蛋白質的三維結構

蛋白質是生命活動的體現者，其通常有一條或多條肽鏈組成，組成蛋白質的多肽鏈并不是一條松散的肽鏈。研究表明，一條多肽鏈上每個氨基酸殘基的N-H與前面隔三個氨基酸殘基的C=0均可形成氫鍵，正是這些鏈內氫鍵的存在使多肽不再是直線狀，而是發生盤繞形成僅螺旋(圖2)。當二條或多條肽鏈幾乎完全伸展的側向聚集在一起時，相鄰肽鏈上N-H和C=0之間可形成有規則的氫鍵，也正是這些鏈間氫鍵的存在使多肽發生空間上的折疊，導致不同肽鏈按層排列，形成所謂的B折疊(圖3)。在β折疊中，所有肽鏈都參與鏈間氫鍵的交聯，氫鍵與肽鏈的長軸接近垂直。α螺旋與β折疊在形成蛋白質的三維結構中具有重要作用。

4.3 氫鍵影響DNA的三維結構

DNA是絕大多數生物的遺傳物質，是生命活動的控制者。科學家沃森和克里克指出，DNA是有規則的雙螺旋結構。DNA的兩條脫氧核苷酸長鏈反向平行排列在雙螺旋結構的外側，構成DNA的基本骨架，內側通過脫氧核苷酸之間的堿基互補配對連接起來，其中A一定與T配對，G一定與C配對，配對的堿基通過氫鍵相互交聯，在每一個堿基上都有適于形成氫鍵的供氫體(如氨基和羥基)和受氫體(如酮基和亞氨基)，其中G-C之間形成三個氫鍵，A-T之間形成二個氫鍵。正是由于這些氫鍵的主導作用，才形成了DNA分子獨特的雙螺旋三維結構。