1. 定義
2. 水分子の水素結合
3. DNA の水素結合

概要: 水素結合とは

電気陰性度の高い原子 electronegative atom である N や O と結合した水素原子 H は、微弱な正電荷 δ+ を帯びる。この正電荷と、electronegative atom の負電荷の間に正じる結合を水素結合 hydrogen bond という。静電的相互作用 の一種である。

水素結合のもつエネルギーは 共有結合 よりも著しく弱く、4 - 20 kJ/mol である (1)。また、共有結合の約 1.5 オングストロームよりも長い結合を作ることができ、1.5 - 2.6 オングストロームの長さをもつ。

水分子の水素結合

水分子 H₂O は、構造上ほかの物質と水素結合を作りやすい。その結果、水は粘性、表面張力および沸点が分子量から考えられるよりもはるかに高い、特殊な溶媒 solvent になっている (1,2)。

一つの水分子は、3.5 個 の水分子と水素結合している (2)。これらの結合は非常に弱く一過的であり、一つの水素結合の half-life は数ピコ秒である (2)。

> 液体の状態では水分子が活発に動き、他の分子と寿命が短い水素結合を形成 (5)。

• 37°C のとき、15% の分子は 4 つの水分子と結合した状態にある。
• この短い結合は、flickering cluster と呼ばれる。

温度が下がると、水分子の運動が緩やかになってきて、分子が直線的に並ぶ傾向が強くなってくる。すなわち、O-H という結合の延長線上にもう一つの H がくるように配列される。この構造では、液体の水よりも分子間の隙間が大きくなるので、氷の方が水よりも体積が大きい (密度が低い) のである。

なお、分子内の O と H の距離は約 0.1 nm (図 1)、水素結合を形成する O と O の距離は 0.27 nm である (5)。

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References

1. Berg et al. 2006a. (Book). Biochemistry, 6th edition.