水素結合の謎 その1

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水は生命・環境・物質にとって最も身近かつ重要な物質。

水は化学的にはH2Oと表されますが、通常H2Oはお互いに強く結合した状態で存在し(H2OHOH)、

その結合は水素結合と呼ばれます。

 

では、その水素結合とは?

 

最も強い双極子間相互作用のこと。

酸素も水素も元々は中性の元素です。酸素は最外殻の電子軌道に電子2個分の空きがあり、

原子核には8個もの陽子がある。そのため周囲の電子を引き寄せる力がめっぽう強い。

水分子を形成すると、水素原子の電子は酸素原子の方に引き寄せられ、分布が酸素原子側に偏るわけ。

その結果、酸素原子側は負に帯電し水素原子側は正に帯電する。

水分子は通常の状態で電荷に偏りがあり、これが双極子になっている。


双極子を持つ分子同士には、強い引力が働く。液体や固体の状態では強い表面張力が働く。

近くの水分子の、酸素原子と水素原子とは互いに電気的引力を及ぼしあう。(酸素と水素の距離0.2nmくらいで
分子間ポテンシャルエネルギーは最少になる)

これが「水素結合」。
結合力は共有結合の10分の1程度。

 

そして水分子は、この水素結合を介してタンパク質が「らせん構造」を作り、遺伝子DNAが情報を伝達するのに

使われる3次元的なネットワーク構造を形成しています。

熱やゆらぎによって一旦切れてしまった水素結合を回復するために、近くの分子と新たに結合を形成しなければならないが、
それぞれの水分子は4本程度しか水素結合を作ることができないため、水分子の運動は非常に「窮屈」なものになる。


D
NAも水素結合をしている。DNAはリン酸と糖と塩基でできた2本の鎖が平行に並んで結合している。

タンパク質のアミノ酸の鎖とDNAの2本の鎖の塩基には窒素原子と水素原子の共有結合(-NH)がたくさんある。

タンパク質は立体的な構造を維持するためアミノ酸の鎖のところどころで水素結合をして、

DANは2本の鎖の束ねるために塩基どうしで水素結合をしているわけだ。  

DNA
 DNAの構造(2本の鎖を束ねている色の境目を水素結合で繋いでいる)


つづく。。






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