Nichtkovalente Anziehungen in Biomolekülen

Kovalente Bindungen entstehen, wenn Elektronenpaare zwischen wechselwirkenden Atomen geteilt werden. Diese starken Bindungen benötigen eine große Menge an Energie, um zu brechen.

Während kovalente Bindungen intramolekulare Kräfte sind, die Atome zu Molekülen verbinden, stabilisieren intermolekulare und nichtkovalente Anziehungskräfte Gruppen von Atomen zwischen Molekülen oder in verschiedenen Teilen eines größeren Moleküls.

Obwohl sie einzeln schwach sind, können viele nichtkovalente Wechselwirkungen zusammen Moleküle über einen längeren Zeitraum assoziiert halten.

In biologischen Systemen treten vier Haupttypen von nichtkovalenten Anziehungskräften auf: ionische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte und hydrophobe Wechselwirkungen.

Ionische Wechselwirkungen treten zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen auf.

Das DNA-Rückgrat weist viele negativ geladene Phosphatgruppen nahe beieinander auf. Um das Molekül zu stabilisieren, interagieren Kationen wie Magnesium mit den Phosphatgruppen und neutralisieren so die Nettoladung auf der DNA.

Eine Wasserstoffbindung entsteht, wenn ein Wasserstoffatom, das kovalent an ein stark elektronegatives Atom wie Sauerstoff oder Stickstoff gebunden ist, mit dem einsamen Elektronenpaar eines anderen elektronegativen Atoms wechselwirkt.

In der DNA sind die komplementären Stränge durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander gepaart. Eine Base aus einem Strang teilt ihre kovalent gebundenen Wasserstoffatome mit Stickstoff- oder Sauerstoffatomen auf einer anderen Base auf dem gegenüberliegenden Strang.

Van-der-Waals-Wechselwirkungen treten auf, wenn sich zwei Moleküle einander nahe kommen.

Diese unspezifischen Anziehungskräfte resultieren aus temporären DiPolen, die durch die schnelle Bewegung von Elektronen durch das Molekül erzeugt werden. Wenn sich die Moleküle jedoch zu nahe kommen, hebt die elektrostatische Abstoßung die Van-der-Waals-Wechselwirkungen auf.

Schließlich sind hydrophobe Wechselwirkungen eine erzwungene Assoziation von hydrophoben Gruppen aufgrund der Abstoßung durch die Wassermoleküle.

In einer wässrigen Umgebung können die hydrophoben Teile von Lipidmolekülen die Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen nicht leicht stören.

Die Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen ist stärker als die Wechselwirkung zwischen Wasser und den Lipidmolekülen. Die hydrophoben Teile der Lipide assoziieren sich also, wodurch sich die Lipide aggregieren.