Chemie Grundlagen

Wasserstoffbrückenbindung

Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine der wichtigsten Bindungsarten in der Chemie. Doch wie sieht so eine Bindung aus und wie stark ist sie? Genau das und wie die Wasserstoffbrückenbindungen eigentlich mit der DNA zusammenhängen, erfährst hier in unserem Beitrag!

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Inhaltsübersicht

Wasserstoffbrückenbindung einfach erklärt

Du kannst dir die Wasserstoffbrückenbindung als eine chemische Bindung zwischen Molekülen mit Wasserstoffatomen vorstellen. Dabei müssen die Wasserstoffatome an ein besonders elektronegatives Atom wie zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor gebunden sein. In diesem Fall ist das H-Atom polar gebunden.

Die Wasserstoffbrückenbindung ist im eigentlichen Sinne keine feste chemische Bindung, da zwischen den Molekülen nur schwache Anziehungskräfte herrschen. Daher kannst du sie zu den sogenannten zwischenmolekularen Kräften oder den Nebenvalenzbindungen zählen.

Die Wasserstoffbrückenbindung wird oft auch umgangssprachlich als Wasserstoffbrücke oder H Brücke bezeichnet. Letztere Bezeichnung kann aber oft auch verwirrend sein, da du mit der H Brücke auch eine elektronische Schaltung in der Elektrotechnik beschreiben kannst.

Wasserstoffbrückenbindung Struktur

Die typische Struktur einer solchen Bindung entsteht, wenn zwei funktionelle Gruppen über ein Wasserstoffatom in Verbindung stehen. Diese Wechselwirkung kann zwischen zwei Molekülen oder zwischen Abschnitten eines größeren Makromoleküls entstehen.

Für eine erfolgreiche Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung muss das Wasserstoffatom an ein Atom mit eine höheren Elektronegativität gebunden sein. Der Wasserstoff bildet dann eine positive Teilladung aus (\delta ^+) und das elektronegative Atom bildet eine negative Teilladung (\delta ^-) aus. Du kannst auch von einem positiven Pol beim Wasserstoff und einem negativen Pol bei dessen Bindungspartner sprechen. Aufgrund dieses Elektronenmangels am Wasserstoffatom kann dieses mit freien Elektronenpaaren von anderen elektronegativen Atomen in Wechselwirkung treten. Dadurch bilden sich die Wasserstoffbrücken aus.

Wasserstoffbrückenbindung
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Wasserstoffbrückenbindung

Je größer der Unterschied der Teilladungen des Wasserstoffs und des Bindungspartners, desto größer ist die Stärke der Wasserstoffbrückenbindung. Daher kannst du die Bindungen nach ihrer Stärke klassifizieren. Eine starke Bindung bezeichnet den Bereich von 63 kJ/mol bis 167 kJ/mol und kommt beispielsweise im Fluorwasserstoff vor. Eine mittlere Bindung (17-63 kJ/mol) kommt zum Beispiel in Kohlenhydraten oder in Wasser vor. Die schwache Bindung (< 17 kJ/mol) findest du oft in Wasserstoffbrückenbindungen in Proteinen.

Wasserstoffbrückenbindungen DNA

Wasserstoffbrücken spielen insbesondere in unserem Körper und für alle anderen Lebewesen eine wichtige Rolle. Sie können sich beispielsweise in Sekundär- oder Tertiärstrukturen von Eiweißen ausbilden.

Die Bindung spielt aber bei einem weiteren wichtigen Biomolekül in unserem Körper eine Rolle – der DNA. Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist eine Nukleinsäure, die für das Tragen und Weitergeben der Erbinformation in Lebewesen verantwortlich ist. Sie besteht aus vier verschiedenen Basen, die gleichzeitig die „Bauteile“ für die DNA bilden. Diese Basen sind: Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C).

Grundsätzlich kommt DNA in Form einer schraubenförmigen Doppelhelix vor, indem sich immer zwei bestimmte gegenüberliegende Basen binden. Diese Paare sind einerseits Adenin und Thymin und andererseits Guanin und Cytosin. Zwischen Adenin und Thymin bilden sich immer genau zwei Wasserstoffbrücken aus, während sich zwischen Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrücken bilden. Um die DNA weiterzugeben, werden diese Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen, um eine exakte Kopie dieses DNA-Strangs zu erstellen.

Wasserstoffbrücken DNA Wasserstoffbrückenbindungen
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Wasserstoffbrücken DNA

Wasserstoffbrückenbindung Wasser

Wasserstoffbrückenbindungen kommen in den verschiedensten Molekülen vor. Das wohl bekannteste Vorkommen ist innerhalb eines Wassermoleküls. Da der Sauerstoff mit 3,4 eine wesentlich höhere Elektronegativität besitzt als der Wasserstoff mit 2,2, entsteht eine positive Partialladung am Wasserstoff.

Wasserstoffbrückenbindung im Eis

Die Wasserstoffbrücken sind für einigen wichtige Eigenschaften des Wassers verantwortlich. Zum einen wird der Aggregatzustand vor allem durch die Anordnung der Wasserstoffbrücken innerhalb des Moleküls bestimmt. Wenn das Wasser als Eis vorkommt, ist jedes Sauerstoff-Atom von zwei kovalent gebundenen und zwei durch Wasserstoffbrücken koordinierten Wasserstoff-Atomen umgeben. Währenddessen ist jedes Wasserstoff-Atom von zwei Sauerstoff-Atomen umgeben, eines in geringerer und eines in größerer Entfernung. Durch diese weitmaschigere Anordnung besitzt das Wasser in festem Aggregatzustand eine geringere Dichte als in flüssigem Aggregatzustand. Dieser Umstand trägt neben anderen Eigenschaften zu der sogenannten „Dichteanomalie von Wasser “ bei.

Wasserstoffbrücken Eis Wasserstoffbrückenbindungen
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Wasserstoffbrücken Eis

Die Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser sorgen unter anderem für den verhältnismäßig hohen Siedepunkt (100 °C). Im Wasser sind 2, 4 oder 8 Wassermoleküle miteinander verbunden. Durch die Wasserstoffbrücken werden diese Moleküle wesentlich enger als gewöhnlich zusammengehalten und können somit weniger leicht von der flüssigen in die gasförmige Phase übergehen.

Mehr über die verschiedenen Phasen von Wasser findest du in unserem Artikel „Phasendiagramm Wasser .

Kohäsion Wasser

Doch nicht nur der Siedepunkt wird von den Wasserstoffbrücken bestimmt, sondern auch die sogenannte Kohäsion innerhalb des Wassers. Dir ist bestimmt schon einmal aufgefallen, dass Wasser bevor es überläuft eine kuppelartige Form über den Rand des Glases bildet. Diese Oberflächenspannung bildet sich, indem die Wassermoleküle an der Wasser-Luft-Grenzfläche Wasserstoffbrückenbindungen zu ihren Nachbarn ausbilden. Sie sind jedoch nur an der unteren Seite mit anderen Wassermolekülen verbunden sind und an der Oberseite mit Luftmolekülen. Dadurch haben sie weniger Nachbarn, an die sie sich binden können und bilden dadurch umso stärkere Bindungen zu den Nachbarmolekülen aus. Diese Oberflächenspannung ist sogar so stark, dass kleinere Gegenstände wie zum Beispiel Nadeln oder Blätter auf der Oberfläche getragen werden können.

Kohäsion des Wassers Wasserstoffbrückenbindung
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Kohäsion des Wassers

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