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Wasserstoffbrücken

Wasserstoffbrücken sind elektrostatische Wechselwirkungen in oder zwischen chemischen Verbindungen. Sie entstehen zwischen einem Wasserstoffatom, das kovalent an ein elektronegatives Atom gebunden ist und einem elektronegativen Atom wie Sauerstoff, Stickstoff und Fluor mit einem Lone Pair. Wasserstoffbrücken sind essenziell für die Bindung pharmazeutischer Wirkstoffe an ihre Drug Targets. Und das Leben auf der Erde ist fundamental von ihnen abhängig.

synonym: Wasserstoffbrückenbindung, H-Brücken, H-Bonds, Hydrogen bonding

Definition

Eine Wasserstoffbrücke ist eine elektrostatische Wechselwirkung in oder zwischen Molekülen. Beteiligt ist einerseits ein Wasserstoffatom, das aufgrund der kovalenten Bindung an ein elektronegatives Atom wie Sauerstoff (O), Stickstoff (N) oder Fluor (F) polarisiert ist und eine leicht positive Ladung trägt. Andererseits ein Atom mit einer hohen Elektronegativität wie Sauerstoff oder Stickstoff, das leicht negativ geladen ist und ein Lone Pair besitzt.

Beispiel:

-N-H · · · O=C-

Allgemeine Schreibweise:

-D-H · · · A-

D steht für Wasserstoffbrückendonor (Donor) und A für Wasserstoffbrückenakzeptor (Akzeptor).

Die Wasserstoffbrückenbindung bildet sich in der Regel intermolekular aus, sie kann jedoch auch intramolekular entstehen. Ihre Bindungsstärke ist schwächer als bei einer kovalenten oder ionischen Bindung.

Beispiele für Wasserstoffbrückendonoren:

Amine (NH₂)
Alkohole (OH)
Phenole (OH)
Carbonsäuren (COOH)

Beispiele für Wasserstoffbrückenakzeptoren:

Wasserstoffbrücken, zum Vergrössern anklicken. Illustration © PharmaWiki

Bedeutung in der Pharmazie

Pharmazeutische Wirkstoffe interagieren oft über Wasserstoffbrücken mit ihren Drug Targets, also beispielsweise mit Rezeptoren, Enzymen, Transportern und Ionenkanälen. Diese Wechselwirkungen sind die Basis für ihre pharmakologischen Effekte.

Die Anzahl Wasserstoffbrückendonoren und -akzeptoren sind Parameter in der Rule of Five von Lipinski. Diese Regel macht eine Aussage zur Permeabilität, Absorption und Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen, basierend auf der chemischen Struktur.

Existenzielle Bedeutung

Wasserstoffbrücken sind auch für das Leben auf der Erde essenziell. So sind sie beispielsweise dafür verantwortlich, dass Wasser bei Raumtemperatur flüssig ist. Biomoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren enthalten Wasserstoffbrücken und Interaktionen zwischen Liganden und Makromolekülen finden über H-Brücken statt. Auch die Cellulosen, die quantitativ wichtigsten Biopolymere der Erde, werden durch Wasserstoffbrücken stabilisiert.

Wasserstoffbrücken sind mitverantwortlich für physikalische Eigenschaften. So haben beispielsweise Alkohole einen höheren Schmelzpunkt und Siedepunkt als die entsprechenden Alkane oder Ether, weil sie von den Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden.

siehe auch

Intermolekulare Wechselwirkungen

Literatur

Fachliteratur

Autor

Interessenkonflikte: Keine / unabhängig. Der Autor hat keine Beziehungen zu den Herstellern und ist nicht am Verkauf der erwähnten Produkte beteiligt.