Wirkstoff-Substrat- Charakterisierung und Protein-Lokalisierung ...

2.3 Molekulare Erkennung
2 Theoretische Grundlagen
Mehrere Arten von nichtkovalenten Bindungen tragen entscheidend zur Ausbildung
der dreidimensionalen Struktur großer Moleküle, wie zum Beispiel Proteinen bei.
Nichtkovalente Bindungen sind auch die Basis für viele dynamische biologische Pro-
zesse, bei denen ein großes Molekül an ein anderes Molekül spezifisch, aber rever-
sibel bindet. Bei der Ausbildung nichtkovalenter Bindungen werden Energien von
nur 4–30 kJ/mol frei, also ein bis zwei Größenordnungen weniger als bei einer einfa-
chen kovalenten Bindung. Deshalb werden diese nichtkovalenten Bindungen auch oft
als Wechselwirkungen bezeichnet. Obwohl die nichtkovalenten Bindungen schwächer
sind als kovalente Bindungen, werden durch das Zusammenspiel einer Vielzahl die-
ser Wechselwirkungen hoch stabile und spezifische Zusammenschlüsse zwischen ver-
schiedenen Teilen eines großen Moleküls oder zwischen verschiedenen Makromo-
lekülen gebildet. Man unterscheidet vereinfacht drei dieser Bindungstypen: die Was-
serstoffbrückenbindung, die Ionenbindung und die van der Waals-Bindung. (47)
Wasserstoffbrückenbindung
Normalerweise bildet ein Wasserstoffatom nur eine kovalente Bindung mit einem
anderen Atom aus. Wenn das Wasserstoffatom kovalent an ein Donoratom gebun-
den ist, kann eine zusätzliche schwache Assoziation mit einem Akzeptoratom aus-
gebildet werden, die Wasserstoffbrückenbindung. Eine Wasserstoffbrückenbindung
wird möglich, wenn das Donoratom elektronegativ ist, so dass eine polare Donor-H-
Bindung vorliegt. Auch das Akzeptoratom muss elektronegativ sein und mindestens
ein freies Elektronenpaar besitzen, um mit der positiven Ladung des Wasserstoffa-
toms zu wechselwirken.
In biologischen Systemen sind die Donor- und Akzeptoratome meist Stickstoff und
Sauerstoff, wie sie zum Beispiel in Amino-, Hydroxy- und Carboxy-Gruppen auftre-
ten. Die meisten Wasserstoffbrückenbindungen haben eine Länge von 260 - 310 pm
und sind somit zwei- bis dreimal länger als die kovalente O-H-Bindung in Wasser.
Entsprechend ist die Bindungsenergie der Wasserstoffbrückenbindung in wässriger
Lösung mit ungefähr 4–15 kJ/mol deutlich schwächer als die kovalente O-H-Bindung
mit ca. 460 kJ/mol. (47) Eine wichtige Besonderheit der Wasserstoffbrückenbindung
ist ihre Richtungsabhängigkeit. Die stärkste Bindung wird bei der linearen Anord-
28