קשרי מימן (הקרויים גם גשרי מימן) הם קשרים יחסית חלשים אבל חשובים מאוד בחיי היום יום. קשרי מימן מחזיקים את מולקולות המים ביחד, מחזיקים את גדילי הDNA ביחד ועוד. קשר מימן מתקיים בין אטום מימן לאטום אחר בעל אלקטרושליליות גבוהה יותר כמו אטומי N, O, F. הסרטון שלפנינו מסביר מהם קשרי מימן, כיצד הם נוצרים ולמה הם משמשים. הסרטון מלווה בהסברים באנגלית, על כן הוספנו תרגום והסברים בהמשך העמוד.

סרטון זה הופק על ידי Audrey and Olivia Hsia מאוניברסיטת קליפורניה.

 הערה חשובה: יש לציין שהאופן בו הוצגו קשרי המימן בין שתי מולקולות מים בסרט, לא מדוייק. בפועל בין שתי מולקולות מים מתקיים קשר מימני בודד – המחבר בקו ישר: אטום חמצן, אטום מימן (ממולקולת מים אחת) אל אטום חמצן ממולקולת מים אחרת.

אחד מהעקרונות החשובים בכימיה אורגנית הוא קשרי המימן. קשר מימן הוא כח בין מולקולרי העוזר לקשור מולקולות זו לזו. על מנת לבחון כיצד מנגנון זה עובד, בואו נתבונן במולקולת מים. מולקולות מים מורכבות מאטום חמצן ושני אטומי מימן. הקשרים המחזיקים את האטומים ביחד הם קוולנטיים קוטביים, כלומר, בגלל שהחמצן יותר אלקטרושלילי, הוא יכול למשוך את האלקטרונים מהמימנים יותר קרוב אליו. זה נותן לחמצן מטען מעט יותר שלילי ולמימנים מעט יותר חיובי. אשר מספר מולקולות מים נפגשות, המימנים הטעונים חיובית נמשכים לזוגות האלקטרונים על החמצנים ובכך יוצרים קשר כימי חזק יחסית בין המולקולות.

קשר מימן יכול להיווצר כאשר מימן נקשר קוולנטית לאטום אחר בעל אלקטרושליליות גבוהה. לדוגמא, לאטום החמצן במולקולת חומצה אצטית. למרות שקשרי המימן הם הקישור הבין מולקולרי החזק ביותר, ניתן לשבור אותו, אם יש במערכת מספיק אנרגית חום על מנת לשבור את כוחות המשיכה. כאשר מחממים מים מספיק, קשרי המימן נשברים והמים רותחים ועוברים למצב גזי (מתאדים). כאשר הטמפרטורה יורדת מולקולת המים יוצרות קשרים והמים עוברים למצב נוזל (מתעבים). זה אחד הדברים שהופכים את קשרי המימן לכל כך חשובים בעולם האמיתי. הקשרים מספיק חזקים בשביל להחזיק מוקולות יחד, אבל מספיק חלשים בשביל להשבר. זה אומר שקשרי מימן יכולים להיווצר ולהשבר בתגובות כימיות כמו שכפול DNA,

אם זה מופשט מדי בשבילכם, בואו ננסה להסתכל על זה בצורה אחרת. בואו נדמיין שהכלב שבסרטון הינו מולקולה המסוגלת ליצור קשרי מימן. לכלבים יש חוש ריח מפותח, לכן הם מחפשים כל הזמן דברים להריח. במקביל, יש להם בלוטות בחלק האחורי המפרישות ריח מאוד חזק. מכאן שצד אחד מאוד עשיר בריח, כפי שהצד האלקטרושלילי עשיר באלקטרונים, בעוד שהצד השני, עני בריח כפי שבצד החיובי של המולקולה יש מעט אלקטרונים.

כאשר מספר כלבים נפגשים, האפים שלהם נמשכים לאחורי כלבים אחרים, דבר הגורם להם להיות קשורים זה לזה. זה דומה לכך שהצד החיובי המולקולה נמשך לאלקטרונים השליליים בצד היותר אלקטרושלילי במולקולה השניה. אם יש מספיק אנרגיה, קשרים כאלה יכולים להשבר בקלות, אך יכולים להיווצר מחדש בקלות.

 

מאת: ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

15 תגובות

  • הזאר

    מהו ערך אנרגיית הקשר של בסיסי תימין עם מימן?

    אני תלמידת תיכון, ואני עושה עבודת מחקר על השפעת קרינה על סגולה על תאים חיים, ואני צריכה לדעת מה הערך של אנרגיית הקשר בין בסיס תימין לאדינין המקושרים זה לזה בקשרי מימן... אשמח אם תענו בהקדם

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה

    שלום
    יש לנו מדיניות לא כתובה באתר לא לענות לתלמידים על שאלות של שעורי הבית, עם זאת אף אחד לא אמר שאנחנו לא יכולים להכווין :-)
    הנה קישורים לשני מאמרים שאמורים לפתור לך את הבעיה, אם את נתקלת בקשיים נוספים, תרגישי חופשי לפנות אלינו:
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15823092

    http://theochem.chem.rug.nl/publications/PDF/ft362.pdf

    בהצלחה בעבודת המחקר!

    ארז

  • ליאור

    קשרי מימן שתי שאלות:

    שלום, אני בדיוק התחלתי ללמוד כימיה ואני עכשיו בחטיבה, אני מקווה שהשאלות שלי לא נראות רע, פשוט מעניין אותי לדעת, יש לי שתי שאלות:
    1)האם יש הבדל במידה החוזק של קשר המימן התוך מולקולרי לבין קשר מימן שמחבר בין שתי מולקולות (שכן המולקולות גדולות יותר)?
    2) האם טמפרטורה גבוהה חוץ מאידוי המים הממסים בציטופלסמה בתא יכולה לגרום לניתוק קשרי המימן בגדיל הדנ"א?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תוספת קטנה

    שלום ליאור
    קודם כל השאלות שלך מצויינות ומעידות על סקרנות בריאה. תרגיש חופשי לשאול כמה שאתה רוצה, אנחנו כאן בשביל לענות. בנוגע לסעיף השני, קיימת שיטה להגברת DNA שנקראת PCR ראה סרטון אצלנו באתר - http://goo.gl/PQb8V
    אחד השלבים בשיטה הינו הפרדת גדילי הDNA ע"י הרתחת הדוגמא על מנת שניתן יהיה לשכפל אותו.
    כל טוב
    ארז

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    1) אין כזה דבר קשר מימן תוך מולקולרי - קשר מימן הוא רק בין מולקולות, הקשר בין מימן לחמצן בתוך מולקולת מים הוא קשר קוולנטי, שהוא חזק בהרבה מקשר מימני.
    2) כן (ובאופן כללי להרס / שינוי המבנה המרחבי, בדומה למה שקורה לחלבונים שמחוממים)

    ד"ר אבי סאייג

  • שלי

    קשרי מימן בין שתי מולקולות מים סרט

    רציתי לציין שכדאי להעיר שבסרט מוצגים קשרי המימן בין מולקולות המים בצורה לא נכונה ומטעה. קשרי מימן במים יוצרים קו ישר המחבר אטום חמצן, מימן ועוד חמצן על אותו קו O-H--O מה שלא מאפשר לשתי מולקולות מים ליצור יותר מאשר קשר מימן אחד ביניהן. הן יכולות ליצור קשרי מימן נוספים עם מולקולות אחרות.
    לדעתי כדאי לציין זאת בהסבר לסרט.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה

    שלום שלי
    הערתך בהחלט במקום. הוספנו הערה בגוף הכתבה.
    תודה
    ארז

  • אילן

    קשרי מימן

    האם גליצרול מסוגל ליצור קשרי מימן, ואם כן כמה? מה המשמעות של יצירת קשרי המימן במידה ונגיב גליצרול עם חלבונים בתמיסה?

  • עידו קמינסקי

    תשובה

    גליצרול יכול ליצור 3 קשרי מימן, אחד לכל קבוצת OH. אני מניח שגליצרול משמש תחליף לקשרי מימן של המים עם החלבון. מכיוון שיש לו פוטנציאל ליצור קשרים רבים יותר, הוא משמש כגורם מייצב. חוסר יכולתו להפוך לגבישים חדים תחת הקפאה עושה אותו חומר מועדף על מים בשמירה על חלבונים או תאים בטמפ' נמוכה. הנה מאמר מ-PNAS (היי, הוא חינמי) על השפעת גליצרול באחסון ליזוזים. בקצרה, אפילו שהם איכסנו את האנזים ב-99% גליצרול, הוא איבד רק שליש מהפעילות שלו:
    http://www.pnas.org/content/94/25/13520.abstract

    מקווה שעזרתי

  • יובל

    מדוע ההתייחסות היא תמיד כלפי קשרי מימן במים?

    שלום,
    שמתי לב שכל הזמן מתייחסים לקשרי המימן במים במקום להתייחס לקשרי המימן בדברים כמו קורי עכביש, לדוגמא.

    מדוע כמעט תמיד מסבירים את קשרי המימן דרך המים?

    תודה,
    יובל

  • עידו קמינסקי

    תשובה

    שלום יובל

    קשרי מימן קיימים במגוון רחב מאוד של מבנים בטבע כמו ב-DNA, בחלבונים ועוד. הסיבה שאנו בוחרים דווקא במים כמודל לתיאור קשרי המימן, היא בגלל שזהו המודל הפשוט ביותר והבסיסי ביותר לתופעה. קשרי מימן בקורי עכביש מקיימים את אותם החוקים והתנאים שמולקולות המים מקיימות.

    מקווה שעזרתי

    ארז

  • יובל

    אז מדוע אמרת שמדובר בקשרי המימן הפשוטים ביותר?

    שלום,

    קודם כל, תודה רבה על התשובה, כל כך נעים לראות תשובה של מומחה לשאלה שלך בכזאת מהירות!

    אבל תחילה, ציינת כי מדובר בקשרי המימן הפשוטים ביותר (קשרי המימן שבמים), ולאחר מכן, אמרת שמדובר באותם קשרי מימן גם בחלבונים אחרים וגם בדוגמא שנתתי-בקורי עכביש. אם כך, מדוע לא התייחסת לחלבונים, אם מדובר באותם הקשרים?

    מצטער על כמות השאלות, אבל אני מאוד מתעניין בנושא.

    תודה,
    יובל

  • עידו קמינסקי

    תשובה

    ראשית, אין לך מה להתנצל על השאלות, בשביל זה אנחנו כאן.

    בשאלתך אתה מציג שלוש רמות של מורכבות. קשרי המימן במים (רמה אטומית), בחלבונים (רמה מולקולרית) ובקורי העכביש (רמה בין מולקולרית). החלבונים מכילים אטומי חמצן, חנקן ומימן המקיימים את קשרי המימן בדומה למולקולות המים, רק שמדובר בחלק קטנטן מהחלבון. כל חלבון עשוי להכיל מאות קשרי מימן. קורי העכביש עשויים מחלבונים רבים אשר מכילים את האטומים הנ"ל המקיימים את קשרי המימן גם בתוך החלבונים וגם בינהם. תוסיף לכך כוחות תוך ובין מולקולריים רבים נוספים המשפיעים אל המבנה ותקבל מבנה שקשה ללמוד ממנו.

    זה כמו שתנסה להבין כיצד העכביש טווה קור יחיד על ידי התבוננות על הרשת השלמה, אם תנסה אולי תצליח אבל יהיה לך הרבה יותר פשוט להתבונן כיצד הוא טווה קור יחיד. מכאן שניתן לומר שאם אתה מבין את קשרי המימן בין מולקולות המים, תוכל להבין את קשרי המימן בקורי העכביש הכל עניין של רזולוציה.

    ארז

  • יוסי

    קשרי מימן

    האם בחומרים יוניים, כדוגמת RbOH, עשויים להיווצר גם כן קשרי מימן?

  • עידו קמינסקי

    תשובה

    שלום יוסי

    קשר מימן מוגדר כקשר בין מולקולרי בין מימן לאטום בעל אלקטרושליליות גבוהה משלו ביותר מ-0.8 כלומר לפחות 2.9. היות וישנם רק שלושה אטומים העונים על התנאי הזה והם חנקן, חמצן ופלואור (N, O, F) לא יתכן קשר מימן בחומרים יוניים, מעבר לכך שקשר כמו שתארת הוא תוך מולקולרי.

    מקווה שעזרתי

    ארז