Разпределението на молекулите в клетката не е случайно и хаотично. Организацията на различните молекули в надмолекулните структури на клетката се осъществява чрез химични връзки, които са значително по-слаби от ковалентните. Ковалентно свързаните атоми са способни на слаби взаимодействия с най-близките атоми. Тези взаимодействия, наричани вторични връзки, се осъществяват както между атоми на различни молекули, така и в границите на една и съща молекула . Към вторичните връзки спдат вандерваалсовите сил, хидрофобните взаимодействия, водородните и йонните връзки. Независимо от това, че вторичните връзки представляват слаби положителни взаимодействия, те се смятат за химични връзки. Слабите връзки не само определят какви молекули ще се свързват помежду си, но влияят и върху конформацията им.
Ковалентните връзки са здрави и трайни при физиологични температури. Отделните слаби връзки съществуват кратко време при тези температури, понеже лесно се разрушават. По-продължително време могат да съществуват само такива слаби връзки, които са подредени в групи.
Здравината на химичната връзка съответства на разстоянието между атомите. Това разстояние е толкова по-малко, колкото по-здрава е връзката. Например разстоянието между атомите водород във водороднат амолекула, където те са свързани с ковалентната връзка, е 0,0074 нм, докато между атомите водород, свързани с вандерваалсови сили, то е 0,12 нм.
Броят на ковалентните връзки, които може да образува даден атом, определя неговата ковалентност. Този брой се обуславя от броя на единичните валентни електрони в електронната обвивка на атома в неговото основно или възбудено състояние. При вандерваалсовите връзки лимитиращият фактор има пространствена (стерична) природа и зависи от размера на атомите, между които действат вандерваалсовите сили.
Образуването на водородни връзки е свързано с редица ограничения. Ковалентно свързаният атом водород може да участва в образуването само на една водородна връзка, докато кислородният атом може да образува две водородни връзки.
Ъгълът между две ковалентни връзки, в които участва един и същ атом, се нарича ъгъл на връзките на този атом. Неговата числена стойност е постоянна. Например единичните ковалентни връзки на въглеродния атом сключват помежду си ъгъл 109,5 градуса, като са насочени от центъра на правилен тетраедър към неговите върхове. Напротив, ъглите между слабите връзки силно варират и нямат постоянна числена стойност.
Връзките се различават помежду си и по допусканата от тях степен на свобода на въртене. Обикновената, единична ковалентна връзка допуска въртене на свързаните атоми. Например в молекулата на глюкозата единичната ковалентна връзка между въглеродните атоми C5 - C6 , допуска въртене. При двойната и тройната връзка не е възможно никакво въртене.
Йонните връзки са ненаситени и пространствено неориентирани, тоест ненасочени.
Съгласно квантовата теория всички химични връзки - слаби или здрави - се дължат на действието на електростатични сили. Спонтанното образуване на връзка между два атома винаги се придружава от освобождаване на някакво количество от вътрешната енергия на атомите и преминаването й в друга форма енергия. Колкото по-здрава е връзката, толкова по-голямо количество енергия се освобождава при образуването й.
Количеството енергия, необходимо за разкъсването на дадена връзка, е равно на количеството, което се отделя при нейното образуване. При самоволните химични реакции свободната енергия винаги намалява. Колкото по-здрава е дадена връзка, толкова по-голямо е изменението (намаляването) на свободната енергия при нейното образуване и толкова по-голям е броят на атомите в системата, намиращи се в свързан вид.
В разтворите повечето молекули образуват слаби връзки с най-близките атоми. Всички молекули могат да образуват вандерваалсови връзки. Водородните и йонните връзки могат да се образуват между молекули или йони, които имат допълнителен електричен заряд или в които зарядът е поляризиран. Следва, че някои молелули участват в образуването ан няколко типа слаби връзки. От термодинамични съображения молекулите образуват с предимство такива връзки, които са по-здрави. Слабите връзки при физиологични температури постоянно се образуват и се разрушаватм като съществуват много кратко време (едва части от секундата). Те се осъществяват без участието на ензими.
Вандерваалсови взаимодействия
Вандерваалсовите сили могат да възникнат между всички видове молекули - полярни и неполярни. Вандерваалсовото взаимодействие се основава на индуцирана флънктуация на зарядите, възникваща в резултат на сближаване на молекулите. Силата на вандерваалсовото взаимодействие е обратно пропорционално на шестата степен на разстоянието между взаимодействащите групи.
Разстоянието, при което вандерваалсовите сили на привличане и на отблъскване се уравновесяват, е различно и характерно за всеки вид атоми и се нарича вандерваалсов радиус на съответния атом. Когато разстоянието между два атома е равно на сумата от вандерваалсовите им радиуси, енергията на връзката нараства пропорционално на размера на взаимодействащите атоми. Средно тази енергия - около 4,2 килоджаула на мол - слабо превишава кинетичната енергия на топлинното движение, която при 25 градуса по Целзий е около 2,5 килоджаула на мол. При физиологични температури вандерваалсовите сили на привличане са ефективни само в случай, че много атоми от една молекула едновременно взаимодействат с много атоми от друга молекула. За осигуряване на ефективно взаимодействие между няколко атома повърхностите на допиращите се молекули трябва точно да съответстват една на друга, понеже разстоянието между двата взаимодействащи атома не трябва да превишва сумата на техните вандерваалсови радиуси. Полярните молекули рядо образуват вандерваалсови връзки, тъй като при образуването на други видове връзки свободната им енергия се понижава повече.
Водородна връзка
Водородната връзка се образува в резултат на електростатично привличане между ковалентно свързан водороден атом, притежаващ частичен положителен електричен заряд, и отрицателно заредения ковалентно свързан акцепторен атом. Тъй като водородните връзки възникват в молекулите само при наличност на напълно определени договорни и акцепторни групи, следва, че водородните връзки са значително по-специфични от вандерваалсовите връзки.
За разлика от вандерваалсовите връзки водородните връзки имат насочен характер. Ако водородният атом лежи н правата, съединяваща донорния и акцепторния атом, енергията на свързване е най-голяма, а ако водородната връзка е под ъгъл към коалентната, енергията на свързване е значително по-малка.
Биологично най-важните водородни връзки се образуват за сметка на атоми водород, свързани ковалентно с кислорода (O-H) или с азота (N-H). Като отрицателно заредени акцептори обикновено участват атомите на азота или кислорода.
Енергията на водородната връзка е между 12,6 до 29,3 kJ/mol. По-големите стойности съответстват на по-голямата разлика в зарядите между донорните и акцепторните атоми.
Водородните връзки са значително по-слаби от ковалентните, но и значително по-здрави от вандерваалсовите. Водородната връзка сближава атомите на разстояния, по-малки от сумата на вандерваалсовите им радиуси, но по-големи от дължимата на ковалентните връзки.
В едни случаи атомите, участващи в образуваннето на водородна връзка, принадлежат към групи, притежаващи единица заряд, докато в други случаи донорният водороден атом и неговият отрицателно зареден акцептор имат заряд, по-малък от единица. Здрава водородна връзка се образува също и между групи, едната от които носи заряд, равен на единица, а другата - по-малък заряд. Например водородът на аминогрупата (-NH2) здраво се свързва с кислородния атом на карбоксилната група (-COO-).
Във водните разтвори при физиологични условия се образуват вторични връзки между повечето молекули. Специфичната структура на разтвора във всеки момент силно зависи от природата на разтворените вещества както поради това, че всяка молекула има своя специфична структура, така и поради това, че молекулите се различават по типа на вторичните връзки, които могат да образуват. Всяка молекула се премества в разтвора, докато образува с друга молекула, възможно най-здравата вторична връзка.
Под влиянието на топлинното движение структурата на разтворите непрекъснато се руши и приема различни конфигурации. В биологичните системи в процеса на метаболизма веществата постоянно се изменят и се превръщат в други вещества. Вторичните връзки между тях също се изменят. Структурата на клетъчния разтвор постоянно се мени под влияние на топлинното движение и в резултат на метаболитните превръщания на веществата.
Само органичните молекули, които могат да образуват водородни връзки с водата, са разтворими в нея. Те се наричат хидрофилни. Разтварянето им е възможно, понеже при проникването на такива молекули в решетката на водата в замяна на разрушените водородни връзки между молекулите на водата незабавно се образуват нови водородни връзки между нея и съответното органично вещество, например глюкозата. Възникващата нова структура на разтвора е енергийно по-малко изгодна от структурата на чистата вода, затова дори и за най-популярните съединения съществува граница на разтворимост. Веществата в клетката не са безкрайно разтворими във вода. Поради топлинното си движение молекулите на тези вещества непрекъснато се сблъскват с молекули на други вещества, докато намерят комплементарни структурни на други молекули и се съединят с тях. Освободените при това молекули вода се свързват помежду си. За разлика от полярните молекули, които в различна степен са разтворими във вода, неполярните молекули са неразтворими в нея, понеже не могат да образуват водородни връзки с водните молекули.
Веществата в клетката взаимодействат помежду си избирателно. Всяка молекула има уникални възможности за съединяване с други о образува в клетката добри вторични връзки с неголям брой вещества. Това се обяснява отчасти с обстоятелството, че клетъчните молекули се намират във водна среда. Образуването на връзка между тях зависи не само от това, дали те могат да се свържат помежду си, но и от това, дали образуването на дадена връзка осигурява максимален брой водородни връзки във водния разтвор.
Хидрофобно свързване
Силно изразената способност на водата да отблъсква неполярните групи обуславя ефекта, наричан хидрофобно свързване. Хидрофобните връзки възникват между неполярни групи във воден разтвор. Връзките, които неполярните групи образуват помежду си, се обуславят от вандерваалсовите сили на привличане. Хидрофобното свързване се дължи на "стремежа" на неполярните групи да се разшп;пжат така, че да не контактуват с молекулиет на водата. В резултат на хидрофобното взаимодействие на неполярните групи разликата в енергията на свързване на сходни молекули във водна среда е поне с 8,4 до 12,6 kJ/mol по-голяма от тази енергия в незодна среда.
Влияние на вида на връзките върху конфигурацията и конформацията на молекулата
Необходимо е да се подчертае принципната разлика между конфигурацията и конформацията на молекулата. Под конфигурация на една молекула с определен строеж се разбира пространстеното разположение на нейните атоми или атомни групи без оглед на ориентациите, които се отличават една от друга по завъртане около формално прости връзки. Пространствената ориентация на конфигурацията на дадена молекула се обуславя от наличието в нея на: а) една или няколко сложни връзки, около които не е възможно въртене, или б) един или повече хирални центрове с разположени около тях в определена последователност заместителни групи. При молекули с ковалентни връзки, около които не е възможно въртене, разпределението на ковалентните връзки определя еднозначно не само конфигурацията, но и конформацията им. Такъв е случаят, когато при образуването на връзката участват повече от една двойка електрони. Атомите, съединени с такава връзка, лежат в обща плоскост. Например въглеродните скелети на ароматните съединения имат напълно определена структура. Те са плоски независимо от средата, в която се намират. Молекулите на пирамидините и на пурините съдържат ароматен пръстен и също са плоски.
Стереоизомерите на молекула, съдържаща двойна връзка, се наричат геометрични (цис-транс) изомери. Те са строго определени химични съединения, които могат да се получат в чист вид.
Хиралните стереоизомери се тнасят един спрямо друг като предмет и огледалния му образ. такива стереоизомери се наричат оптични антиподи (изомери) или енантиомери, понеже завъртат под еднакъв ъгъл равнината на поляризираната светлина, но в противоположни посоки. Както геометричните (цис-транс) изомери, така и оптичните изомери (енантиомери) са конфигурационни изомери. Характерна тяхан особеност е, че те не могат да се превръщат едни в други без разкъсване на една или повече ковалентни връзки.
Понятието конформация се използва за описване на пространственото разположение в органичната молекула на заместителните групи, които благодарение на свободното въртене около простите въглерод-въглеродни връзки - са способни свободно да изменят своето положение в пространството, без да разкъсват ковалентни връзки.
Първоначално се е смятало, че обикновената единична ковалентна връзка, например C-C, допуска свободно въртене на свързаните атоми и всички конформационни изомери са възможни, понеже при въртене всяко изменение на ъгъла се извършва без загуба на енергия. В резултат на редица проучвания на термодинамичните свойства на съединения с единични връзки, както и на структурни, спектроскопични и други изследвания, се установи, че завъртането около обикновената единична връзка не е свободно.
Например в молекулата на етана (CH3-CH3) при завъртане около връзката C-C може да възникнат енергийно неравностойни различни положения на метилните групи една спрямо друга. Водородните атоми от едната метилна група се стремят да заемат положение, при което са най-отдалечени от водородните атоми на другата метилна група. Това се постига, когато единият тетраедър е завъртян на 60 градуса спрямо другия. Такава конформация има минимум потенциална енергия и се нарича скосена. Тя е енергийно по-изгодна от конформацията, наричана еклиптична (засенчена), в която водородните атоми на двете метилни групи са разположени едни над други. Еклиптичната конформация има максимална потенциална енергия.
При завъртането на въглеродните атоми на етана около връзката C-C потенциалната енергия на молекулата се изменя приблизително по синусондална крива. На всеки 1200 се преминава от една скосена в друга тъждествена конформация и трябва да се преодолее енергийната бариера от 11,7 kJ/mol. Енергийната бариера на въртене възниква в резултат на стерични затруднения при сближаване на водородните атоми от двете метилни групи на етана.
Молекулите, които съдържат единични връзки, допускащи въртене, теоритично могат да имат много конформации. Както беше посочено обаче, отделните конформации имат различно енергийно съдържание. Повечето молекули съществуват в една или в малък брой устойчиви конформации, които се характеризират с най-малка свободна енергия. Останалите са неустойчиви и представляват преходни форми при преминаване на една устойчива конформация в друга. Активиращата енергия на преминаване от една конформация в друга е повече от десет пъти по-малка от необходимата за образуване на различни конфигурации. При условията на протичане на химична реакция молекулата може да премине през една от неустойчивите си конформации, наричана реакционна конформация. Съществува само една-единствена конформация, характеризираща се с най-малка свободна енергия. Всяка молекула има своя характерна конформация и това определя броя на видовете молекули, с които тря може да образува здрави вторични връзки. Силното вторично взаимодействие изисква (както при ключа и ключалката) наличност на комплеметарни структури във взаимодействащите молекули и участие на голям брой атоми.
При реализиране на тримерната структура на молекулата важна роля могат да играят вътремолекулните вторични връзки, образувани между атомите, ковалентно свързани във вериги. Вътремолекулните вторични връзки често обуславят огъване на линейната молекула, при което атомите, които са далеч един от друг, могат да контактувт помежду си. Такива молекули придобиват компактна глобуларна форма. Други вторични връзки са външните (междумолекулните), образувани между атоми на две различни вериги.
В този случай молекулите имат разтеглена фибриларна форма.
Скелетите на полимерните молекули на белтъчните вещества и на нуклеиновите киселини имат линеен строеж, като в тях многократно се повтарят едни или други групи. В скелета на молекулите на белтъчните вещества например се повтаря пептидната група (-CO-NH-). Често тези правилно повтарящи се групи са организирани в спирална конформация, поддържана от вторични връзки между отделните групи на скелета на молекулата. Спиралата е естествената конформация за правилните линейни полимери, понеже в тази конформация всички мономерни групи са ориентирани еднакво по отношение на молекулата като цяло. Всеки мономер образува такива вторични връзки, както и останалите мономери. Ако правилният линеен полимер не е спирализиран, различните мономери образуват нееднакви вторични връзки. Характерната за спиралата винтова иметрия не се определя от особената форма на молекулата на мономера, а възниква като естествено следствие от това разположение на мономерите в макромолекулата, което по своята стабилност превъзхожда другите видове разположения.
Повечето биополимери обаче не спадат към правилните полимери, построени от еднакви мономерни единици. Такива са белтъчните вещества и нуклеиновите киселини. В тях към скелета са присъединени различни странични групи. Тримерната структура на много от полимерите с неправилна спирална конформация представлява компромис между "стремежа" да се образува правилно построен скелет със спирална конфигурация и "стремежа" на страничните групи да придадат на скелета такава конформация, която да осигури максимална здравина на вторичните връзки, образувани от тези странични групи.