Un legame idrogeno si forma quando l'estremità positiva di una molecola è attratta dall'estremità negativa di un'altra. Il concetto è simile all'attrazione magnetica in cui i poli opposti si attraggono. L'idrogeno ha un protone e un elettrone. Questo rende l'idrogeno un atomo elettricamente positivo perché ha una carenza di elettroni. Cerca di aggiungere un altro elettrone al suo guscio energetico per stabilizzarlo.
Due termini sono importanti per capire come si forma il legame idrogeno: l'elettronegatività e il dipolo. L'elettronegatività è la misura della tendenza di un atomo ad attirare a sé gli elettroni per formare un legame. Un dipolo è una separazione di cariche positive e negative in una molecola. Un'interazione dipolo-dipolo è una forza attrattiva tra l'estremità positiva di una molecola polare e l'estremità negativa di un'altra molecola polare.
L'idrogeno è più comunemente attratto da più elementi elettronegativi di se stesso, come fluoro, carbonio, azoto o ossigeno. Un dipolo si forma in una molecola quando l'idrogeno mantiene l'estremità più positiva della carica mentre la sua l'elettrone viene attratto verso l'elemento elettronegativo dove la carica negativa sarà maggiore concentrato.
I legami idrogeno sono più deboli dei legami covalenti o ionici perché si formano e si rompono facilmente in condizioni biologiche. Le molecole che hanno legami covalenti non polari non formano legami idrogeno. Ma qualsiasi composto che abbia legami covalenti polari può formare un legame idrogeno.
La formazione di legami idrogeno è importante nei sistemi biologici perché i legami stabilizzano e determinano la struttura e la forma di grandi macromolecole come acidi nucleici e proteine. Questo tipo di legame si verifica in strutture biologiche, come DNA e RNA. Questo legame è molto importante nell'acqua perché questa è la forza che esiste tra le molecole d'acqua per tenerle insieme.
Sia come ghiaccio liquido che solido, la formazione del legame idrogeno tra le molecole d'acqua fornisce la forza attrattiva per tenere insieme la massa molecolare. Il legame idrogeno intermolecolare è responsabile dell'alto punto di ebollizione dell'acqua perché aumenta la quantità di energia necessaria per rompere i legami prima che possa iniziare l'ebollizione. Il legame a idrogeno costringe le molecole d'acqua a formare cristalli quando si congela. Poiché le estremità positive e negative delle molecole d'acqua devono orientarsi in una matrice che consente alle estremità positive di attrarre estremità negative delle molecole, il reticolo o la struttura del cristallo di ghiaccio non è a maglie strette come la forma liquida e consente al ghiaccio di galleggiare acqua.
La struttura 3-D delle proteine è molto importante nelle reazioni biologiche come quelle che coinvolgono gli enzimi dove la forma di una o più proteine deve inserirsi nelle aperture degli enzimi proprio come una serratura e una chiave meccanismo. Il legame a idrogeno consente a queste proteine di piegarsi, piegarsi e adattarsi in varie forme secondo necessità, il che determina l'attività biologica della proteina. Questo è molto importante nel DNA perché la formazione di legami idrogeno permette alla molecola di assumere la sua formazione a doppia elica.