Een waterstofbinding wordt gevormd wanneer het positieve uiteinde van een molecuul wordt aangetrokken door het negatieve uiteinde van een ander. Het concept is vergelijkbaar met magnetische aantrekking waarbij tegenovergestelde polen elkaar aantrekken. Waterstof heeft één proton en één elektron. Dit maakt waterstof een elektrisch positief atoom omdat het een tekort aan elektronen heeft. Het probeert een ander elektron aan zijn energieschil toe te voegen om het te stabiliseren.
Twee termen zijn belangrijk om te begrijpen hoe de waterstofbinding zich vormt: elektronegativiteit en de dipool. Elektronegativiteit is de maat voor de neiging van een atoom om elektronen naar zich toe te trekken om een binding te vormen. Een dipool is een scheiding van positieve en negatieve ladingen in een molecuul. Een dipool-dipool interactie is een aantrekkingskracht tussen het positieve uiteinde van een polair molecuul en het negatieve uiteinde van een ander polair molecuul.
Waterstof wordt meestal aangetrokken door meer elektronegatieve elementen dan zichzelf, zoals fluor, koolstof, stikstof of zuurstof. Een dipool vormt zich in een molecuul wanneer waterstof het meer positieve uiteinde van de lading behoudt, terwijl zijn elektron wordt naar het elektronegatieve element getrokken waar de negatieve lading groter zal zijn geconcentreerd.
Waterstofbindingen zijn zwakker dan covalente of ionische bindingen omdat ze zich gemakkelijk vormen en breken onder biologische omstandigheden. Moleculen die niet-polaire covalente bindingen hebben, vormen geen waterstofbruggen. Maar elke verbinding met polaire covalente bindingen kan een waterstofbinding vormen.
De vorming van waterstofbruggen is belangrijk in biologische systemen omdat de bindingen stabiliseren en de structuur en vorm van grote macromoleculen zoals nucleïnezuren en eiwitten bepalen. Dit type binding komt voor in biologische structuren, zoals DNA en RNA. Deze binding is erg belangrijk in water omdat dit de kracht is die bestaat tussen watermoleculen om ze bij elkaar te houden.
Zowel als vloeibaar als vast ijs zorgt de vorming van waterstofbruggen tussen de watermoleculen voor de aantrekkingskracht om de moleculaire massa bij elkaar te houden. Intermoleculaire waterstofbinding is verantwoordelijk voor het hoge kookpunt van water omdat het de hoeveelheid energie verhoogt die nodig is om de bindingen te verbreken voordat het koken kan beginnen. Waterstofbinding dwingt watermoleculen om kristallen te vormen wanneer het bevriest. Omdat de positieve en negatieve uiteinden van de watermoleculen zich moeten oriënteren in een reeks die ervoor zorgt dat de positieve uiteinden de kunnen aantrekken negatieve uiteinden van de moleculen, is het rooster of raamwerk van het ijskristal niet zo nauw verweven als de vloeibare vorm en laat het ijs naar binnen drijven water.
De 3D-structuur van eiwitten is erg belangrijk bij biologische reacties zoals die met enzymen waarbij de vorm van een of meer eiwitten in openingen in enzymen moet passen, net als een slot en sleutel mechanisme. Door waterstofbinding kunnen deze eiwitten buigen, vouwen en in verschillende vormen passen, wat de biologische activiteit van het eiwit bepaalt. Dit is erg belangrijk in DNA omdat de vorming van waterstofbruggen het molecuul in staat stelt zijn dubbele helix-vorming aan te nemen.