Uma ligação de hidrogênio é formada quando a extremidade positiva de uma molécula é atraída pela extremidade negativa de outra. O conceito é semelhante à atração magnética, onde pólos opostos se atraem. O hidrogênio tem um próton e um elétron. Isso torna o hidrogênio um átomo eletricamente positivo porque tem uma deficiência de elétrons. Ele procura adicionar outro elétron à sua camada de energia para estabilizá-lo.
Dois termos são importantes para entender como a ligação de hidrogênio se forma: eletronegatividade e dipolo. Eletronegatividade é a medida da tendência de um átomo de atrair elétrons para si para formar uma ligação. Um dipolo é uma separação de cargas positivas e negativas em uma molécula. Uma interação dipolo-dipolo é uma força atrativa entre a extremidade positiva de uma molécula polar e a extremidade negativa de outra molécula polar.
O hidrogênio é mais comumente atraído por mais elementos eletronegativos do que ele mesmo, como flúor, carbono, nitrogênio ou oxigênio. Um dipolo se forma em uma molécula quando o hidrogênio retém a extremidade mais positiva da carga enquanto seu elétron é atraído em direção ao elemento eletronegativo, onde a carga negativa será mais concentrado.
As ligações de hidrogênio são mais fracas do que as ligações covalentes ou iônicas porque se formam e se rompem facilmente em condições biológicas. Moléculas com ligações covalentes não polares não formam ligações de hidrogênio. Mas qualquer composto que tenha ligações covalentes polares pode formar uma ligação de hidrogênio.
A formação de ligações de hidrogênio é importante em sistemas biológicos porque as ligações estabilizam e determinam a estrutura e a forma de macromoléculas grandes, como ácidos nucléicos e proteínas. Esse tipo de ligação ocorre em estruturas biológicas, como DNA e RNA. Essa ligação é muito importante na água porque é a força que existe entre as moléculas de água para mantê-las unidas.
Tanto na forma líquida quanto na forma de gelo sólido, a formação da ligação de hidrogênio entre as moléculas de água fornece a força atrativa para manter a massa molecular unida. As ligações de hidrogênio intermoleculares são responsáveis pelo alto ponto de ebulição da água porque aumenta a quantidade de energia necessária para quebrar as ligações antes que a ebulição possa começar. A ligação de hidrogênio força as moléculas de água a formarem cristais quando ela congela. Uma vez que as extremidades positivas e negativas das moléculas de água devem se orientar em uma matriz que permite que as extremidades positivas atraiam o extremidades negativas das moléculas, a rede ou estrutura do cristal de gelo não é tão fortemente entrelaçada quanto a forma líquida e permite que o gelo flutue em agua.
A estrutura 3-D das proteínas é muito importante em reações biológicas, como as que envolvem enzimas onde a forma de uma ou mais proteínas deve se encaixar nas aberturas das enzimas, tanto quanto uma fechadura mecanismo. A ligação de hidrogênio permite que essas proteínas se dobrem, se dobrem e se encaixem em várias formas conforme necessário, o que determina a atividade biológica da proteína. Isso é muito importante no DNA porque a formação de ligações de hidrogênio permite que a molécula assuma a formação de sua dupla hélice.