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Química
Moléculas y Enlace Químico
Cuando los átomos se combinan entre sí por enlace químico, la combinación
resultante es una molécula. Se conocen varios tipos de enlaces químicos, como el
iónico, el covalente y el enlace por puentes de hidrógeno. Los enlaces iónicos son
enlaces en los que los electrones no se comparten por igual entre dos átomos,
originándose moléculas cargadas. En el NaCl, por ejemplo, el átomo de cloro es
mucho más electronegativo (atrae más los electrones) que el de sodio y toma el
electrón de la capa más externa del sodio para formar, de hecho, Na+Cl-. La
atracción eléctrica entre los dos átomos mantiene la molécula unida. Las uniones
iónicas son biológicamente importantes en la formación de complejos entre ácidos
nucleicos y proteínas y otras cuantas interacciones moleculares. Sin embargo, los
enlaces iónicos no son importantes en la unión de los bioelementos importantes
señalados en la tabla y por tanto no serán considerados aquí en más detalle. Las
moléculas de mayor relevancia biológica se mantienen unidas mediante enlaces
covalentes y por puentes de hidrógeno.
Enlaces covalentes. Los enlaces en los que los electrones son compartidos entre
dos átomos se denominan enlaces covalentes. Consideremos el elemento
hidrógeno. Un átomo de hidrógeno contiene un único electrón y se combina consigo
mismo para formar una molécula de gas hidrógeno, H2. La molécula H2, contiene
dos átomos de hidrógeno, cada uno con dos electrones compartidos, es decir, el
número
máximo
permitido en
la
capa
electrónica
inicial
que
rodea
cualquier
núcleo. Los
átomos en la
molécula de H2, se mantienen juntos por enlace covalente. En
comparación, el carbono tiene la capa electrónica más externa con
cuatro electrones y puede aceptar cuatro electrones adicionales a
ese nivel. En consecuencia, un átomo de carbono puede unirse a
cuatro átomos de hidrógeno originando la formación de metano, un
sencillo compuesto orgánico (conteniendo carbono). Compartiendo
de este modo los electrones, el átomo de carbono y los átomos de
hidrógeno consiguen capas electrónicas externas estables: ocho
electrones
en la capa
externa del
carbono
y
dos
para
cada uno de
los
hidrógenos.
De
modo
similar,
cuando
se
forma agua
a partir de
hidrógeno y
oxígeno, las
capas electrónicas externas de ambos elementos alcanzan una configuración
estable.
Si entre dos átomos se comparte más de un par de electrones, se forman enlaces
dobles o triples. Los enlaces dobles ocurren con frecuencia como enlaces C = 0 o C
= C y se encuentran en una gran variedad de moléculas de importancia biológica.
En los enlaces triples, se comparten tres pares de electrones entre dos átomos. Los
enlaces triples son raros en las moléculas biológicas, pero los microorganismos
metabolizan a veces compuestos con triples enlaces y el mejor ejemplo lo
representa el N2, que resulta reducido en la fijación de nitrógeno.
Puentes de hidrógeno. Un segundo tipo de enlace muy importante en los
sistemas biológicos es el enlace por puentes de hidrógeno. Estos enlaces se forman
entre átomos de hidrógeno y otros átomos más electronegativos como oxígeno y
nitrógeno. Los enlaces por puentes de hidrógeno son enlaces débiles. Sin embargo,
cuando se forman muchos enlaces de este tipo en y entre
macromoléculas la estabilidad general de la molécula aumenta
notablemente.
Las moléculas de agua se unen con facilidad mediante puentes de
hidrógeno. Como el átomo de oxígeno es relativamente
electronegativo respecto al átomo de hidrógeno, el enlace covalente
entre el oxígeno y el hidrógeno es tal que los electrones compartidos
en la capa externa giran más cerca del núcleo del oxígeno que del
hidrógeno. Esto crea una débil separación de carga eléctrica,
quedando el oxígeno ligeramente negativo y el hidrógeno
ligeramente positivo; esto se indica por el signo δ, como δ+ y δ-,
para indicar la separación parcial de carga. El carácter δ+ del átomo
de hidrógeno atrae al oxígeno de una segunda molécula de agua
creando un "puente" cargado positivamente entre los dos átomos
electronegativos de oxígeno de moléculas adyacentes de agua. Los
enlaces de hidrógeno más comunes entre macromoléculas implican
interacciones Oδ-...Hδ+---Oδ- , Oδ----Hδ+ ...N , y Nδ-...Hδ+---Nδ- en proteínas y ácidos
nucleicos. Veremos más adelante que los enlaces por puentes de hidrógeno tienen
un papel importante en las propiedades biológicas de las macromoléculas,
especialmente en el mantenimiento de las estructuras terciarias y cuaternarias de
proteínas y ácidos nucleicos.
Otras interacciones atómicas. Las moléculas están sujetas a otros tipos de
interacciones que formalmente no se consideran enlaces químicos. Las fuerzas de
Van der Waals son fuerzas atractivas inespecíficas que ocurren cuando la distancia
entre dos átomos se reduce a 3-4 Angstrom (Å). Estas fuerzas se deben a
asimetrías momentáneas en la carga de los átomos a causa del movimiento de los
electrones. Sin embargo, si los átomos se juntan más de 3-4 Å la superposición de
las capas electrónicas de los átomos origina la aparición de fuerzas repulsivas. Las
fuerzas de Van der Waals pueden tener un papel importante en la unión de
sustratos a enzimas y en interacciones entre proteínas y ácidos nucleicos.
También las interacciones hidrofóbicas pueden ser importantes en las
propiedades de moléculas con relevancia biológica. Las interacciones hidrofóbicas
surgen cuando las moléculas no polares (que repelen el agua) tienden a agruparse
juntas en un ambiente acuoso. Debido a esto, las porciones no polares de una
macromolécula tienden a asociarse, del mismo modo que lo hacen las regiones
polares de la macromolécula (pero por razones opuestas). Es importante la función
de estas interacciones en la conformación espacial de macromoléculas tales como
proteínas y juegan un papel crítico en la unión enzima-sustrato. A veces, las
interacciones hidrofóbicas son también importantes en la asociación no covalente
entre ciertas proteínas, por ejemplo, en el caso de una proteína formada por varias
subunidades polipeptídicas.
Energías de enlace y la importancia del carbono. La fuerza relativa de los enlaces
químicos se puede medir por la energía requerida para su disociación. La siguiente
tabla indica las energías de enlace de varias
químicas
importantes
enlace uniones
desde el punto de vista biológico.
Puede observarse que los enlaces
Enlaces sencillos
dobles y triples son mucho más
H-H
436
fuertes que los sencillos y que las
C-H
411
uniones
de
hidrógeno
son
comparativamente muy débiles.
C-O
369
Los puentes de hidrógeno se
C-N
294
forman y descomponen de forma
C-S
260
rápida y espontánea en las
Enlaces dobles
células, mientras que los enlaces
C=C
616
covalentes se forman y rompen
C=O
704
sólo mediante reacciones químicas
específicas dirigidas por enzimas.
O=O
402
Las interacciones no covalentes,
Enlaces triples
como las fuerzas de Van der
C≡C
805
Waals
y
las
interacciones
N≡N
955
hidrofóbicas, son también muy
débiles.
Sin
embargo,
como
Interacciones
no
Energía
ocurre con los puentes de
covalentes
hidrógeno, estas interacciones
Puentes de hidrógeno
4.2 - 8.4
llegan a ser muy importantes
Interacciones
cuando se producen en elevado
4.2 - 8.4
hidrofóbicas
número dentro de una molécula o
Atracciones de Van der
entre varias moléculas. Todas las
4.2 - 8.4
Waals
estructuras celulares contienen
carbono en abundancia en combinación química con otros elementos. El carbono es
capaz de combinarse no sólo con, muchos otros elementos sino también consigo
mismo, formando así grandes estructuras químicas de considerable diversidad y
complejidad. Se han identificado un elevado número de compuestos carbonados
diferentes en varios sistemas biológicos. Por ejemplo, muchos compuestos
biológicos contienen un átomo de carbono unido a un átomo de oxígeno. Las
diferencias en el enlace carbono-oxígeno (doble o sencillo) y la naturaleza de los
átomos que rodean dicho enlace dictan las propiedades químicas de la molécula.
Así, por ejemplo, los ácidos carboxílicos son químicamente distintos de los alcoholes
y cada uno desempeña papeles específicos en la bioquímica celular.
Enlaces covalentes
Energía
(kJ/mol)
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