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) http://www.loseskakeados.com de