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Departamento Química
4º año medio – 2013
Profesora Paola Lizama V.
“POLÍMEROS Y BIOMOLECULAS”
I. INTRODUCCIÓN
Los
Polímeros
son
compuestos formados por la
unión de miles de unidades
más pequeñas denominadas
monómeros.
Los monómeros se unen
entre sí a través de enlaces
covalentes, formando largas
cadenas y están ordenadas
formando
grandes
estructuras en forma de
redes.
En la naturaleza: proteínas, almidón, celulosa, etc. forman este tipo de estructuras. Almidón y celulosa son
macromoléculas constituidos por azúcares y constituyen parte importante de los vegetales.
Proteínas y ácidos nucleicos son vitales en seres vivos ambas macromoléculas orgánicas son largas
cadenas constituidas por pequeñas unidades enlazadas; aminoácidos y nucleótidos.
En 1827, Jons Jacob Berzelius acuñó el término polímero, (del griego polys, muchos y meros, partes) para
designar las moléculas de alta masa molecular formada por la polimerización de moléculas pequeñas
denominados monómeros.
El hombre ha utilizado desde hace mucho tiempo
polímeros naturales, como el algodón, formado por
fibras de celulosas, o la celulosa misma obtenida
desde la madera, para la confección de telas y
papeles.
La seda es otro polímero natural muy apreciado y es
una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína
del pelo de las ovejas; el hule, extraído de los árboles,
constituyen también polímeros naturales importantes.
Durante los últimos 60 años, los químicos han
desarrollado y perfeccionado diversos métodos para
crear polímeros sintéticos a partir de la polimerización
de moléculas sencillas.
La gran mayoría de estas moléculas son compuestos orgánicos, los que le confieren al polímero un
esqueleto de enlaces carbono-carbono extraordinariamente fuerte, gracias a los enlaces covalentes que
se forman entre los átomos de carbono.
Todos aquellos polímeros sintéticos que pueden ser moldeados en alguna fase de su elaboración son
denominados genéricamente como plásticos. Los ámbitos de utilización de los plásticos en la actualidad son
casi infinitos, reemplazando en muchos casos a polímeros naturales, como en el caso de la confección de
prendas de vestir o incluso a metales, como el acero en parte de automóviles.
PROPIEDADES DE LOS POLIMEROS
Según sus propiedades físicas, se pueden clasificar en:
a) Termoplásticos: Son polímeros que funden sin descomponerse; puede moldearse cuantas veces se
desee modificando la temperatura.
b) Elastómeros: Tienen propiedades elásticas, luego de deformarse pueden volver a su forma original.
Dentro de estos encontramos la goma o el caucho.
c) Termorrígidos (termoestable): Forman una estructura rígida que por acción del calentamiento no se
funde, ya que si la temperatura llega a ser muy alta se destruye
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Polímeros
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Polímeros
A)
FORMACIÓN DE POLIMEROS POR ADICIÓN
Los monómeros que producen polímeros de adición
por lo general contienen uno o más dobles enlaces. El
monómero más simple es el etileno (CH2=CH2) y su
polímero es el polietileno. La polimerización de este
grupo comienza con la ruptura del doble enlace
ubicado entre los átomos de carbono, de modo que
cada uno de ellos queda con un electrón
desapareado:
CH2-CH2
→
CH211CH2
Esto hace que la molécula sea muy reactiva.
La iniciación de este tipo de reacción se logra con sustancias como peróxidos orgánicos (R2O2) que son
inestables y se rompen fácilmente para dar como productos radicales libres (1OR)
-H2C-CH2- +
1
OR → 1CH2-CH2-OR
Luego comienza el alargamiento de la cadena de polietileno uniéndose con un electrón de la molécula de
eteno:
1
CH2-CH2- + 1CH2-CH2-OR →
1
CH2-CH2-CH2-CH2-OR
La reacción continúa hasta formar una enorme cadena de polímero -[-CH2-CH2-]-n en polietileno n, varía entre
1 000 a 50 000 unidades de etileno
CAUCHO NATURAL
El caucho natural es un hidrocarburo con fórmula molecular C5H8 que se extrae como
látex cuando se le realizan incisiones al árbol Hevea brasilensis. La precipitación de
las partículas de caucho produce una masa gomosa que no sólo es elástica sino que
sumamente pegajosa, sobre todo si se calienta.
En 1839, Charles Goodyear descubrió después de trabajar cinco años con caucho natural, que si se
calentaba la goma de caucho con azufre obtenía un material que ya no era pegajoso, pero seguía siendo
elástico, repelente al agua y resistente.
El caucho vulcanizado, como se conoce
actualmente y que descubrió Goodyear, contiene
cadenas cortas de átomos de azufre que enlazan
las cadenas poliméricas del caucho natural y
reducen su instauración (dobles enlaces).
Poli-cis-isopreno
El caucho natural es un poli-cis-isopreno, (los grupos
CH2-CH2, están en posición cis). Es decir al mismo lado
de un plano perpendicular al plano formado por el doble
enlace -C=CPoli-trans-isopreno
También existe el poli-trans-isopreno. Se usa para cubrir
pelotas de golf y como aislante eléctrico. La
denominación trans, indica que las uniones entre
monómeros se producen entre carbonos en posición
trans. (a distinto lado del plano perpendicular al formado
por el enlace
-C=C-).
CAUCHO SINTÉTICO
En 1955 los químicos de las compañías
Goodyear y Firestone descubrieron casi
al mismo tiempo como sintetizar poli-cisisopreno sintético, que es idéntico al
caucho natural.
Muchos polímeros de adición con
importancia comercial son copolímeros.
Los
copolímeros
se
obtienen
polimerizando una mezcla de dos o más
monómeros distintos.
Un copolímero de estireno con butadieno es el caucho sintético más importante que se produce para fabricar
neumáticos. Se utiliza una relación molar 3:1 de butadieno a estireno para hacer SBR.
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Polímeros
B)
FORMACION DE POLÍMEROS POR CONDENSACIÓN
Una reacción química en la que dos
moléculas se combinan para producir
una molécula de mayor tamaño y
simultáneamente libera una molécula
más pequeña como el agua, se
denomina
reacción
de
condensación.
Este tipo de reacciones se produce en
la
formación
de
polipéptidos,
polisacáridos.
Este tipo de reacción ocurre cuando los distintos compuestos que reaccionan poseen dos tipos distintos de
grupos funcionales.
Un tipo de reacción de condensación es la que se produce entre un ácido carboxílico (-COOH) y una amina
(-NH2):
R-COOH + H2N-R’ → R-CO-N-R’
+ H2O
Uno de los productos fabricados utilizando el mismo mecanismo de la condensación es el Nylon que
comenzó a realizarse a partir de 1935.
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Polímeros
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Polímeros
BIOPOLÍMEROS
PROTEÍNAS
Las proteínas son el constituyente principal de la vida; están formadas por átomos de Carbono, Nitrógeno,
Hidrógeno y Oxígeno, formando una unidad básica denominada aminoácidos. Cabe señalar que las
proteínas constituyen el 50% del peso del cuerpo deshidratado. En algunos casos los aminoácidos contienen
otros elementos como el Azufre y el Fósforo.
Los aminoácidos corresponden a unidades formadas por un grupo amino (-NH2) y un grupo ácido carboxílico
(-COOH). Los aminoácidos son sólidos cristalinos, no volátiles, que funden a temperaturas relativamente
altas.
R
O
NH 2 CH C
OH
Veinte son los aminoácidos,
llamados
esenciales
que
conforman todas las proteínas.
En condiciones adecuadas de temperatura y
pueden reaccionar algunos catalizadores
(enzimas),
para
unir
los
aminoácidos
produciendo macromoléculas denominadas
polímeros (proteínas).
La mitad de los aminoácidos esenciales
pueden ser sintetizados por los animales a
partir de los glúcidos y los lípidos, en
cantidades adecuadas para cubrir sus
requerimientos. La otra mitad debe ser
suministrado a través de la dieta alimenticia
pues no son sintetizables.
Estructura
de
los
veinte
aminoácidos
esenciales. Los aminoácidos encontrados en
organismos vivos corresponden a las formas
L-aminoácidos.
(Derecha, estructura de los aminoácidos)
ENLACE PEPTÍDICO
Durante la reacción se pueden adicionar otros
aminoácidos, formando tripéptidos, hasta
llegar a los polipéptidos que van a formar
posteriormente las proteínas.
Las cadenas constituidas hasta 10 aminoácidos
se denominan oligopéptidos.
Los polímeros que poseen un peso molecular de 5 000 g/mol se llaman polipéptidos.
Se considera que una proteína tiene una cadena polipeptídica mayor de 5 000 g/mol o varias cadenas
polipeptídicas, dispuesta de una forma espacial definida.
ESTRUCTURAS DE LAS PROTEÍNAS
Estructura
primaria:
consiste en la
secuencia exacta
de
los
aminoácidos
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Polímeros
Estructura secundaria: Es la estructura resultante de los puentes de hidrógeno intramolecular, originando
una conformación espacial en que casi todos los casos es una espiral.
Estructuras Secundarias:
arriba α-hélice, derecha: estructura sabana β.
Estructura terciaria: es la forma
tridimensional de la proteína a la cual
contribuyen
los
puentes
de
hidrógeno, el puente S-S, fuerzas de
Van der Waals.
Estructura cuaternaria: es la
interacción de varias proteínas
simples para formar una estructura
compleja.
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Polímeros
CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
a) Proteínas simples
Globulinas: Indispensables para la defensa contra infecciones. Se denominan Gamma- globulinas.
Albúminas: Se encuentran en los huesos y en la sangre donde sirven como sistemas de buffer, para
mantener el pH constante, actúan como reguladores metabólicos impidiendo la destrucción de los glóbulos
rojos y otras células sanguíneas.
Escleroproteínas: Se encuentran formando parte de las uñas, cabellos, piel, tendones, huesos y cartílago.
Histonas: Proteínas que forman parte de los ácidos nucleicos.
b) Proteínas conjugadas
Glicoproteínas: Contienen glúcidos como grupo no proteico: ejemplo la musina de la saliva
Lipoproteínas: Poseen un grupo lipídico como grupo prostético, Se encuentra en la cubierta de los nervios,
membranas celulares y ribosoma ejemplo β-globulina presente en el suero.
Cromoproteínas: Posee un grupo prostético coloreado. Ejemplo la hemoglobina.
Nucleoproteínas: Está asociada con los ácidos nucleicos. Según su función pueden ser estructurales,
contráctiles, hormonas, enzimas, anticuerpos y proteínas sanguíneas encargada del transporte de gases,
coagulación, mantenimiento del pH y de la presión sanguínea.
ENZIMAS
Las enzimas son biocatalizadores de origen proteico que su función es acelerar una reacción bioquímica.
Las enzimas no participan como reactante en la reacción, esto quiere decir que ellas permanecen inalteradas
al término de la reacción. Su mecanismo de acción es hacer bajar la energía de activación, aumentando así
la cantidad de productos formados en un lapso de tiempo determinado, aumentando la velocidad de reacción.
fijación
→
S
+E
SUSTRATO
+ ENZIMA
→
transformación
→
ES
ENZIMA-SUSTRATO
P
+
E
Producto
+
Enzima
A la derecha la figura representa el transcurso de reacción en
presencia de enzimas.
Estas estructuras son muy complejas, están constituidas por
cadenas que poseen desde 200 a 1 000 aminoácidos. La
sustancia sobre la cuál actúa se denomina sustrato. La mayor
parte de las enzimas son específicas, esto quiere decir que
actúan sobre un determinado sustrato.
Las enzimas (por lo general) se nombran adicionando el sufijo
ASA al nombre del sustrato o la reacción que cataliza.
Por ejemplo: ureasa actúa sobre la urea, la oxidasa que oxida la glucosa. Además se utiliza el sufijo INA
para indicar la fuente de donde se extrae la enzima, por ejemplo la papaína, la que se extrae de la papaya.
Las enzimas se dividen en seis clases principales:
1. Oxi-reductasas
: intervienen en las reacciones oxido-reducción
2. Transferasas: transfieren un grupo de una molécula a otra
3. Hidrolasas: intervienen en las reacciones de hidrólisis
4. Isomerasas: interviene en las reacciones que forman isómeros
5. Ligasas: enlazan las moléculas
ALGUNOS FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ACCIÓN ENZIMÁTICA
Temperatura:
A medida que aumenta la temperatura aumentan las colisiones moleculares
por el aumento de la energía cinética, la velocidad de reacción también se ve
aumentada. Pero hasta un cierto límite, cuando la temperatura sigue
aumentando, hay una fuerte caída de la velocidad. Esto ocurre porque el
movimiento molecular y atómico aumenta al aumentar la temperatura, y ese
movimiento puede alterar la estructura de las enzimas y de algunas proteínas.
(A la derecha se observa el transcurso de una reacción enzimática en función de la temperatura
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Polímeros
Este cambio de la estructura de las proteínas se denomina desnaturalización, se produce cuando se
rompen algunos enlaces intermoleculares de las enzimas.
pH:
La variación de la acidez altera la ionización de algunos grupos ionizables,
alterando su estructura tridimensional y su actividad biológica. Además puede
alterar el reconocimiento del sustrato por parte del sitio activo. Todas las
enzimas tienen un rango mínimo y máximo de pH. Al traspasar esos valores
la enzima se desnaturaliza. (A la derecha representación del transcurso de
una reacción enzimática en función al pH.
ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos son una clase de biopolímeros que son los portadores biológicos de toda la información
genética del ser vivo. Estos compuestos son de dos tipos: el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido
ribonucleico).
El ADN es una molécula gigante (polímero) Cada unidad repetitiva del ADN se denomina nucleótido y que
forman una estructura que va desde los 6 millones hasta los 16 millones.
Además esta estructura se encuentra principalmente en el núcleo de la célula y su función es contener la
información hereditaria y controla la producción de proteínas. Los ARN llevan la información contenida en el
ADN, hacia el citoplasma, donde se transfiere a los organelos encargados de sintetizar las proteínas.
Los monómeros de los ácidos nucleicos llamados nucleótidos se conforman de
tres partes:
1. una molécula de ácido fosfórico (H3PO4)
2. un azúcar de cinco carbonos. Desoxirribosa para el ADN y ribosa para el ARN.
(Arriba RIBOSA, abajo DESOXIRRIBOSA)
La diferencia entre el ADN y el ARN radica en la pentosa presente en cada una de
estas moléculas. Mientras que el ADN existe la desoxirribosa, el ARN presenta
ribosa. Además en las bases nitrogenadas tanto el ADN como el ARN tienen
adenina citosina y guanina, en cambio la timina sólo está presente en el ADN y el
uracilo en el ARN.
El ADN es el encargado de mantener la información para que la especie se
perpetúe, de generación en generación, sin alterar mayormente su aspecto global.
El ARN, tiene la función de transcribir la información genética almacenada en el
ADN hacia los ribosomas donde se realiza la síntesis de proteínas, que da origen
a cada una de las características de la especie.
La combinación de las bases nitrogenadas en el ADN hace que existan alrededor de 45 600 000 000
moléculas distintas con una estructura similar.
ESTRUCTURAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
En la figura se muestran las bases nitrogenadas:
Adenina, Citocina y Guanina, comunes para ADN
y ARN.
Sólo se diferencian en que el ADN además
posee Timina y el ARN Uracilo.
Los ácidos nucleicos son polímeros formados por
reacciones de condensación entre el grupo -OH
del ácido fosfórico de un nucleótido y el grupo OH del azúcar del otro nucleótido.
Las moléculas de ADN se conforman por dos
cadenas o fibras de ácido desoxirribonucleico
que están enrolladas una a otra en forma de una
doble hélice.
Los grupos azúcar y fosfato constituyen el
esqueleto de cada fibra. Las bases (A, C, G y T)
están unidos por los azúcares.
Las dos fibras se mantienen unidas por la formación de puentes de hidrógeno entre las bases de ambas
cadenas. Las timinas se unen a las adeninas y las citocinas a las guaninas.
TIMINA = ADENINA
CITOCINA = GUANINA
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= Puente de Hidrógeno
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Polímeros
ORGANIZACIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos presentan distintos niveles de organización:
La estructura primaria es la secuencia de los nucleótidos en una sola hebra.
La estructura secundaria es la disposición de las dos cadenas de filamentos antiparalelos (en sentido
contrario), unidos a través de las bases nitrogenadas complementarias, unidos a través de puentes de
hidrógeno.
La estructura terciaria corresponde a los diferentes empaquetamientos de la doble hélice del ADN para
formar los cromosomas.
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