Fundamentos químicos: características de los enlaces covalentes.

La magnitud de la capacidad de un átomo para atraer un electrón se denomina electronegatividad.
En una molécula los átomos pueden compartir los electrones de forma equitativa o no.
Cuando dos átomos poseen igual o similar electronegatividad, comparten los electrones de manera equitativa (ejemplo: enlaces C-C y enlaces C-H). Este enlace es denominado enlace no polar. Sin embargo, la mayoría de los átomos poseen distinta electronegatividad, formando enlaces polares. En los enlaces polares los electrones no se comparten por igual. Los electrones se encuentran más atraído por el átomo más electronegativo, de manera que se genera una densidad de carga negativa δ^-  en el átomo más electronegativo y una densidad de carga positiva δ⁺ en el átomo menos electronegativo (ejemplo: enlace O-H). Esto es característico de los enlaces polares.

Esta diferencia de cargas en la molécula es muy importante para describir la solubilidad de distintos compuestos. Como regla general, decimos que las sustancias polares son solubles en solventes polares mientras que las sustancias no polares son solubles en solventes no polares.

Una molécula polar posee una porción con densidad de carga negativa donde se encuentra el átomo más electronegativo, y una porción con densidad de carga positiva. De forma tal que cuando se juntan dos moléculas polares, las porciones con densidad de carga positiva de una molécula será atraída por la porción con densidad de carga negativa de la otra. De esta manera se explica la solubilidad de compuestos polares en solventes polares: hay una interacción de las densidades de carga de las moléculas.

Un ejemplo muy importante de solvente polar es el agua. Una molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno. El oxígeno es muy electronegativo respecto al hidrógeno, por lo tanto, los electrones que forman el enlace covalente entre los átomos de oxígeno e hidrógeno generan una densidad de carga negativa sobre el átomo de oxígeno y una densidad de carga positiva sobre los átomos de hidrógeno. Por lo tanto, el enlace O-H posee un dipolo eléctrico.

La creación de dipolos eléctricos en los enlaces covalentes posibilita interacciones electrostáticas no covalentes entre moléculas. (Ejemplo: puentes de hidrógeno)

Entonces, las sustancias solubles en solventes polares son solubles en agua, por lo tanto se las denomina hidrófilas. Las sustancias no polares son insolubles en agua, y se las denomina hidrófobas.

La presencia de los dipolos eléctricos en el agua, no sólo posibilita la disolución de compuestos polares, sino también la organización de la arquitectura de las moléculas de agua.

Fundamentos químicos: el átomo de carbono.

El átomo de carbono (C) forma enlaces covalentes estableciendo una estructura tetraédrica. El átomo de C puede unirse un mismo tipo de átomo, como por ejemplo en el metano, donde se encuentra unido a 4 hidrógenos mediante enlaces covalentes formando una estructura tetraédrica formando ángulos de 109,5°. Puede unirse a átomos como por ejemplo el oxígeno (O) con el cual puede compartir dos pares de electrones, formando un doble enlace, de forma tal que la geometría es plana, con ángulos de 120°.

Una particularidad importante que presenta el átomo de carbono tetraédrico es la posibilidad de unirse a cuatro restos diferentes constituyendo una molécula asimétrica (a diferencia de lo que ocurre con el metano). La importancia de estos carbonos asimétricos radica en la capacidad de establecer estereoisómeros (imágenes especulares). Estos estereoisómeros tienen mucha importancia en cuanto a su diferente actividad biológica; incluso uno de esos estereoisómeros puede ser activo desde el punto de vista biológico y el otro puede no tener actividad.

La presencia de átomos de carbono asimétricos determina la obtención de estereoisómeros con diferente actividad biológica.

Esto se da fundamentalmente en las proteínas.

Las proteínas están formadas por aminoácidos, los cuales están formados por un Cα que se encuentra unido a un H, un grupo NH3 , un grupo COOH y un resto R (en la glicina, Gly, el grupo R es un H, por lo tanto no presenta estereoisomería). Como consecuencia de esto, el Cα es un C asimétrico, presentando dos isómeros diferentes: el isómero D y el isómero L, ambos poseen diferente actividad biológica.

Fundamentos químicos: Enlaces químicos e interacciones intermoleculares.

Los enlaces atómicos e interacciones moleculares son las fuerzas de atracción interatómicos que posibilitan la constitución de las moléculas individuales y permiten la interacción entre diferentes moléculas.

Cuando dos átomos comparten un par de electrones (enlace simple) o múltiples pares de electrones (enlace doble, triple, etc) se forman los enlaces covalentes, los cuales son enlaces fuertes. Los átomos comparten electrones para conformar una molécula mediante la formación de enlaces covalentes.
A su vez, estas moléculas pueden interactuar con otras moléculas de igual o distinta naturaleza mediante enlaces no covalentes, los cuales son fuerzas de atracción débiles, pero igualmente importantes para determinar las propiedades y las funciones de las moléculas biológicas como las proteínas, los ácidos nucleicos, los hidratos de carbono y los lípidos.

Dentro de los enlaces no covalentes nos encontramos con

• interacciones iónicas.
• enlaces o puentes de hidrógeno.
• interacciones de van der Waals.
• efecto hidrófobo.

La energía de estos enlaces no covalentes es muy baja. Estos enlaces desde el punto de vista energético contribuyen muy poco, son importantes porque se encargan de estabilizar estructuras moleculares, estabilizar las estructuras secundarias y terciarias, es decir, estabilizar conformaciones de distintas moléculas, como por ejemplo proteínas y ácidos nucleicos. Estas interacciones permiten la interacción de las distintas moléculas.

En esta imagen podemos ver una molécula de ADN, vemos la α-hélice del ADN en rosa, y rodeando a la molécula vemos una estructura macromolecular formada por varias subunidades que constituyen la ARN polimerasa que interactúa específicamente con esa molécula de ADN. Tanto la estabilidad y la conformación de la α-hélice como la interacción entre las distintas subunidades que forman la ARN polimerasa, así como también la interacción de la ARN polimerasa con el ácido nucleico (la α-hélice del ADN) se da a partir de estos enlaces no covalentes.


Elementos más abundantes en las moléculas biológicas.

Dentro de los elementos más abundantes en las moléculas biológicas los que prevalecen son: H, C, N y O; también encontramos P y S en menor proporción. Estos átomos establecen entre sí enlaces covalentes (es decir, comparten sus electrones) para conformar las distintas moléculas biológicas (moléculas que van a posibilitar la actividad y la arquitectura celular).

Cada tipo de átomo forma un número característico de enlaces covalentes con otros átomos, con una geometría bien definida, determinada por el tamaño del átomo y tanto por la distribución de los electrones alrededor del núcleo como por el número de electrones que puede compartir.

No todos forman el mismo número de enlaces covalentes ni se disponen de la misma manera en el espacio; entonces tenemos átomos como el H que puede formar sólo un enlace covalente o átomos más complejos desde el punto de vista estructural como el C que puede formar 4 enlaces covalentes con una geometría tetraédrica. Otros átomos como el N y el S pueden formar un número de enlaces covalentes variable, por ende la geometría también es diferente.