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domingo, 9 de febrero de 2014

Enlaces no covalentes.

Hay diferentes tipos de enlaces no covalentes:

• Interacciones iónicas.

• Puentes de hidrógeno.

• Interacciones de van der Waals.

• Efecto hidrófobo.

Son uniones débiles y transitorias.

INTERACCIONES IÓNICAS.

Se dan por la atracción entre cationes (ion con carga positiva) y aniones (ion con carga negativa). Estas interacciones iónicas no poseen una geometría definida, porque el campo electrostático alrededor de un ion es uniforme en todas las direcciones. Se generan estructuras cristalinas.
En soluciones acuosas, los iones simples como Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ y Cl- se encuentran hidratados. El agua es una molécula polar porque se encuentra formada por átomos con diferente electronegatividad, y como consecuencia, los electrones no se distribuyen de manera equitativa. Esto produce una densidad de carga negativa sobre el O (que es el átomo más electronegativo) y una densidad de carga positiva sobre los H. Entonces el extremo que posee una densidad de carga negativa podrá interactuar con los cationes, cubriendo así al catión. Entonces decimos que el catión se encuentra hidratado.
Esta interacción de las moléculas de agua con los iones posee menor energía que las estructuras cristalinas, por lo tanto los compuestos iónicos en agua se disuelven rápidamente porque de esta manera pueden liberar parte de la energía que utilizan para permanecer como una estructura cristalina y así lograr mayor estabilidad.

Entonces vimos que dos iones con cargas opuestas interactúan entre sí formando estructuras cristalinas:


La fuerza relativa de las interacciones entre dos iones, por ejemplo Cl- y Na+ depende de la concentración de otros iones en la solución. Mientras más alta sea la concentración de otros iones (Ay  C+) la interacción entre Cl- y C+ es más probable que la interacción entre Cl- y Na+, de manera que la energía para romper la estructura cristalina que genera el NaCl es mucho menor. 
Como resultado, en una solución biológica que posee estructuras que se encuentran unidas a través de interacciones iónicas, si queremos separar estas estructuras debemos debilitar y perturbar las interacciones iónicas que las mantienen unidas, y esto lo podemos lograr aumentando la fuerza iónica de una solución, es decir, agregando sales de electrolitos fuertes, como por ejemplo NaCl, los cuales en solución generan iones, que interactuarán con los iones que generan las interacciones iónicas que mantienen unidas las estructuras y así las podremos disociar.

Cuando trabajamos con células in vitro, estas células se encuentran en suspensión, y es muy importante que la fuerza iónica de la suspensión celular sea lo más parecido a la fuerza iónica que tenía cuando se encontraba en el tejido o el órgano, porque la calidad y la concentración de los iones va a determinar que tan estables son las estructuras en cuanto a su disposición tridimensional en el espacio, tanto proteínas como ácidos nucleicos y lípidos. Estas interacciones iónicas determinan las conformaciones de las moléculas, y esto depende de la concentración de iones.  
Si modificamos la fuerza iónica del buffer de la suspensión celular, podemos desnaturalizar las proteínas o bien evitar que las moléculas interactúen entre sí. Por eso es muy importante controlar la fuerza iónica del buffer de trabajo.

PUENTES DE HIDRÓGENO.

Se dan entre H que se encuentran unidos a F, O o N con electrones no apareados en otros átomos, que pueden pertenecer a la misma molécula (puentes de hidrógeno intramoleculares) o a otra molécula de igual o distinta naturaleza (puentes de hidrógeno intermoleculares).
La unión covalente del H a un átomo como F, O o N, los cuales son átomos muy electronegativos, genera en el átomo de hidrógeno una densidad de carga positiva que será atraída por los electrones desapareados de otros átomos como por ejemplo O ó N. 
Las uniones no covalentes del tipo puente de hidrógeno son las uniones no covalentes más fuertes, es decir que para vencer estas uniones se requiere mucha energía, comparado con otros enlaces no covalentes como las interacciones iónicas e interacciones de van der Waals.
La formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua explica su alto punto de ebullición; para poder romper estos enlaces se necesita entregar mucha energía; además, el agua puede formar puentes de hidrógeno con otras sustancias (alcohol etílico, amoníaco), lo cual explica la solubilidad de estas sustancias sin carga en agua.  
Por lo general, las sustancias polares que pueden formar puentes de hidrógeno con el agua pueden disolverse fácilmente en ella, es decir son hidrófilas.
Las moléculas biológicas contienen grupos que pueden formar puentes de hidrógeno: -OH, -NH2, -COOH.
Estas uniones no covalentes del tipo puente de hidrógeno estabilizan las estructuras de las moléculas biológicas, permitiendo así que cumplan su función.
Las proteínas pueden formar una estructura de α-hélice. Esta estructura se encuentra estabilizada por puentes de hidrógeno que se forman entre átomos de hidrógeno y de oxígeno. Estos puentes de hidrógeno son los responsables de esta disposición espacial, si no se formaran, sería una cadena lineal.



Además, estas uniones no covalentes posibilitan que una estructura como el ADN que posee dos hebras unidas entre sí formando α-hélice, se pliegue en el espacio y exponga fosfatos y otras moléculas que puedan interactuar de manera específica con una proteína.


Esta interacción de la molécula de ADN con una proteína, adoptando esta disposición particular, se da en las células en un momento dado: cuando el ADN debe ser transcripto por la ARN polimerasa, cuando el ADN pasa a ARN; esto ocurre cuando la célula necesita una proteína determinada, no ocurre siempre, por eso se establecen uniones débiles (uniones del tipo no covalentes) transitorias. Este tipo de uniones posibilita respuestas rápidas, cuando se modifica la estructura de la proteína (porque se altera la estructura tridimensional de la proteína) ya no reconoce específicamente la posibilidad de establecer múltiples uniones no covalentes y por lo tanto se separan.
Entonces, para separar dos moléculas, como en este caso una molécula de ADN y una proteína, que se encuentran unidas únicamente por interacciones no covalentes, modificando el pH o la fuerza iónica, modificamos así la exposición de las cargas, entonces separamos a las dos moléculas que están interactuando.

INTERACCIONES DE VAN DER WAALS.

Estas interacciones de van der Waals se originan a partir de una perturbación momentánea de la órbita de los electrones.

Si tenemos dos moléculas, cada una de ellas, por ejemplo, formadas por dos átomos que interactúan covalentemente, en esta interacción. Si la molécula es polar, por diferencias de electronegatividad de los átomos, se origina una δ+ sobre el átomo menos electronegativo y una δ- sobre el átomo más electronegativo, generando así un dipolo del tipo permanente. En este caso, la porción con δ+ de una molécula será atraída por la porción con δ de la otra molécula. De esta manera, las moléculas se encuentran más cerca y establecen así interacciones de van der Waals.
Este tipo de interacción no sólo se da en moléculas polares sino también en moléculas no polares. Si bien las moléculas no polares no presentan diferencia apreciable en la electronegatividad de sus átomos, es decir que no poseen densidades de carga o sea que la carga es uniforme en toda la molécula, en un momento dado, los átomos que forman estas moléculas no polares se acercan y sufren una perturbación por movimiento de los electrones, generando así un dipolo transitorio en la molécula, que inducirá un dipolo en una molécula vecina. De esta manera las moléculas no polares interactúan entre sí. Como ya ha mencionado, esto ocurre por la cercanía de las moléculas, es decir que estos enlaces no covalentes sólo se forman cuando las moléculas se encuentran muy cerca unas de otras.
No obstante si los átomos se acercan demasiado se repelen por las cargas negativas de sus electrones. Entonces, cuando la atracción de van der Waals equilibra exactamente la repulsión entre las dos nubes electrónicas, se dice que los átomos están en contacto de van der Waals.
Estas interacciones son responsables de la cohesión entre moléculas de líquidos y sólidos no polares, como el heptano, incapaces de formar puentes de hidrógeno o interacciones iónicas con otras moléculas.

EFECTO HIDRÓFOBO.

El efecto hidrófobo es un tipo de unión no covalente que caracteriza a las moléculas no polares. Anteriormente dijimos que las moléculas no polares son moléculas hidrófobas, porque el agua es polar, y las moléculas no polares son solubles en solventes no polares e insolubles en solventes polares como el agua. 
Se requiere mucha energía para solvatar a las moléculas no polares que se encuentran en solventes polares.
Cuando una molécula no polar se encuentra en un solvente polar como por ejemplo el agua, se rodea de moléculas de agua, las ordena tanto a las moléculas de agua afectando así la entropía y ese orden determina que esta distribución para una estructura polar sea energéticamente no favorable. Sin embargo, las moléculas no polares hidrófobas interactúan por efecto hidrófobo: forman agregados para así disminuir la cantidad de moléculas de agua que las rodea, como consecuencia de esto se desorganizan las moléculas de agua que la estaban delimitando y esto desde el punto de vista energético es más favorable.


Entonces estas estructuras no polares interactúan por efecto hidrófobo y esto es evidente en las membranas biológicas. En las membranas biológicas tenemos una bicapa fosfolipídica, que consta de una porción polar (cabezas polares) es decir una porción capaz de establecer interacciones no covalentes iónicas y puentes de hidrógeno ya sea con el exterior como con el interior de las céulas, y una porción no polar, es decir, largas cadenas hidrocarbonadas hidrofóbicas, características de la estructura lipídica, las cuales interactúan entre sí a través del efecto hidrófobo; desplazando las moléculas de agua y posibilitando así que estas largas cadenas no polares puedan interactuar entre sí desde un punto de vista energético favorable.


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