Enlaces químicos na materia orgánica

AG.-

A nivel atómico, os compoñentes químicos da vida son os bioelementos. Unións destes elementos entre eles forman o seguinte nivel de organización da materia orgánica (a que é fabricada polos seres vivos): as biomoléculas. As máis fortes destas unións son os enlaces covalentes, os cales trataremos en primeiro lugar. A continuación veremos outras unións de carácter inicialmente máis feble. A súa menor forza de atracción non lles resta valor, xa que as súas propiedades son necesarias, como veremos, para funcións de crucial importancia. Alén diso, varias unións febles combinadas tamén poden formar unións moi fortes.

Enlaces covalentes.

Son forzas que manteñen preto elementos químicos que comparten entre eles unha ou varias parellas de electróns das capas máis externas dos seus orbitais atómicos. Teñen lugar porque os orbitais son máis estábeis cando adquiren números concretos de electróns. Daquela, os átomos tenden a compartir electróns con outros átomos para chegar a ter en total (sumando electróns propios e compartidos) algún deses números de electróns nos seus orbitais. Os números de electróns que confiren unha maior estabilidade son os que teñen os gases nobres, os cales, consecuentemente, non forman enlaces covalentes (que os farían perder a configuración estábel que xa teñen).

Os enlaces covalentes constitúen ligazóns fortes entre átomos e os pares de electróns compartidos poden estar máis atraídos por un átomo (que diremos que é máis electronegativo) do que por outro (que é daquela menos electronegativo), o que confire polaridade eléctrica parcial ás moléculas formadas por enlaces deste tipo. Este fenómeno ten unha grande importancia no que se refire ás características (e, por tanto, tamén ás funcións) das biomoléculas.

Dous exemplos de enlaces covalentes moi importantes en biomoléculas son os seguintes.

• O hidróxeno, H, é un elemento moi abundante nas biomoléculas e de comportamento moi pouco electronegativo nos enlaces covalentes. Canto máis abundante é nas moléculas, máis reducidas dicimos que están e máis capacidade teñen para se oxidaren. A oxidación libera enerxía e esta é aproveitada mediante procesos fisiolóxicos para que os seres vivos realicen as funcións vitais.

• O fósforo, P, forma, mediante enlaces covalentes, un composto con osíxeno e hidróxeno que se chama ácido ortofosfórico, H₃PO₄. Este composto únese á súa vez covalentemente a outras biomoléculas, formando por exemplo o ATP (adenosín trifosfato, con tres ácidos ortofosfóricos). A formación destes enlaces require de moita enerxía, proveniente en última instancia por exemplo da oxidación de moléculas orgánicas á que nos referimos no punto anterior. Reciprocamente, a rotura deses enlaces libera gran cantidade de enerxía. Deste xeito, o ATP funciona como moeda de intercambio enerxético nos seres vivos.

FIGURA 1: Ácido ortofosfórico

Existen tamén combinacións concretas de grupos de átomos que son especialmente frecuentes e que confiren propiedades importantes ás biomoléculas nas que se atopan. Son os chamados grupos funcionais. Algúns dos grupos funcionais máis importantes son os seguintes:

TÁBOA 1: Grupos funcionais

• Grupo hidroxilo, que dá ás biomoléculas o nome de alcois. O etanol, ou alcohol etílico, con dous carbonos e un grupo hidroxilo, é o que está presente nas chamadas bebidas alcohólicas. A molécula de glicerina ten tres carbonos con cadanseu grupo hidroxilo.

• Grupo carbonilo, que dá ás biomoléculas o nome de aldehido (se se sitúa nun carbono terminal) ou cetona (en caso contrario). Están presentes nos glícidos máis simples, os monosacáridos, nos que entre doutras cousas cumpren a importante función de permitiren que adopten estrutura cíclica.

• Grupo amino, que dá ás biomoléculas o nome de aminas, como por exemplo ás vitaminas. En realidade non todas as vitaminas teñen grupo amino, pero foron bautizadas nun momento en que todas as que se coñecían o tiñan.

• Grupo carboxilo, que dá ás biomoléculas o nome de ácidos carboxílicos. Os aminoácidos son as pezas sinxelas (monómeros) que por concatenación forman as proteínas (polímeros). Teñen un grupo amino e un grupo carboxílico que de feito permiten a devandita concatenación: o grupo amino dun aminoácido reacciona co grupo carboxilo doutro formándose o chamado enlace peptídico a través do que fican unidos covalentemente. Os ácidos graxos tamén son exemplos de ácidos carboxílicos, importantes representantes do grupo dos lípidos.

• Grupo éster, nas biomoléculas do mesmo nome. Pode formarse pola reacción dun grupo carboxilo cun grupo hidroxilo, coma no caso dos triacilglicéridos, formados pola reacción dos grupos carboxilo de tres ácidos graxos cos tres grupos hidroxilo dunha molécula de glicerina.

FIGURA 2: Triacilglicérido

Unións febles

• Os enlaces iónicos poden definirse como un caso extremo dun enlace covalente xa que se forma cando un electrón pasa do orbital dun átomo ó doutro átomo, ficando os dous unidos pola forza de atracción entre a carga positiva do primeiro e a negativa do segundo. Se ben esta atracción pode ser forte, fica máis feble en medio acuoso, pola distorsión das cargas parciais das moléculas de auga. En efecto, nestas moléculas o osíxeno ten carga parcial negativa e os hidróxenos positiva, por ser o primeiro máis electronegativo ca os segundos. Os enlaces entre enzima (proteína que cataliza a reacción dun substrato nun produto) e substrato a miúdo implican este tipo de interaccións, que permiten que a enzima se libere facilmente do produto así que remata a reacción, para ficar dispoñíbel para unha nova molécula de substrato.

FIGURA 3: Interacción entre enzima e substrato

• As forzas de van der Waals son forzas moi febles que se producen entre átomos próximos posibelmente por coordinacións de cargas parciais entre os seus orbitais. Se ben estas forzas non son quen de impedir que dous átomos se separen, si poden conseguir que dúas grandes moléculas con formas complementarias permanezan xuntas, simplemente porque encaixan. A miúdo contribúen xunto cos enlaces iónicos á formación do complexo enzima-substrato antes referido e tamén son responsábeis da unión de anticorpos a antíxenos, de importancia crucial para o funcionamento do sistema inmunolóxico que nos defende de infeccións.

FIGURA 4: Unión antíxeno-anticorpo

• Os enlaces ponte de hidróxeno fórmanse entre un hidróxeno unido covalentemente a un átomo electronegativo e outro átomo electronegativo. Un dos exemplos máis significativos deste tipo de enlace é o que se produce no ácido desoxirribonucleico, ADN, entre bases nitroxenadas complementarias. A desestabilización destes enlaces febles provoca a separación das dúas cadeas complementarias do ADN para, por exemplo, acceder á información dun xene. Unha vez esta información foi usada, as dúas cadeas poden formar de novo os enlaces ponte de hidróxeno que as manteñen unidas en forma de dobre hélice.

FIGURA 5: Dobre hélice de ADN

• As interaccións hidrofóbicas manteñen unidas, en ambiente acuoso, moléculas que non teñen grupos funcionais que establezan enlaces ponte de hidróxeno coas moléculas de auga, permitindo deste xeito que as moléculas de auga formen o maior número destes enlaces entre elas e con outras moléculas coas que os poden establecer. Este tipo de forzas de repulsión manteñen por exemplo a conformación das membranas celulares, tanto da membrana plasmática como das de orgánulos internos coma o núcleo e os retículos endoplásmicos. Tamén son fundamentais para determinar a conformación espacial que adquiren moitas proteínas e sen a cal non poderían cumprir as súas funcións.

FIGURA 6: Bicapa lipídica que se mantén unida (pero non “pegada”, senón con liberdade de movemento) por interaccións hidrofóbicas entre as rexións que non interactúan coa auga (en gris) dos fosfolípidos, cuxas partes hidrofílicas (en vermello) si fican expostas.

Ao longo do texto anterior apareceron exemplos dos catro grandes grupos de moléculas orgánicas: glícidos, lípidos, prótidos e ácidos nucleicos, e mais o grupo de moléculas pouco frecuentes pero indispensábeis en pequenas cantidades para a vida, as vitaminas.

CURRÍCULO: Bioloxía 2º Bacharelato ( Bloque 1. A base molecular e fisicoquímica da vida).

PROPOSTA REALIZADA POR: José María Álvarez-Castro.

FONTES:

• Na Táboa: Grupo hidroxilo:De Jü – Obra propia, Dominio público; Aldehido: CC BY-SA 3.0; Cetona: De Jü – Obra propia; Grupo amino: By Kes47 (?) – File:Primary-amine-2D-general.png; Grupo carboxilo: De De.Nobelium – Obra propia;  Grupo éster: De FFSepp – Obra propia.
• Figura 1: domínio público.
• Figura 2: dominio público.
• Figura 3: De myself, based on TimVickers’ work and Fvasconcellos vectorization – based on Image:Induced_fit_diagram.svg, Dominio público.
• Figura 4: de Fvasconcellos – File:Antibody.svg in Commons (originally File:Antibody.png, a Work of the United States Government in public domain), CC0.
• Figura 5: de DNA Structure+Key+Labelled.pn NoBB.png: Zephyrisderivative work:Miguelferig – Este ficheiro derivou de:  DNA Structure+Key+Labelled.pn NoBB.png:, CC BY-SA 3.0.
• Figura 6: de Bensaccount. Dominio público.