ENLACES QUÍMICOS Y LA MATERIA VIVA

ASOCIACIÓN UNIVERSIDAD PRIVADA SAN JUAN BAUTISTAFacultad de Ciencias de la Salud

Escuela de Medicina HumanaCurso : Biología Molecular y Celular

• El análisis químico de la materia (viva e inerte) ha demostrado que ella se compone de átomos, quienes interaccionan unos con otros, a través de enlaces covalentes e interacciones débiles.

El Carbono• Es el principal elemento que constituye la materia

viva. Su capacidad de formar enlaces covalentes (4 en simetría tetraédrica) con otros elementos o consigo mismo (C-C) determina la estructura tridimensional de la mayoría de polímeros orgánicos (Ej. ADN, Glucógeno, Insulina, etc.).

• La forma como se enlaza a otros átomos como el Nitrógeno, Oxigeno, Hidrógeno o consigo mismo, determina la existencia de funciones químicas con propiedades particulares.

El átomo de Carbono

sp sp3

sp2

Hibridaciones en el átomo de

carbono

Enlace simple Enlace doble

Enlace triple

Enlaces que puede establecer el enlace

de carbono

¿Como se forman las Biomoléculas?

• Estas resultan de la unión de determinados átomos en un ordenamiento tridimensional muy particular y especifico, que dota a la molécula de propiedades casi únicas con respecto a otras.

• La unión de los diversos elementos componentes (átomos) se da a través de sus nubes electrónicas (e- externos) mediante el establecimiento de enlaces e interacciones.

• Los enlaces pueden ser clasificados en:

Enlaces Iónicos

• Se forma entre un metal y un no-metal, en los cuales uno o más electrones migran permanentemente de la nube electrónica de un átomo a la de otro, lo cual otorga una carga eléctrica netas a cada uno de los elementos enlazantes.

• Son enlaces relativamente débiles (-5 kCal/Mol), inestables en soluciones acuosas u otros solventes polares. Se dan a una distancia interatómica de 0.9 a 1.1 Å. Se presentan en forma escasa en los biopolímeros, pero son muy abundantes en las biomoléculas inorgánicas.

• El Cloruro de sodio (sal de mesa) es una molécula en donde sus átomos se unen por enlaces iónicos

Enlace covalente

• Se da cuando un par de átomos (ambos no-metales) comparten, cuando menos, un par de electrones.

•

• Son los más abundantes en las moléculas biológicas.

• Son difíciles de romper (ΔG = -50 a -110 kcal/mol), se caracterizan por tener una distancia interatómica muy pequeña (0.74 Å). De acuerdo a las características de los átomos que se enlazan pueden ser Polares o Apolares

Los enlaces covalente de los bioelementos primarios

• El carbono tiene cuatro electrones de valencia. Debido a esto formará 4 enlaces covalente que podrían ser:– Cuatro simples – Uno doble y dos simples – Dos dobles – Uno simple y uno triple

• E.C. Apolar.- Se da cuando se enlazan átomos similares (ej. C-C) o que tienen una electronegatividad de valor muy cercano. Se caracterizan por que los electrones compartidos tienen la misma probabilidad de permanecer en las nubes electrónicas de ambos átomos.

• E.C. Polar.- Se da en la unión de átomos con valores diferentes de electronegatividad, lo cual hace que los electrones sean atraídos con mayor fuerza por uno de los núcleos, otorgándole, a este, una carga parcial negativa.

Enlace covalente apolar

Enlace covalentes: lípidos

• Los enlaces que forman las largas cadenas carbonadas de moléculas como los lípidos se forman por enlaces covalentes apolares

Enlace covalente polar

La molécula de agua se mantiene unida por enlaces covalentes polares

Enlace covalentes: agua

Interacciones Moleculares

• Las interacciones moleculares son fuerzas débiles de naturaleza cohesiva o repulsiva, que se dan entre átomos (enlazados o libres) a una distancia relativamente grande. Estos son especialmente importantes en la determinación de la estructura tridimensional de los grandes biopolímeros. Además, su formación y ruptura facilita la transformación de una molécula en otra durante el metabolismo.

• Estas pueden ser clasificadas en:

Enlaces o Puentes de Hidrógeno

• Es un enlace que se establece entre moléculas capaces de generar cargas parciales.

Estos resultan de la interacción electrostática entre el hidrógeno presente en una molécula, con una carga parcial positiva, (producto de estar enlazado covalentemente a una átomo electronegativo) y un átomo fuertemente electronegativo presente en otra molécula o en una región muy alejada de la misma.

Tienen una energía de tan solo de ΔG = -3 a -7 kCal/Mol y se forman a una distancia de 1 Å

Importancia de los Puentes de hidrógeno

Interacciones Hidrofóbicas

• Son fuerzas de empaquetamiento que se dan como resultado de la repulsión que tienen las largas cadenas alifáticas (de moléculas como los lípidos o algunas proteínas) por el agua, lo que resulta en que la molécula trate de exponer la menor área al ambiente acuoso, lo determina un empaquetamiento.

• Estas son interacciones bastante débiles, del orden de los -3 a -5 kCal/Mol, que se dan a una distancia interatómica de 1.2 Å

• Importancia de las interacciones hidrofóbicas

• Fuerzas de Van der Waals.- Estas son fuerzas cohesivas de coordinación electrónica que se dan cuando las moléculas se encuentran muy cercanas.

• Estas pueden ser clasificadas en interacciones dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido, dipolo inducido-dipolo inducido; de acuerdo a la naturaleza del fenómeno que cause la coordinación.

• Son fuerzas extremadamente débiles con un ΔG= -2 kcal/mol y una distancia interatómica de 1.2 Å.

Importancia de las interacciones dipolo-dipolo

GRUPOS FUNCIONALES DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS

Grupos funcionales • Los grupos funcionales son agrupaciones bien

establecidas de átomos, que le confieren, a las moléculas de las cuales forman parte, propiedades químicas comunes.

• Los grupos funcionales presentes en las moléculas orgánicas son extremadamente importantes para determinar la reactividad de las moléculas, y por lo tanto, como y con quien reaccionaran o interactuaran.

• Las principales funciones orgánicas que podemos citar son:

Funciones orgánicas

• Agrupaciones características de átomos

ALCOHOLES

• Se denomina alcohol a aquellos derivados de hidrocarburos saturados o alcanos que contienen un grupo (-OH) en sustitución de un átomo de hidrógeno. Responden a la fórmula general CnH2n+1+OH.

• Los alcoholes primarios y secundarios son líquidos incoloros y de olor agradable, solubles en el agua en cualquier proporción y menos densos que ella. Los terciarios en cambio son todos sólidos.

Los alcoholes en la naturaleza son fundamentalmente producidos por fermentación bacteriana, estas sustancias tienen efectos sobre el sistema nervioso central.

• El metanol es muy tóxico, produce ceguera y se emplea como solvente para barnices, el etanol 100% puro es venenoso pero en solución acuosa además de tener propiedades antisépticas puede emplearse en bebidas de moderación.

• Alcoholes cíclicos.- Son hidrocarburos de cadena cerrada. Los ciclos también pueden presentar insaturaciones. Se nombran igual que los hidrocarburos (alcanos, alquenos o alquinos) del mismo número de átomos de carbono, pero anteponiendo el prefijo "ciclo-".

• Metanol Etanol

• Fenol

Reacciones en las que participan los alcoholes

• Oxidación:

Alcohol primario: Se utiliza la Piridina (Py) para detener la reacción en el aldehído.

Cr03 / H+ se denomina reactivo de Jones

Alcohol terciario.- No se oxida.

• Síntesis de ésteres.- Empleado en la sintesis y metablismo de lípidos.

• Síntesis de éteres

• Síntesis de éteres de Williamson:

Siendo L un buen grupo saliente (I,Br,Cl)

ALDEHIDOS Y CETONAS

• Si los alcoholes constituyen el primer grado de oxidación de los hidrocarburos, los aldehídos y las cetonas representan el segundo. Se ha visto anteriormente que los alcoholes primarios se oxidan en aldehídos y los secundarios en cetonas.

Formaldehido

• Los Aldehidos y cetonas dan su olor característico a frutas y flores

• La existencia de ambos tipos de compuestos del grupo carbonilo implica una serie de propiedades comunes, que dependen de la reactividad del doble enlace de dicho grupo.

• Con la excepción del metanal, que es un gas, los aldehídos y cetonas (hasta diez átomosde carbono) son líquidos de olor agradable, muy solubles en solventes orgánicos, siendo solubles en agua tan solo los más ligeros

• Esta solubilidad en agua aumenta al agregar disoluciones de ácidos fuertes, puesto que aceptan protones y forman sales de oxonio.

• Los cuerpos cetónicos son los únicos combustibles de los que dispone un recién nacido durante los primeros días post-parto

Reacciones en las que participan aldehidos y cetonas

Oxidación:

Reducción:

Hidruro

• Hidrogenación

• Reducción de Clemmensen

• Síntesis de Hemiacetal.- A partir de la reacción de un alcohol y un aldehído.

• Síntesis de Acetal.- Se forma de la reacción de un hemiacetal y un alcohol.

CH3C

O

OCH3

H

HH

OH

H3C O+H

C

H3C

OH3C

O

CH3

H

CH3C

H

CO

CH3C

OH

Ácidos Carboxílicos

• Son compuestos que contienen el grupo carboxilo (-COOH).

• Este, es el origen de una serie de compuestos orgánicos como los haluros de ácido (RCOCl), los anhídridos de ácido (RCOOCOR), los ésteres (RCOOR´) y las amidas (RCONH2). Su principal característica es como su propio nombre indica, es la acidez.

• Los compuestos caboxílicos son capaces de formar enlaces mediante puentes de H, aumentando su punto de ebullición.

• El ácido carboxílico más simple, el ácido fórmico, es el causante de la irritación causada por la picadura de las hormigas (del latín formica, hormiga).

• El ácido acético se aisló del vinagre, cuyo nombre en latín es acetum (agrio).

• El ácido propiónico se consideró como el primer ácido graso, y su nombre deriva del griego protos pion (primera grasa).

• El ácido butírico se obtiene por oxidación del butiraldehído, que se encuentra en la mantequilla (en latín butyrum).

• Los ácidos caproico, caprílico y cáprico se encuentran en las secreciones cutáneas de las cabras (capri en latín).

El lactato (un ác. Carboxílico) producido durante el ejercicio intenso, es responsable de la sensación de cansancio y dolor muscular.

Reacciones en las que participan los ácidos carboxílicos

Reducción de ácidos carboxílicos

• Síntesis de ésteres.- Los ácidos carboxílicos reaccionan con alcoholes, en presencia de un catalizador ácido, formando ésteres y agua (reacción de esterificación de Fischer).

• Saponificación.- Los ésteres se pueden hidrolizar no solo en medio ácido, sino también en medio básico. El proceso de hidrólisis básica de los ésteres se denomina saponificación.

• Amidas.- Se pueden formar a partir de cloruros de ácido, de ésteres, de ác carboxílicos e incluso de sales de ác carboxílicos. Todos estos métodos implican la adición nucleofílica de amoniaco o de aminas, seguida de eliminación del correspondiente grupo saliente.

• Las amidas pueden ser primarias, secundarias y terciarias:

• Preparación de anhidros ácidos (polímeros):

AMINAS

• Se pueden considerar compuestos derivados del amoníaco (NH3) al sustituir uno, dos o tres de sus hidrógenos por radicales alquílicos o aromáticos. Según el número sustituciones se denominaran aminas primarias, secundarias o terciarias.

• Todas las aminas, forman puentes de hidrógeno con disolventes hidroxílicos (ej. agua y alcoholes). La propiedad más característica de las aminas es su olor a pescado descompuesto.

• Algunas diaminas son especialmente pestilentes y sus nombres comunes describen correctamente sus olores (putrescina, cadaverina).

• Las aminas funcionan en los organismos vivos como biorreguladores, neurotransmisores, en mecanismos de defensa y en muchas otras funciones más. Debido a su alto grado de actividad biológica muchas aminas se emplean como medicamentos.

Actualmente, es muy utilizada por los odontólogos. Funciona al evitar que los nervios envíen señales de dolor.

Lidocaína