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martes, 21 de enero de 2014

Química Analítica Cualitativa. Burriel Martí.






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Bases químicas de la vida. Fundamentos químicos.

Características del ácido fosfórico.

El ácido fosfórico presenta un doble enlace P=O


Este doble enlace está formado por un par de electrones σ y un par de electrones π. Estos electrones π son atraídos por el oxígeno, de manera tal que el oxígeno queda con una carga negativa mientras que el fósforo queda con una carga positiva (no son densidades de carga, son cargas netas). Estas cargas se deslocalizan formando estructuras de resonancia, estabilizando la molécula. Estas cargas que se generan son muy importantes en las interacciones no covalentes. La estructura del ácido fosfórico es un híbrido de resonancia:

Por ejemplo, esto posibilita la estructura de doble cadena del ADN en los cuales los grupos fosfatos se encuentran dispuestos hacia un extremo de la molécula de ADN.

La molécula de ADN está formada por una hebra en posición 3'→5' y una hebra complementaria en posición 3'→5' y hacia el centro de estas estructuras parten las bases nitrogenadas que interactúan entre sí a través de puentes de hidrógeno (es decir, de uniones no covalentes). Hacia afuera de esta doble hélice se disponen los grupos fosfatos. Estos grupos fosfatos se encuentran cargados negativamente por resonancia. Estas cargas negativas van a posibilitar que esa molécula de ADN que es la que se representa en azul, rojo y blanco en la siguiente figura, pueda interactuar con una proteína (que se ve en color gris). Esta interacción de esta proteína con el ADN se establece con las cargas negativas de estos grupos fosfatos de manera específica.







Entonces estas cargas negativas generadas por resonancia establecen plataformas de interacción de diferentes moléculas.

Energía de los enlaces.

Desde el punto de vista biológico, las interacciones covalentes son mucho más fuertes y más estables que las interacciones no covalentes. Es decir que para romper una unión covalente se requiere de mucha energía, se requiere mucho aporte energético para romper uniones covalentes, por ejemplo, una unión C-C. La energía térmica a 25°C, normalmente, es 0,6 kcal/mol.


Para romper un enlace C=C se requieren 0,24.103kcal/mol, es decir, se requiere muchísima energía térmica a 25°C para romper ese doble enlace C=C. Esta alta estabilidad energética hace que estas uniones covalentes constituya la base arquitectónica de las estructuras de las biomoléculas. Mientras tanto, las interacciones no covalentes son mucho más lábiles desde el punto de vista energético. Por ejemplo, podemos ver que para romper un puente de hidrógeno sólo necesitamos 2,4 kcal/mol, es decir, mucho menos que los 240 kcal/mol que necesitamos para romper un enlace C=C. Entonces podemos decir que las interacciones no covalentes son muy inestables desde el punto de vista energético.

Si bien las interacciones no covalentes son muy débiles desde el punto de vista energético, son muy importantes, porque posibilitan la estabilización de estructuras y la interacción de moléculas entre sí.


En la figura podemos ver una proteína. Esta proteína que vemos en azul tiene un sitio catalítico, es decir, es una proteína que actúa como una enzima. Ese sitio catalítico es lo que podemos ver representado con unas esferas rojas, las cuales representan una molécula de ATP. En este sitio catalítico la enzima fosforila a un sustrato: el sustrato se ubica en ese sitio catalítico y lo fosforila. Pero podemos ver que este sitio catalítico se encuentra ocluido por dos loops (en amarillo), de manera tal que ningún sustrato puede interactuar con el ATP para ser fosforilado. Toda esta estructura que está adaptada a su función depende de las interacciones no covalentes. Si bien es una proteína que resulta de la unión covalente de sus aminoácidos (uniones peptídicas) altamente estables desde el punto de vista energético, esta disposición tridimensional en el espacio está dada por interacciones no covalentes.

Cuando esta estructura, estabilizada por uniones no covalentes, interactúa con otra proteína (en la figura está representada en color verde) ambas interactúan entre sí por uniones no covalentes. Lo que hace esta interacción transitoria, débil desde el punto de vista energético, es desplazar a estos dos loops (en amarillo) y abrir el sitio catalítico para que todas aquellas moléculas que deban ser fosforiladas puedan entrar y tomar contacto con la molécula de ATP.

Entonces la estabilización y la interacción de las moléculas se fundamenta en la presencia de las uniones no covalentes.

• Los enlaces covalentes son muy estables porque las energías requeridas para romperlos son muy altas.

• La energía requerida para romper las interacciones no covalentes en mucho menor porque son más débiles. EXISTENCIA TRANSITORIA.

Sin embargo múltiples interacciones no covalentes pueden actuar juntas para producir asociaciones altamente estables y específicas.

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 estrutcturas cristalinas.

En soluciones acuosas, los iones simples como Na+, K+, Ca2+, Mg2+ y Cl- se encuentran hidratados. Previamente vimos que 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 A- , y 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.