Desde algo tan simple como el aire, hasta algo tan complejo como el ADN: todo lo que nos rodea puede reducirse a diminutas partículas llamadas átomos. Si los átomos permanecieran por separado, ningún tipo de molécula o compuesto (orgánico o inorgánico) existiría. Pero, ¿Cómo se combinan estos átomos y qué los mantiene unidos?
Aquí hablaremos del enlace químico: qué es, cómo y por qué se forman. Además, veremos los diferentes tipos de enlaces químicos, incluyendo los enlaces bioquímicos que forman las biomoléculas; es decir, ¡los que forman las moléculas que componen a los seres vivos!
¿Qué son los enlaces bioquímicos?
Toda la materia, viva o no viva, está formada por átomos. Los átomos son partículas minúsculas, que contienen un núcleo central de carga positiva, rodeado de una nube de electrones de carga negativa.
Cuando los átomos se enlazan entre sí, forman moléculas; y cuando las moléculas se enlazan entre sí, forman compuestos más grandes.
La forma en que se enlazan los átomos es a través de enlaces químicos, y los enlaces bioquímicos son un tipo de enlace químico mediante el cual se forman las biomoléculas.
Los enlaces químicos son las uniones que se forman entre átomos cuando comparten o transfieren sus electrones.
Recapitulemos brevemente qué es la materia, los elementos y los átomos.
- Cualquier sustancia que ocupe espacio y tenga masa se denomina materia. La materia está formada por una combinación de elementos químicos.
- Los elementos químicos son unidades de materia que no pueden descomponerse ni convertirse en otras sustancias mediante reacciones químicas ordinarias.
- Los átomos se definen como las unidades más pequeñas de un elemento que mantienen todas las propiedades diferentes de ese elemento. Los átomos están compuestos por protones, electrones y neutrones. Los átomos pueden transferir, compartir o provocar diferencias de carga en los electrones para formar enlaces químicos.
Regla del octeto
La formación de algunos tipos de enlaces químicos puede explicarse con la regla del octeto, que está relacionada con la configuración electrónica de los átomos y su estabilidad. La configuración de los electrones se refiere a la distribución y disposición de los electrones en capas y órbitas alrededor del núcleo de un átomo. La capa de electrones más externa de un átomo, se denomina capa de valencia.
La regla del octeto establece que los átomos forman enlaces químicos entre sí porque son más estables cuando su capa de valencia está llena de electrones.
Los átomos cuyas capas de valencia están incompletas (menos de ocho electrones) tienden a interactuar con otros átomos de forma que cada uno de ellos llena su capa de valencia. Para esto, los átomos comparten o transfieren sus electrones de valencia, lo que provoca que los átomos permanezcan cerca unos de otros, unidos por enlaces químicos.
Aunque la mayoría de átomos pueden tener hasta ocho electrones en su capa de valencia, no todos tienen esta característica. El hidrógeno, por ejemplo, puede tener solamente hasta dos electrones de valencia.
Tipos de enlaces
Cualquier unión entre átomos es un enlace químico, pero cuando las moléculas que se forman son biomoléculas, los enlaces que los unen se denominan enlaces bioquímicos.
Biomoléculas son moléculas construidas a partir de bioelementos y que son indispensables para la composición y procesos vitales de los seres vivos.
Bioelementos son los elementos químicos que forman parte de la materia viva.
El Oxígeno, Carbono, Hidrógeno y el Nitrógeno constituyen el 95% de la masa de los seres vivos. Casi todo el cuerpo de los seres vivos está formado por esos cuatro bioelementos.
Antes de entrar de lleno a los enlaces bioquímicos veremos en detalle los diferentes tipos de enlaces químicos:
- Enlaces intramoleculares
- Enlaces intermoleculares
Para los enlaces bioquímicos, veremos los que se forman entre las biomoléculas orgánicas:
- Enlaces o-glucosídicos
- Enlaces peptídicos
- Enlaces éster
- Enlaces fosfodiéster
Las biomoléculas orgánicas poseen un esqueleto compuesto de carbono y son exclusivas de los seres vivos.
Enlaces intermoleculares e intramoleculares
Veremos los siguientes enlaces:
- Enlaces intramoleculares: son enlaces fuertes que implican un cambio químico, es decir, la creación de una nueva molécula. En otras palabras, se encuentran dentro de una molécula. Incluye los enlaces iónicos y covalentes.
- Enlaces intermoleculares: son enlaces débiles que no implican un cambio químico en las moléculas que intervienen. En otras palabras, se forman entre moléculas. Incluyen los enlaces de hidrógeno y las interacciones de Van der Waals.
¿Qué son los enlaces covalentes?
Un enlace covalente es un tipo de enlace químico que se forma cuando los átomos comparten electrones en su capa de valencia (Fig. 1). Entre los distintos tipos de enlaces químicos, los covalentes son los más fuertes.
El hidrógeno tiene 1 electrón de valencia, pero su capa de valencia puede contener hasta 2 electrones. Cuando dos átomos de hidrógeno se acercan, acaban compartiendo sus electrones (cada uno comparte el único que tiene) de forma que cada átomo de hidrógeno se asocia con 2 electrones, completando sus capas de valencia. Con los dos átomos de hidrógeno unidos por un enlace covalente, acabamos teniendo una molécula de hidrógeno (H2).
En el caso de una molécula de hidrógeno (H2), tenemos un enlace entre un par de electrones compartidos, el cual se denomina enlace simple. Pero en otros casos, podemos tener dos o más pares de electrones compartidos. Por ejemplo, el oxígeno tiene 6 electrones en su capa de valencia, por lo que necesita 2 electrones para completarla. Cuando dos átomos de oxígeno se unen, producen una molécula de oxígeno (O2) al compartir dos pares de electrones, formando un doble enlace (Fig. 1). Del mismo modo, dos átomos de nitrógeno forman una molécula de nitrógeno (N2) compartiendo tres electrones, creando un triple enlace.
Los átomos comparten los electrones en mayor o menor medida dependiendo de la electronegatividad de los elementos. La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones: cuanto más alta es su electronegatividad, más fuertemente atrae un átomo los electrones compartidos hacia sí mismo.
- Cuando los átomos tienen la misma electronegatividad, los electrones se comparten por igual. El resultado es un enlace covalente no polar como en la molécula de oxígeno (O2).
- Cuando los átomos tienen diferente electronegatividad, los electrones no se comparten por igual, lo que da lugar a un enlace covalente polar. Un enlace covalente polar produce una región parcialmente positiva (δ+) en un lado de la molécula y una región parcialmente negativa (δ-) en el otro. La molécula de agua (H₂O) posee un enlace covalente polar, donde el oxígeno presenta una carga parcialmente negativa porque es más electronegativo que el hidrógeno .
¿Qué son los enlaces iónicos?
Hay casos en los que los átomos son tan desiguales en su electronegatividad que el átomo más electronegativo le quita completamente los electrones al átomo menos electronegativo. El movimiento de electrones de un elemento a otro se denomina transferencia de electrones (Fig. 2). Esto da lugar a átomos o moléculas con carga opuesta llamados iones.
- A los iones con carga positiva que se forman cuando un átomo pierde electrones, se les llama cationes.
- Por otro lado, los iones con carga negativa que se forman cuando un átomo gana electrones se llaman aniones.
Los aniones se distinguen por la adición del sufijo “-uro” al final de su nombre elemental. Por ejemplo, el anión del yodo es el yoduro, mientras que el anión del cloro es el cloruro.
La atracción entre aniones y cationes conduce a la formación de enlaces iónicos. Los compuestos resultantes formados por enlaces iónicos se denominan compuestos iónicos o sales. Los enlaces iónicos suelen ser más débiles que los covalentes.
Los enlaces iónicos son enlaces químicos formados entre iones con cargas opuestas donde un ion tiene carga positiva (catión) y el otro carga negativa (anión).
La sal de cocina, está formada principalmente por cloreto de sodio (NaCl), el sodio (Na) y el cloro (Cl) están unidos por enlaces iónicos (Fig. 2).
- Por un lado, el sodio solamente tiene un electrón de valencia. Esto significa que es más eficiente energéticamente donar ese electrón que aceptar siete electrones más para completar su capa de valencia. Si el sodio dona su electrón, acaba teniendo 11 protones, 11 neutrones y 10 electrones, lo que le da una carga neta de +1. Esto hace que el sodio sea un catión.
- Por otro lado, el cloro tiene siete electrones en su capa de valencia. Esto significa que es más eficiente energéticamente aceptar un electrón que donar siete. Si el cloro acepta un electrón, acaba teniendo 17 protones, 17 neutrones y 18 electrones, lo que le da una carga neta de -1. Esto hace que el cloro sea un anión.
Cuando los iones de sodio cargados positivamente y los iones de cloruro cargados negativamente interactúan, forman un enlace iónico, produciendo cloruro de sodio (o sal de mesa), una molécula con una carga neta de 0.
Algunas sales, como el sodio, el potasio y el calcio, son electrolitos. Estos iones ayudan a la conducción de los impulsos nerviosos, a las contracciones musculares y al equilibrio hídrico. Por ello, las bebidas deportivas suelen aportar electrolitos, ya que estos iones suelen perderse del cuerpo cuando sudamos.
Los electrolitos son minerales, con carga eléctrica, que se encuentran en la sangre y en otros fluidos corporales.
¿Qué son los enlaces de hidrógeno?
Las interacciones químicas más débiles son igualmente importantes para mantener la vida. Estas interacciones débiles incluyen los enlaces de hidrógeno y las interacciones de Van der Waals.
En moléculas polares, como una molécula de agua, un átomo de hidrógeno adquiere una carga positiva parcial y el otro una carga parcial negativa. Esto provoca que la región parcialmente positiva sea atraída por los átomos electronegativos cercanos (en la Fig. 3, los oxígenos parcialmente negativos de otras moléculas de agua).
Se denomina enlace de hidrógeno a la atracción entre la carga parcial positiva del hidrógeno y la carga parcial negativa de los átomos electronegativos de otra molécula (flúor, oxígeno o nitrógeno).
Fuerzas de van der Waals
Las fuerzas o interacciones de van der Waals también son fuerzas intermoleculares débiles. Al igual que con los enlaces de hidrógeno, se forman por la atracción entre la carga parcial positiva de un átomo y la carga parcial negativa de otro. Difieren en que las fuerzas de van der Waals se dan entre moléculas diferentes a las involucradas en los enlaces de hidrógeno.
Las interacciones de Van der Waals pueden observarse en la formación de la estructura tridimensional de las proteínas.
Algunos insectos pueden caminar encima del agua gracias a las fuerzas de van der Waals.
Tipos de enlaces bioquímicos
Como mencionamos antes, los enlaces bioquímicos son los que forman las biomoléculas. El enlace intramolecular más importante en la formación de biomoléculas es el enlace covalente. También encontramos enlaces intermoleculares en biomoléculas más complejas (las que tienen más de un nivel estructural), que mantienen unidos sus componentes.
El ADN está, generalmente, formado por dos cadenas de ácidos nucleicos. Cada cadena (estructura primaria) se forma por enlaces covalentes entre nucleótidos, y las dos cadenas se mantienen unidas (estructura secundaria) por enlaces de hidrógeno entre sus nucleótidos.
El carbono es la molécula clave que forma los esqueletos de las biomoléculas; por lo tanto, es el que proporciona muchas de las características principales de los enlaces bioquímicos. El carbono tiene 4 electrones de valencia, por lo que necesita compartir estos con otros 4 para cumplir la regla del octeto. Debido a esto, el carbono puede formar hasta 4 enlaces covalentes (cuando son simples), lo que permite la formación de moléculas grandes y complejas.
A continuación, describimos brevemente los enlaces bioquímicos que forman las biomoléculas orgánicas grandes:
Cuando hablamos de biomoléculas orgánicas, incluimos las moléculas básicas como aminoácidos, monosacáridos, nucleótidos, ácidos grasos y glicerol, pero también las moléculas más grandes que estos forman al unirse.
Estas biomoléculas grandes (también llamadas macromoléculas biológicas), son las proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos. Normalmente, el término de enlaces bioquímicos se aplica solo a los enlaces covalentes que forman las biomoléculas grandes. Las moléculas básicas, algunas llamadas monómeros, se unen por medio de una reacción química de condensación; en este proceso se elimina una molécula de agua, al formarse el enlace covalente entre dos monómeros (Fig. 4).
Puedes encontrar información más detallada de cada tipo de enlace en los artículos dedicados a cada macromolécula: Ácidos nucleicos, Proteínas, Glúcidos y Lípidos.
Enlace peptídico
Lo encontramos en las proteínas. Es el que mantiene la estructura primaria de las proteínas (la cadena polipeptídica de aminoácidos).
El enlace peptídico es el enlace covalente que se forma entre los aminoácidos que componen una proteína.
Enlace fosfodiéster
Lo encontramos en moléculas de ADN y ARN. Mantiene la estructura primaria de estas moléculas (las largas cadenas de nucleótidos).
El enlace fosfodiéster es el enlace covalente que se forma entre los nucleótidos que componen los ácidos nucleicos.
¿Qué es un enlace o-glucosídico?
Este tipo de enlace forma las moléculas de carbohidratos, como la sacarosa, el almidón, el glucógeno y la celulosa.
El enlace o-glucosídico es el enlace covalente que se forma entre los monosacáridos que componen un polisacárido.
Enlace éster
Forma las moléculas de lípidos o grasas.
El enlace éster es el enlace covalente que se forma entre los ácidos grasos y el glicerol, componentes básicos de los lípidos.
Enlaces bioquímicos - Puntos clave
- Los átomos forman enlaces químicos porque los elementos son más estables cuando su capa de valencia (la más externa) está llena de electrones, según la regla del octeto.
- Un enlace químico puede ser fuerte y formar una nueva molécula (intramolecular) o ser débil entre moléculas y no provocar un cambio químico (intermolecular). Un enlace intramolecular se establece cuando los átomos comparten electrones (covalente) o los transfieren; es decir, un átomo los dona y otro los toma (iónico).
- Cuando los átomos tienen la misma electronegatividad, los electrones se comparten por igual. El resultado es un enlace covalente no polar.
- Cuando los átomos tienen diferente electronegatividad, los electrones no se comparten por igual; esto da lugar a un enlace covalente polar.
- Los enlaces iónicos son enlaces químicos formados entre iones con cargas opuestas.
- Los enlaces bioquímicos son enlaces químicos covalentes entre biomoléculas pequeñas que forman biomoléculas grandes: Los aminoácidos forman proteínas; los nucleótidos, ácidos nucleicos; los monosacáridos, di y polisacáridos; y los ácidos grasos y el glicerol, lípidos.
Los enlaces intermoleculares son importantes para mantener la cohesión entre moléculas orgánicas (como las cadenas que forman una proteína) e inorgánicas (agua). Se forman por la diferencia en la distribución de cargas dentro de una molécula donde la carga parcial negativa de una molécula es atraída por la carga parcial positiva de la otra.
References
- Zedalis, Julianne, et al. Advanced Placement Biology for AP Courses Textbook. Texas Education Agency.
- Reece, Jane B., et al. Campbell Biology. Eleventh ed., Pearson Higher Education, 2016.
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