el enlace puente hidrÓgeno y sus aplicaciones
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EL ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y
SUS APLICACIONES
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Universidad de Los Andes
Facultad de Ciencias
Departamento de Quiacutemica
EL ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y SUS
APLICACIONES
Edward E Aacutevila
Asiloeacute J Mora
VII Escuela Venezolana
para la Ensentildeanza de la Quiacutemica Meacuterida del 05 al 09 de Diciembre de 2004
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Enlace Puente Hidroacutegeno y sus Aplicaciones
VII ESCUELA VENEZOLANA PARA LA ENSENtildeANZA DE LA QUIacuteM ICA
Edicioacuten 2005 El libro el Enlace Puente Hidroacutegeno y sus Aplicaciones fue escrito especialmente
como material de apoyo de uno de los cursos ofrecidos en la VII escuela venezolana
para la ensentildeanza de la quiacutemica la escuela es un programa organizado por celciec-ula
disentildeada en base a cursos de actualizacioacuten dirigidos a los docentes de quiacutemica de la
educacioacuten baacutesica media y diversificada
Evaluacioacuten de la edicioacuten Bernardo Fontal Ricardo Contreras Comiteacute organizador del VII Encuentro con la Quiacutemica
Bernardo Fontal Fernando Bellandi Marisela Reyes Ricardo Contreras
Autor Edward E Aacutevila
Asiloeacute J Mora
E-mail asiloeulave Portada Yanelly Gavidia Disentildeo y diagramacioacuten Smart Service CA Se autoriza la reproduccioacuten parcial y total de esta obra uacutenicamente para fines de ensentildeanza respetando los creacuteditos del VII Escuela Venezolana para la Ensentildeanza de la Quiacutemica y de los autores Derechos reservados copy 2005 Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Quiacutemica Laboratorio de Organometaacutelicos La Hechicera Meacuterida 5101 Venezuela Tlf +58 274 2401380 Fax +58 274 2401286 E-mail escueladequimicahotmailcom
Hecho en Venezuela Depoacutesito legal
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TABLA DE CONTENIDO
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 NATURALEZA Y DEFINICIOacuteN RESENtildeA HISTOacuteRICA
12 DEFINICIOacuteN DEL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN TEacuteRMINOS DE
GEOMETRIacuteA Y ENERGIacuteA
121 LOS PARAacuteMETROS GEOMEacuteTRICOS
122 LOS PARAacuteMETROS ENERGEacuteTICOS
2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECULAR
41 INGENIERIacuteA DE CRISTALES 42 RECONOCIMIENTO MOLECULAR
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 DEFINICIOacuteN Y NATURALEZA
52 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS
53 ENLACE DE HIDROacuteGENO BIFURCADO DONADOR EN
AMINOACIDOS
54 EFECTOS COOPERATIVOS Y PATRONES DE ENLACES DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS 6 REFERENCIAS
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ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y SUS APLICACIONES
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 Naturaleza y definicioacuten Resentildea histoacuterica
Los quiacutemicos alemanes Hantzch y Werner1 en el antildeo de 1902 buscando
interpretar algunas propiedades inherentes a pequentildeas moleacuteculas asociadas fueron los
primeros en dar cuenta de la existencia de una interaccioacuten intermolecular deacutebil en
agregados de moleacuteculas de HCl y NH3 entre otras existente entre grupos funcionales
de moleacuteculas vecinas y en donde un aacutetomo de hidroacutegeno estaba covalentemente unido
a un aacutetomo electronegativo y a la cual dieron el nombre de nebenvalenz cuyo
significado es ldquola menor valenciardquo Maacutes tarde en 1912 Moore y Winmill2 hicieron
mencioacuten directa del enlace de hidroacutegeno al asignar al hidroacutexido de trimetilamonio la
estructura
Dicha estructura explica la debilidad baacutesica del hidroacutexido de trimetilamonio
comparada con el hidroacutexido de tetrametilamonio No obstante quienes introdujeron por
primera vez la definicioacuten de enlace de hidroacutegeno a la quiacutemica fueron Latimer y
Rodebush3a e independientemente M Huggins3b en el antildeo de 1920 Ellos enmarcaron
la definicioacuten del enlace de hidroacutegeno dentro de la teoriacutea de valencia de Lewis para
explicar la ionizacioacuten de compuestos polares y el fenoacutemeno de auto-asociacioacuten en
liacutequidos3a y 3b Entre los compuestos estudiados por estos autores se encontraban entre
otros el amoniaco cloruro de hidroacutegeno cloruro de amonio aacutecido fluorhiacutedrico aacutecido
sulfuacuterico y agua La exposicioacuten de Latimer y Rodebush reza
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ldquoEl amoniaco adiciona faacutecilmente un hidroacutegeno pero con poca tendencia a donarlo
En cambio el cloruro de hidroacutegeno tiene el comportamiento opuesto No obstante el
agua ocupa una posicioacuten intermedia y ademaacutes muestra ambos comportamientos
Entonces un par de electrones libres de una moleacutecula de agua puede ejercer la
fuerza necesaria sobre un aacutetomo de hidroacutegeno ubicado en otra moleacutecula de agua de
modo que las dos moleacuteculas de agua terminan juntaacutendose Estructuralmente esto
puede representarse como
En tal sentido se puede considerar o decir que los nuacutecleos de hidroacutegeno estaacuten
ubicados entre dos octetos que constituyen un enlace deacutebilrdquo2
Linus Pauling4 5 7 estudioacute profusamente al enlace de hidroacutegeno y entre 1928 al
1949 propuso una serie de definiciones para el enlace de hidroacutegeno enunciadas en
teacuterminos de las diferencias de electronegatividades de los aacutetomos enlazados y de la
teoriacutea mecaacutenico-cuaacutentica del enlace valencia La primera de ellas enunciada en 19285
imponiacutea la restriccioacuten de que el aacutetomo de hidroacutegeno soacutelo podiacutea formar un enlace
covalente puro debido a que disponiacutea de un uacutenico orbital de valencia estable (1s) por
lo tanto la atraccioacuten observada entre dos aacutetomos o grupos de aacutetomos en la formacioacuten
del enlace de hidroacutegeno se debiacutea a interacciones de caraacutecter netamente electrostaacutetico
Bajo esta perspectiva Pauling concluye que el enlace de hidroacutegeno es el enlace a un
aacutetomo de hidroacutegeno entre dos aacutetomos electronegativos tal y como se muestra en la
Figura 1
ClHmiddotmiddotmiddotCl-
NHmiddotmiddotmiddotO
OHmiddotmiddotmiddotN
CHmiddotmiddotmiddotO Figura 1 Algunos tipos de
enlaces de hidroacutegeno
Ademaacutes dicho hidroacutegeno tiene un nuacutemero de coordinacioacuten igual a dos6 y por lo
tanto el hidroacutegeno actuacutea como un pequentildeo catioacuten que atrae a un anioacuten a una distancia
3
de equilibrio inter-nuclear igual al radio del anioacuten que a su vez atrae otro anioacuten
formando un complejo estable tal y como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Complejo estable de aniones por la presen cia de un protoacuten
Pauling ademaacutes encontroacute que soacutelo los aacutetomos electronegativos teniacutean la
capacidad de formar enlaces de hidroacutegeno y por consiguiente la fuerza del enlace
formado dependeraacute de la electronegatividad de los aacutetomos a los cuales el hidroacutegeno
estaacute enlazado En la Tabla 1 se muestra las energiacuteas de enlaces inherentes a algunos
iones bi-haluros de hidroacutegeno
Tabla 1 Energiacuteas de enlaces de algunos iones bihal uros de hidroacutegeno 7
HX + Y- rarr XHY-
XHY- ∆∆∆∆HdegKcal mol -1
(FHF)- -37 ClHmiddotmiddotmiddotCl- -14 BrHmiddotmiddotmiddotBr- -13
IHmiddotmiddotmiddotI- -12 ClHmiddotmiddotmiddotBr- -9
En un trabajo publicado en 1935 Pauling4 estudioacute detalladamente la estructura del
hielo Ih y encontroacute que
1 El aacutetomo de oxiacutegeno estaacute enlazado a dos aacutetomos de hidroacutegeno formando una
moleacutecula de agua con distancia de enlace H-O de 095 Aring y aacutengulo H-O-H de
105ordm aproximadamente como se muestra en la Figura 3
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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EL ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y SUS
APLICACIONES
Edward E Aacutevila
Asiloeacute J Mora
VII Escuela Venezolana
para la Ensentildeanza de la Quiacutemica Meacuterida del 05 al 09 de Diciembre de 2004
iii
Enlace Puente Hidroacutegeno y sus Aplicaciones
VII ESCUELA VENEZOLANA PARA LA ENSENtildeANZA DE LA QUIacuteM ICA
Edicioacuten 2005 El libro el Enlace Puente Hidroacutegeno y sus Aplicaciones fue escrito especialmente
como material de apoyo de uno de los cursos ofrecidos en la VII escuela venezolana
para la ensentildeanza de la quiacutemica la escuela es un programa organizado por celciec-ula
disentildeada en base a cursos de actualizacioacuten dirigidos a los docentes de quiacutemica de la
educacioacuten baacutesica media y diversificada
Evaluacioacuten de la edicioacuten Bernardo Fontal Ricardo Contreras Comiteacute organizador del VII Encuentro con la Quiacutemica
Bernardo Fontal Fernando Bellandi Marisela Reyes Ricardo Contreras
Autor Edward E Aacutevila
Asiloeacute J Mora
E-mail asiloeulave Portada Yanelly Gavidia Disentildeo y diagramacioacuten Smart Service CA Se autoriza la reproduccioacuten parcial y total de esta obra uacutenicamente para fines de ensentildeanza respetando los creacuteditos del VII Escuela Venezolana para la Ensentildeanza de la Quiacutemica y de los autores Derechos reservados copy 2005 Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Quiacutemica Laboratorio de Organometaacutelicos La Hechicera Meacuterida 5101 Venezuela Tlf +58 274 2401380 Fax +58 274 2401286 E-mail escueladequimicahotmailcom
Hecho en Venezuela Depoacutesito legal
iv
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TABLA DE CONTENIDO
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 NATURALEZA Y DEFINICIOacuteN RESENtildeA HISTOacuteRICA
12 DEFINICIOacuteN DEL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN TEacuteRMINOS DE
GEOMETRIacuteA Y ENERGIacuteA
121 LOS PARAacuteMETROS GEOMEacuteTRICOS
122 LOS PARAacuteMETROS ENERGEacuteTICOS
2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECULAR
41 INGENIERIacuteA DE CRISTALES 42 RECONOCIMIENTO MOLECULAR
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 DEFINICIOacuteN Y NATURALEZA
52 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS
53 ENLACE DE HIDROacuteGENO BIFURCADO DONADOR EN
AMINOACIDOS
54 EFECTOS COOPERATIVOS Y PATRONES DE ENLACES DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS 6 REFERENCIAS
1
ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y SUS APLICACIONES
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 Naturaleza y definicioacuten Resentildea histoacuterica
Los quiacutemicos alemanes Hantzch y Werner1 en el antildeo de 1902 buscando
interpretar algunas propiedades inherentes a pequentildeas moleacuteculas asociadas fueron los
primeros en dar cuenta de la existencia de una interaccioacuten intermolecular deacutebil en
agregados de moleacuteculas de HCl y NH3 entre otras existente entre grupos funcionales
de moleacuteculas vecinas y en donde un aacutetomo de hidroacutegeno estaba covalentemente unido
a un aacutetomo electronegativo y a la cual dieron el nombre de nebenvalenz cuyo
significado es ldquola menor valenciardquo Maacutes tarde en 1912 Moore y Winmill2 hicieron
mencioacuten directa del enlace de hidroacutegeno al asignar al hidroacutexido de trimetilamonio la
estructura
Dicha estructura explica la debilidad baacutesica del hidroacutexido de trimetilamonio
comparada con el hidroacutexido de tetrametilamonio No obstante quienes introdujeron por
primera vez la definicioacuten de enlace de hidroacutegeno a la quiacutemica fueron Latimer y
Rodebush3a e independientemente M Huggins3b en el antildeo de 1920 Ellos enmarcaron
la definicioacuten del enlace de hidroacutegeno dentro de la teoriacutea de valencia de Lewis para
explicar la ionizacioacuten de compuestos polares y el fenoacutemeno de auto-asociacioacuten en
liacutequidos3a y 3b Entre los compuestos estudiados por estos autores se encontraban entre
otros el amoniaco cloruro de hidroacutegeno cloruro de amonio aacutecido fluorhiacutedrico aacutecido
sulfuacuterico y agua La exposicioacuten de Latimer y Rodebush reza
2
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ldquoEl amoniaco adiciona faacutecilmente un hidroacutegeno pero con poca tendencia a donarlo
En cambio el cloruro de hidroacutegeno tiene el comportamiento opuesto No obstante el
agua ocupa una posicioacuten intermedia y ademaacutes muestra ambos comportamientos
Entonces un par de electrones libres de una moleacutecula de agua puede ejercer la
fuerza necesaria sobre un aacutetomo de hidroacutegeno ubicado en otra moleacutecula de agua de
modo que las dos moleacuteculas de agua terminan juntaacutendose Estructuralmente esto
puede representarse como
En tal sentido se puede considerar o decir que los nuacutecleos de hidroacutegeno estaacuten
ubicados entre dos octetos que constituyen un enlace deacutebilrdquo2
Linus Pauling4 5 7 estudioacute profusamente al enlace de hidroacutegeno y entre 1928 al
1949 propuso una serie de definiciones para el enlace de hidroacutegeno enunciadas en
teacuterminos de las diferencias de electronegatividades de los aacutetomos enlazados y de la
teoriacutea mecaacutenico-cuaacutentica del enlace valencia La primera de ellas enunciada en 19285
imponiacutea la restriccioacuten de que el aacutetomo de hidroacutegeno soacutelo podiacutea formar un enlace
covalente puro debido a que disponiacutea de un uacutenico orbital de valencia estable (1s) por
lo tanto la atraccioacuten observada entre dos aacutetomos o grupos de aacutetomos en la formacioacuten
del enlace de hidroacutegeno se debiacutea a interacciones de caraacutecter netamente electrostaacutetico
Bajo esta perspectiva Pauling concluye que el enlace de hidroacutegeno es el enlace a un
aacutetomo de hidroacutegeno entre dos aacutetomos electronegativos tal y como se muestra en la
Figura 1
ClHmiddotmiddotmiddotCl-
NHmiddotmiddotmiddotO
OHmiddotmiddotmiddotN
CHmiddotmiddotmiddotO Figura 1 Algunos tipos de
enlaces de hidroacutegeno
Ademaacutes dicho hidroacutegeno tiene un nuacutemero de coordinacioacuten igual a dos6 y por lo
tanto el hidroacutegeno actuacutea como un pequentildeo catioacuten que atrae a un anioacuten a una distancia
3
de equilibrio inter-nuclear igual al radio del anioacuten que a su vez atrae otro anioacuten
formando un complejo estable tal y como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Complejo estable de aniones por la presen cia de un protoacuten
Pauling ademaacutes encontroacute que soacutelo los aacutetomos electronegativos teniacutean la
capacidad de formar enlaces de hidroacutegeno y por consiguiente la fuerza del enlace
formado dependeraacute de la electronegatividad de los aacutetomos a los cuales el hidroacutegeno
estaacute enlazado En la Tabla 1 se muestra las energiacuteas de enlaces inherentes a algunos
iones bi-haluros de hidroacutegeno
Tabla 1 Energiacuteas de enlaces de algunos iones bihal uros de hidroacutegeno 7
HX + Y- rarr XHY-
XHY- ∆∆∆∆HdegKcal mol -1
(FHF)- -37 ClHmiddotmiddotmiddotCl- -14 BrHmiddotmiddotmiddotBr- -13
IHmiddotmiddotmiddotI- -12 ClHmiddotmiddotmiddotBr- -9
En un trabajo publicado en 1935 Pauling4 estudioacute detalladamente la estructura del
hielo Ih y encontroacute que
1 El aacutetomo de oxiacutegeno estaacute enlazado a dos aacutetomos de hidroacutegeno formando una
moleacutecula de agua con distancia de enlace H-O de 095 Aring y aacutengulo H-O-H de
105ordm aproximadamente como se muestra en la Figura 3
4
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
6
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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iii
Enlace Puente Hidroacutegeno y sus Aplicaciones
VII ESCUELA VENEZOLANA PARA LA ENSENtildeANZA DE LA QUIacuteM ICA
Edicioacuten 2005 El libro el Enlace Puente Hidroacutegeno y sus Aplicaciones fue escrito especialmente
como material de apoyo de uno de los cursos ofrecidos en la VII escuela venezolana
para la ensentildeanza de la quiacutemica la escuela es un programa organizado por celciec-ula
disentildeada en base a cursos de actualizacioacuten dirigidos a los docentes de quiacutemica de la
educacioacuten baacutesica media y diversificada
Evaluacioacuten de la edicioacuten Bernardo Fontal Ricardo Contreras Comiteacute organizador del VII Encuentro con la Quiacutemica
Bernardo Fontal Fernando Bellandi Marisela Reyes Ricardo Contreras
Autor Edward E Aacutevila
Asiloeacute J Mora
E-mail asiloeulave Portada Yanelly Gavidia Disentildeo y diagramacioacuten Smart Service CA Se autoriza la reproduccioacuten parcial y total de esta obra uacutenicamente para fines de ensentildeanza respetando los creacuteditos del VII Escuela Venezolana para la Ensentildeanza de la Quiacutemica y de los autores Derechos reservados copy 2005 Universidad de Los Andes Facultad de Ciencias Departamento de Quiacutemica Laboratorio de Organometaacutelicos La Hechicera Meacuterida 5101 Venezuela Tlf +58 274 2401380 Fax +58 274 2401286 E-mail escueladequimicahotmailcom
Hecho en Venezuela Depoacutesito legal
iv
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TABLA DE CONTENIDO
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 NATURALEZA Y DEFINICIOacuteN RESENtildeA HISTOacuteRICA
12 DEFINICIOacuteN DEL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN TEacuteRMINOS DE
GEOMETRIacuteA Y ENERGIacuteA
121 LOS PARAacuteMETROS GEOMEacuteTRICOS
122 LOS PARAacuteMETROS ENERGEacuteTICOS
2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECULAR
41 INGENIERIacuteA DE CRISTALES 42 RECONOCIMIENTO MOLECULAR
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 DEFINICIOacuteN Y NATURALEZA
52 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS
53 ENLACE DE HIDROacuteGENO BIFURCADO DONADOR EN
AMINOACIDOS
54 EFECTOS COOPERATIVOS Y PATRONES DE ENLACES DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS 6 REFERENCIAS
1
ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y SUS APLICACIONES
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 Naturaleza y definicioacuten Resentildea histoacuterica
Los quiacutemicos alemanes Hantzch y Werner1 en el antildeo de 1902 buscando
interpretar algunas propiedades inherentes a pequentildeas moleacuteculas asociadas fueron los
primeros en dar cuenta de la existencia de una interaccioacuten intermolecular deacutebil en
agregados de moleacuteculas de HCl y NH3 entre otras existente entre grupos funcionales
de moleacuteculas vecinas y en donde un aacutetomo de hidroacutegeno estaba covalentemente unido
a un aacutetomo electronegativo y a la cual dieron el nombre de nebenvalenz cuyo
significado es ldquola menor valenciardquo Maacutes tarde en 1912 Moore y Winmill2 hicieron
mencioacuten directa del enlace de hidroacutegeno al asignar al hidroacutexido de trimetilamonio la
estructura
Dicha estructura explica la debilidad baacutesica del hidroacutexido de trimetilamonio
comparada con el hidroacutexido de tetrametilamonio No obstante quienes introdujeron por
primera vez la definicioacuten de enlace de hidroacutegeno a la quiacutemica fueron Latimer y
Rodebush3a e independientemente M Huggins3b en el antildeo de 1920 Ellos enmarcaron
la definicioacuten del enlace de hidroacutegeno dentro de la teoriacutea de valencia de Lewis para
explicar la ionizacioacuten de compuestos polares y el fenoacutemeno de auto-asociacioacuten en
liacutequidos3a y 3b Entre los compuestos estudiados por estos autores se encontraban entre
otros el amoniaco cloruro de hidroacutegeno cloruro de amonio aacutecido fluorhiacutedrico aacutecido
sulfuacuterico y agua La exposicioacuten de Latimer y Rodebush reza
2
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ldquoEl amoniaco adiciona faacutecilmente un hidroacutegeno pero con poca tendencia a donarlo
En cambio el cloruro de hidroacutegeno tiene el comportamiento opuesto No obstante el
agua ocupa una posicioacuten intermedia y ademaacutes muestra ambos comportamientos
Entonces un par de electrones libres de una moleacutecula de agua puede ejercer la
fuerza necesaria sobre un aacutetomo de hidroacutegeno ubicado en otra moleacutecula de agua de
modo que las dos moleacuteculas de agua terminan juntaacutendose Estructuralmente esto
puede representarse como
En tal sentido se puede considerar o decir que los nuacutecleos de hidroacutegeno estaacuten
ubicados entre dos octetos que constituyen un enlace deacutebilrdquo2
Linus Pauling4 5 7 estudioacute profusamente al enlace de hidroacutegeno y entre 1928 al
1949 propuso una serie de definiciones para el enlace de hidroacutegeno enunciadas en
teacuterminos de las diferencias de electronegatividades de los aacutetomos enlazados y de la
teoriacutea mecaacutenico-cuaacutentica del enlace valencia La primera de ellas enunciada en 19285
imponiacutea la restriccioacuten de que el aacutetomo de hidroacutegeno soacutelo podiacutea formar un enlace
covalente puro debido a que disponiacutea de un uacutenico orbital de valencia estable (1s) por
lo tanto la atraccioacuten observada entre dos aacutetomos o grupos de aacutetomos en la formacioacuten
del enlace de hidroacutegeno se debiacutea a interacciones de caraacutecter netamente electrostaacutetico
Bajo esta perspectiva Pauling concluye que el enlace de hidroacutegeno es el enlace a un
aacutetomo de hidroacutegeno entre dos aacutetomos electronegativos tal y como se muestra en la
Figura 1
ClHmiddotmiddotmiddotCl-
NHmiddotmiddotmiddotO
OHmiddotmiddotmiddotN
CHmiddotmiddotmiddotO Figura 1 Algunos tipos de
enlaces de hidroacutegeno
Ademaacutes dicho hidroacutegeno tiene un nuacutemero de coordinacioacuten igual a dos6 y por lo
tanto el hidroacutegeno actuacutea como un pequentildeo catioacuten que atrae a un anioacuten a una distancia
3
de equilibrio inter-nuclear igual al radio del anioacuten que a su vez atrae otro anioacuten
formando un complejo estable tal y como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Complejo estable de aniones por la presen cia de un protoacuten
Pauling ademaacutes encontroacute que soacutelo los aacutetomos electronegativos teniacutean la
capacidad de formar enlaces de hidroacutegeno y por consiguiente la fuerza del enlace
formado dependeraacute de la electronegatividad de los aacutetomos a los cuales el hidroacutegeno
estaacute enlazado En la Tabla 1 se muestra las energiacuteas de enlaces inherentes a algunos
iones bi-haluros de hidroacutegeno
Tabla 1 Energiacuteas de enlaces de algunos iones bihal uros de hidroacutegeno 7
HX + Y- rarr XHY-
XHY- ∆∆∆∆HdegKcal mol -1
(FHF)- -37 ClHmiddotmiddotmiddotCl- -14 BrHmiddotmiddotmiddotBr- -13
IHmiddotmiddotmiddotI- -12 ClHmiddotmiddotmiddotBr- -9
En un trabajo publicado en 1935 Pauling4 estudioacute detalladamente la estructura del
hielo Ih y encontroacute que
1 El aacutetomo de oxiacutegeno estaacute enlazado a dos aacutetomos de hidroacutegeno formando una
moleacutecula de agua con distancia de enlace H-O de 095 Aring y aacutengulo H-O-H de
105ordm aproximadamente como se muestra en la Figura 3
4
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
6
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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iv
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TABLA DE CONTENIDO
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 NATURALEZA Y DEFINICIOacuteN RESENtildeA HISTOacuteRICA
12 DEFINICIOacuteN DEL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN TEacuteRMINOS DE
GEOMETRIacuteA Y ENERGIacuteA
121 LOS PARAacuteMETROS GEOMEacuteTRICOS
122 LOS PARAacuteMETROS ENERGEacuteTICOS
2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECULAR
41 INGENIERIacuteA DE CRISTALES 42 RECONOCIMIENTO MOLECULAR
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 DEFINICIOacuteN Y NATURALEZA
52 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS
53 ENLACE DE HIDROacuteGENO BIFURCADO DONADOR EN
AMINOACIDOS
54 EFECTOS COOPERATIVOS Y PATRONES DE ENLACES DE HIDROacuteGENO EN LOS AMINOAacuteCIDOS 6 REFERENCIAS
1
ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y SUS APLICACIONES
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 Naturaleza y definicioacuten Resentildea histoacuterica
Los quiacutemicos alemanes Hantzch y Werner1 en el antildeo de 1902 buscando
interpretar algunas propiedades inherentes a pequentildeas moleacuteculas asociadas fueron los
primeros en dar cuenta de la existencia de una interaccioacuten intermolecular deacutebil en
agregados de moleacuteculas de HCl y NH3 entre otras existente entre grupos funcionales
de moleacuteculas vecinas y en donde un aacutetomo de hidroacutegeno estaba covalentemente unido
a un aacutetomo electronegativo y a la cual dieron el nombre de nebenvalenz cuyo
significado es ldquola menor valenciardquo Maacutes tarde en 1912 Moore y Winmill2 hicieron
mencioacuten directa del enlace de hidroacutegeno al asignar al hidroacutexido de trimetilamonio la
estructura
Dicha estructura explica la debilidad baacutesica del hidroacutexido de trimetilamonio
comparada con el hidroacutexido de tetrametilamonio No obstante quienes introdujeron por
primera vez la definicioacuten de enlace de hidroacutegeno a la quiacutemica fueron Latimer y
Rodebush3a e independientemente M Huggins3b en el antildeo de 1920 Ellos enmarcaron
la definicioacuten del enlace de hidroacutegeno dentro de la teoriacutea de valencia de Lewis para
explicar la ionizacioacuten de compuestos polares y el fenoacutemeno de auto-asociacioacuten en
liacutequidos3a y 3b Entre los compuestos estudiados por estos autores se encontraban entre
otros el amoniaco cloruro de hidroacutegeno cloruro de amonio aacutecido fluorhiacutedrico aacutecido
sulfuacuterico y agua La exposicioacuten de Latimer y Rodebush reza
2
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ldquoEl amoniaco adiciona faacutecilmente un hidroacutegeno pero con poca tendencia a donarlo
En cambio el cloruro de hidroacutegeno tiene el comportamiento opuesto No obstante el
agua ocupa una posicioacuten intermedia y ademaacutes muestra ambos comportamientos
Entonces un par de electrones libres de una moleacutecula de agua puede ejercer la
fuerza necesaria sobre un aacutetomo de hidroacutegeno ubicado en otra moleacutecula de agua de
modo que las dos moleacuteculas de agua terminan juntaacutendose Estructuralmente esto
puede representarse como
En tal sentido se puede considerar o decir que los nuacutecleos de hidroacutegeno estaacuten
ubicados entre dos octetos que constituyen un enlace deacutebilrdquo2
Linus Pauling4 5 7 estudioacute profusamente al enlace de hidroacutegeno y entre 1928 al
1949 propuso una serie de definiciones para el enlace de hidroacutegeno enunciadas en
teacuterminos de las diferencias de electronegatividades de los aacutetomos enlazados y de la
teoriacutea mecaacutenico-cuaacutentica del enlace valencia La primera de ellas enunciada en 19285
imponiacutea la restriccioacuten de que el aacutetomo de hidroacutegeno soacutelo podiacutea formar un enlace
covalente puro debido a que disponiacutea de un uacutenico orbital de valencia estable (1s) por
lo tanto la atraccioacuten observada entre dos aacutetomos o grupos de aacutetomos en la formacioacuten
del enlace de hidroacutegeno se debiacutea a interacciones de caraacutecter netamente electrostaacutetico
Bajo esta perspectiva Pauling concluye que el enlace de hidroacutegeno es el enlace a un
aacutetomo de hidroacutegeno entre dos aacutetomos electronegativos tal y como se muestra en la
Figura 1
ClHmiddotmiddotmiddotCl-
NHmiddotmiddotmiddotO
OHmiddotmiddotmiddotN
CHmiddotmiddotmiddotO Figura 1 Algunos tipos de
enlaces de hidroacutegeno
Ademaacutes dicho hidroacutegeno tiene un nuacutemero de coordinacioacuten igual a dos6 y por lo
tanto el hidroacutegeno actuacutea como un pequentildeo catioacuten que atrae a un anioacuten a una distancia
3
de equilibrio inter-nuclear igual al radio del anioacuten que a su vez atrae otro anioacuten
formando un complejo estable tal y como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Complejo estable de aniones por la presen cia de un protoacuten
Pauling ademaacutes encontroacute que soacutelo los aacutetomos electronegativos teniacutean la
capacidad de formar enlaces de hidroacutegeno y por consiguiente la fuerza del enlace
formado dependeraacute de la electronegatividad de los aacutetomos a los cuales el hidroacutegeno
estaacute enlazado En la Tabla 1 se muestra las energiacuteas de enlaces inherentes a algunos
iones bi-haluros de hidroacutegeno
Tabla 1 Energiacuteas de enlaces de algunos iones bihal uros de hidroacutegeno 7
HX + Y- rarr XHY-
XHY- ∆∆∆∆HdegKcal mol -1
(FHF)- -37 ClHmiddotmiddotmiddotCl- -14 BrHmiddotmiddotmiddotBr- -13
IHmiddotmiddotmiddotI- -12 ClHmiddotmiddotmiddotBr- -9
En un trabajo publicado en 1935 Pauling4 estudioacute detalladamente la estructura del
hielo Ih y encontroacute que
1 El aacutetomo de oxiacutegeno estaacute enlazado a dos aacutetomos de hidroacutegeno formando una
moleacutecula de agua con distancia de enlace H-O de 095 Aring y aacutengulo H-O-H de
105ordm aproximadamente como se muestra en la Figura 3
4
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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1
ENLACE PUENTE HIDROacuteGENO Y SUS APLICACIONES
1 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO
11 Naturaleza y definicioacuten Resentildea histoacuterica
Los quiacutemicos alemanes Hantzch y Werner1 en el antildeo de 1902 buscando
interpretar algunas propiedades inherentes a pequentildeas moleacuteculas asociadas fueron los
primeros en dar cuenta de la existencia de una interaccioacuten intermolecular deacutebil en
agregados de moleacuteculas de HCl y NH3 entre otras existente entre grupos funcionales
de moleacuteculas vecinas y en donde un aacutetomo de hidroacutegeno estaba covalentemente unido
a un aacutetomo electronegativo y a la cual dieron el nombre de nebenvalenz cuyo
significado es ldquola menor valenciardquo Maacutes tarde en 1912 Moore y Winmill2 hicieron
mencioacuten directa del enlace de hidroacutegeno al asignar al hidroacutexido de trimetilamonio la
estructura
Dicha estructura explica la debilidad baacutesica del hidroacutexido de trimetilamonio
comparada con el hidroacutexido de tetrametilamonio No obstante quienes introdujeron por
primera vez la definicioacuten de enlace de hidroacutegeno a la quiacutemica fueron Latimer y
Rodebush3a e independientemente M Huggins3b en el antildeo de 1920 Ellos enmarcaron
la definicioacuten del enlace de hidroacutegeno dentro de la teoriacutea de valencia de Lewis para
explicar la ionizacioacuten de compuestos polares y el fenoacutemeno de auto-asociacioacuten en
liacutequidos3a y 3b Entre los compuestos estudiados por estos autores se encontraban entre
otros el amoniaco cloruro de hidroacutegeno cloruro de amonio aacutecido fluorhiacutedrico aacutecido
sulfuacuterico y agua La exposicioacuten de Latimer y Rodebush reza
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ldquoEl amoniaco adiciona faacutecilmente un hidroacutegeno pero con poca tendencia a donarlo
En cambio el cloruro de hidroacutegeno tiene el comportamiento opuesto No obstante el
agua ocupa una posicioacuten intermedia y ademaacutes muestra ambos comportamientos
Entonces un par de electrones libres de una moleacutecula de agua puede ejercer la
fuerza necesaria sobre un aacutetomo de hidroacutegeno ubicado en otra moleacutecula de agua de
modo que las dos moleacuteculas de agua terminan juntaacutendose Estructuralmente esto
puede representarse como
En tal sentido se puede considerar o decir que los nuacutecleos de hidroacutegeno estaacuten
ubicados entre dos octetos que constituyen un enlace deacutebilrdquo2
Linus Pauling4 5 7 estudioacute profusamente al enlace de hidroacutegeno y entre 1928 al
1949 propuso una serie de definiciones para el enlace de hidroacutegeno enunciadas en
teacuterminos de las diferencias de electronegatividades de los aacutetomos enlazados y de la
teoriacutea mecaacutenico-cuaacutentica del enlace valencia La primera de ellas enunciada en 19285
imponiacutea la restriccioacuten de que el aacutetomo de hidroacutegeno soacutelo podiacutea formar un enlace
covalente puro debido a que disponiacutea de un uacutenico orbital de valencia estable (1s) por
lo tanto la atraccioacuten observada entre dos aacutetomos o grupos de aacutetomos en la formacioacuten
del enlace de hidroacutegeno se debiacutea a interacciones de caraacutecter netamente electrostaacutetico
Bajo esta perspectiva Pauling concluye que el enlace de hidroacutegeno es el enlace a un
aacutetomo de hidroacutegeno entre dos aacutetomos electronegativos tal y como se muestra en la
Figura 1
ClHmiddotmiddotmiddotCl-
NHmiddotmiddotmiddotO
OHmiddotmiddotmiddotN
CHmiddotmiddotmiddotO Figura 1 Algunos tipos de
enlaces de hidroacutegeno
Ademaacutes dicho hidroacutegeno tiene un nuacutemero de coordinacioacuten igual a dos6 y por lo
tanto el hidroacutegeno actuacutea como un pequentildeo catioacuten que atrae a un anioacuten a una distancia
3
de equilibrio inter-nuclear igual al radio del anioacuten que a su vez atrae otro anioacuten
formando un complejo estable tal y como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Complejo estable de aniones por la presen cia de un protoacuten
Pauling ademaacutes encontroacute que soacutelo los aacutetomos electronegativos teniacutean la
capacidad de formar enlaces de hidroacutegeno y por consiguiente la fuerza del enlace
formado dependeraacute de la electronegatividad de los aacutetomos a los cuales el hidroacutegeno
estaacute enlazado En la Tabla 1 se muestra las energiacuteas de enlaces inherentes a algunos
iones bi-haluros de hidroacutegeno
Tabla 1 Energiacuteas de enlaces de algunos iones bihal uros de hidroacutegeno 7
HX + Y- rarr XHY-
XHY- ∆∆∆∆HdegKcal mol -1
(FHF)- -37 ClHmiddotmiddotmiddotCl- -14 BrHmiddotmiddotmiddotBr- -13
IHmiddotmiddotmiddotI- -12 ClHmiddotmiddotmiddotBr- -9
En un trabajo publicado en 1935 Pauling4 estudioacute detalladamente la estructura del
hielo Ih y encontroacute que
1 El aacutetomo de oxiacutegeno estaacute enlazado a dos aacutetomos de hidroacutegeno formando una
moleacutecula de agua con distancia de enlace H-O de 095 Aring y aacutengulo H-O-H de
105ordm aproximadamente como se muestra en la Figura 3
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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ldquoEl amoniaco adiciona faacutecilmente un hidroacutegeno pero con poca tendencia a donarlo
En cambio el cloruro de hidroacutegeno tiene el comportamiento opuesto No obstante el
agua ocupa una posicioacuten intermedia y ademaacutes muestra ambos comportamientos
Entonces un par de electrones libres de una moleacutecula de agua puede ejercer la
fuerza necesaria sobre un aacutetomo de hidroacutegeno ubicado en otra moleacutecula de agua de
modo que las dos moleacuteculas de agua terminan juntaacutendose Estructuralmente esto
puede representarse como
En tal sentido se puede considerar o decir que los nuacutecleos de hidroacutegeno estaacuten
ubicados entre dos octetos que constituyen un enlace deacutebilrdquo2
Linus Pauling4 5 7 estudioacute profusamente al enlace de hidroacutegeno y entre 1928 al
1949 propuso una serie de definiciones para el enlace de hidroacutegeno enunciadas en
teacuterminos de las diferencias de electronegatividades de los aacutetomos enlazados y de la
teoriacutea mecaacutenico-cuaacutentica del enlace valencia La primera de ellas enunciada en 19285
imponiacutea la restriccioacuten de que el aacutetomo de hidroacutegeno soacutelo podiacutea formar un enlace
covalente puro debido a que disponiacutea de un uacutenico orbital de valencia estable (1s) por
lo tanto la atraccioacuten observada entre dos aacutetomos o grupos de aacutetomos en la formacioacuten
del enlace de hidroacutegeno se debiacutea a interacciones de caraacutecter netamente electrostaacutetico
Bajo esta perspectiva Pauling concluye que el enlace de hidroacutegeno es el enlace a un
aacutetomo de hidroacutegeno entre dos aacutetomos electronegativos tal y como se muestra en la
Figura 1
ClHmiddotmiddotmiddotCl-
NHmiddotmiddotmiddotO
OHmiddotmiddotmiddotN
CHmiddotmiddotmiddotO Figura 1 Algunos tipos de
enlaces de hidroacutegeno
Ademaacutes dicho hidroacutegeno tiene un nuacutemero de coordinacioacuten igual a dos6 y por lo
tanto el hidroacutegeno actuacutea como un pequentildeo catioacuten que atrae a un anioacuten a una distancia
3
de equilibrio inter-nuclear igual al radio del anioacuten que a su vez atrae otro anioacuten
formando un complejo estable tal y como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Complejo estable de aniones por la presen cia de un protoacuten
Pauling ademaacutes encontroacute que soacutelo los aacutetomos electronegativos teniacutean la
capacidad de formar enlaces de hidroacutegeno y por consiguiente la fuerza del enlace
formado dependeraacute de la electronegatividad de los aacutetomos a los cuales el hidroacutegeno
estaacute enlazado En la Tabla 1 se muestra las energiacuteas de enlaces inherentes a algunos
iones bi-haluros de hidroacutegeno
Tabla 1 Energiacuteas de enlaces de algunos iones bihal uros de hidroacutegeno 7
HX + Y- rarr XHY-
XHY- ∆∆∆∆HdegKcal mol -1
(FHF)- -37 ClHmiddotmiddotmiddotCl- -14 BrHmiddotmiddotmiddotBr- -13
IHmiddotmiddotmiddotI- -12 ClHmiddotmiddotmiddotBr- -9
En un trabajo publicado en 1935 Pauling4 estudioacute detalladamente la estructura del
hielo Ih y encontroacute que
1 El aacutetomo de oxiacutegeno estaacute enlazado a dos aacutetomos de hidroacutegeno formando una
moleacutecula de agua con distancia de enlace H-O de 095 Aring y aacutengulo H-O-H de
105ordm aproximadamente como se muestra en la Figura 3
4
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
6
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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de equilibrio inter-nuclear igual al radio del anioacuten que a su vez atrae otro anioacuten
formando un complejo estable tal y como se muestra en la Figura 2
Figura 2 Complejo estable de aniones por la presen cia de un protoacuten
Pauling ademaacutes encontroacute que soacutelo los aacutetomos electronegativos teniacutean la
capacidad de formar enlaces de hidroacutegeno y por consiguiente la fuerza del enlace
formado dependeraacute de la electronegatividad de los aacutetomos a los cuales el hidroacutegeno
estaacute enlazado En la Tabla 1 se muestra las energiacuteas de enlaces inherentes a algunos
iones bi-haluros de hidroacutegeno
Tabla 1 Energiacuteas de enlaces de algunos iones bihal uros de hidroacutegeno 7
HX + Y- rarr XHY-
XHY- ∆∆∆∆HdegKcal mol -1
(FHF)- -37 ClHmiddotmiddotmiddotCl- -14 BrHmiddotmiddotmiddotBr- -13
IHmiddotmiddotmiddotI- -12 ClHmiddotmiddotmiddotBr- -9
En un trabajo publicado en 1935 Pauling4 estudioacute detalladamente la estructura del
hielo Ih y encontroacute que
1 El aacutetomo de oxiacutegeno estaacute enlazado a dos aacutetomos de hidroacutegeno formando una
moleacutecula de agua con distancia de enlace H-O de 095 Aring y aacutengulo H-O-H de
105ordm aproximadamente como se muestra en la Figura 3
4
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
6
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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61 H S Frank Porc R Soc A 247 (1958) 481
62 J Del Bene y J A Pople J Chem Phys 52 (1970) 4858
63 J Del Bene y J A Pople J Chem Phys 58 (1973) 3605
64 G A Jeffrey M E Gress y S Takagi Carbohydr Res 60 (1978) 179
65 Y C Tse y M D Newton J Am Chem Soc 99 (1977) 611
66 J J Dannenberg J Mol Struct 615 (2002) 219-226
4
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Figura 3 Moleacutecula de agua Distancia y aacutengulo de e nlace
2 Cada moleacutecula de agua estaacute orientada de modo que sus dos aacutetomos de
hidroacutegeno apuntan haciacutea dos de los cuatros aacutetomos de oxiacutegeno vecinos que
la rodean en un ambiente tetraeacutedrico formando con ellos enlaces de
hidroacutegeno En este arreglo espacial la distancia entre el hidroacutegeno y el
oxiacutegeno de la misma moleacutecula es de 100 Aring mientras que esa distancia es
de 176 Aring con el oxigeno de la moleacutecula de agua vecina mas cercana tal y
como se muestra en la Figura 4
Figura 4 Distribucioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en el hielo Ih
3 La orientacioacuten de las moleacuteculas de agua adyacente es tal que soacutelo un aacutetomo
de hidroacutegeno yace a lo largo del eje oxiacutegeno-oxiacutegeno La distancia de
separacioacuten OO es aproximadamente de 276 Aring como se muestra la Figura
5
5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
6
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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5
Figura 5 Alineacioacuten del enlace de hidroacutegeno
4 En condiciones ordinarias las interacciones moleculares entre las moleacuteculas
de agua no adyacentes es decir las de la segunda esfera de solvatacioacuten no
son lo suficientemente significativas y soacutelo se cumplen alguna de las
condiciones anteriores pero no necesariamente todas Esto conduce a un
efecto entroacutepico en el que se satisfacen muchas configuraciones pero no
todas conducen a un entorno tetraeacutedrico ordenado
Matsumoto y colaboradores8 recientemente utilizaron la dinaacutemica molecular para
simular la nucleacioacuten y crecimiento del hielo Ih en procesos de enfriamiento del agua
En el estudio los autores confinaron 512 moleacuteculas de agua en una caja cuacutebica bajo
condiciones de periodo liacutemite y en el enfriamiento encontraron cuatro estados
dinaacutemicos (1) un periodo de tiempo amplio de 0-256ns con una energiacutea potencial
constante (2) un periodo de tiempo relativamente corto entre 256-290ns en el cual la
energiacutea potencial disminuye lentamente (3) otro periodo donde la energiacutea potencial
decrece raacutepidamente de 290-320ns y por uacuteltimo (4) uno (tgt320ns) en el que la energiacutea
potencial desciende lentamente hasta culminar en la cristalizacioacuten Estos distintos
estados se observan en la Figura 6 la cual representa un diagrama de energiacutea
potencial obtenido para todo el proceso de congelacioacuten del agua Ademaacutes en la Figura
7 se observa la disposicioacuten tetraeacutedrica espacial de las moleacuteculas de agua en cada uno
de los cambios dados por el proceso de nucleacioacuten y crecimiento del hielo tal y como
fuera sentildealado por Pauling 67 antildeos antes
6
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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61 H S Frank Porc R Soc A 247 (1958) 481
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63 J Del Bene y J A Pople J Chem Phys 58 (1973) 3605
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65 Y C Tse y M D Newton J Am Chem Soc 99 (1977) 611
66 J J Dannenberg J Mol Struct 615 (2002) 219-226
6
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Figura 6 La energiacutea total de las estructuras
instantaacuteneas en la trayectoria de las 512 moleacuteculas
de agua confinadas en una caja cuacutebica bajo una
condicioacuten de tiempo liacutemite despueacutes del ldquoquenchingrdquo
(a t =0ns) desde la temperatura maacutes alta hasta 230K
Pasado el tiempo suficiente de acondicionamiento a
la temperatura maacutes alta (400K) se produce el salto de
temperatura El inserto muestra la energiacutea potencia l
total de las estructuras inherentes correspondiente s
a las estructuras instantaacuteneas en el recorrido de t =
250-320 ns Las estructuras inherentes fueron
calculadas mediante ldquoquenchingrdquo locales realizados
a intervalos de 10-ps Noacutetese que el proceso de
enfriamiento divide al experimento en cuatro
estados (1) a lo largo del periodo comprendido
desde t = 0 hasta t = 250 ns la energiacutea total del
sistema no cambia significativamente (liacuteneas rojas)
(2) las liacuteneas verdes indican un pequentildeo descenso d e
la energiacutea total del sistema (3) las azules indica n un
raacutepido descenso y (4) las moradas reflejan la
culminacioacuten del proceso de cristalizacioacuten
7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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7
Figura 7 La red de enlaces de hidroacutegeno de las mol eacuteculas de agua para un tiempo dado en estructuras
inherentes Para un tiempo (a) t = 208 ns (b) t = 256 ns (c) t = 290 ns (d) t = 320 ns y (e) t = 500 ns Las liacuteneas
indican los enlaces de hidroacutegeno entre las moleacutecula s de agua Las liacuteneas de azul brillante indican los
enlaces de hidroacutegeno maacutes duraderos las cuales tien den a persistir maacutes que el valor del umbral especif icado
antes de un tiempo t dado Las liacuteneas de azul maacutes brillante son los que corresponden a los que tienen un
tiempo de vida mayor a 2 ns ( τvida gt 2 ns) En la regioacuten del ciacuterculo se puede observa r la formacioacuten del primer
nuacutecleo de crecimiento del hielo
8
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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En 1949 Pauling9 publica otro trabajo donde trata la covalencia del enlace de
hidroacutegeno estudiando nuevamente al hielo Ih A traveacutes de la diferencia de
electronegatividades entre el oxiacutegeno y el hidroacutegeno Pauling postuloacute que el enlace
covalente O-H tiene un caraacutecter ioacutenico parcial de 39 En teacuterminos de la teoriacutea de
orbitales de valencia esto implica que el orbital de valencia 1s del aacutetomo de hidroacutegeno
queda liberado de tal enlace en un 39 de modo que la formacioacuten de un enlace
covalente con el aacutetomo de oxiacutegeno de la moleacutecula vecina es posible si se considera
que la moleacutecula de agua en el hielo existe por la resonancia de las estructuras A B y C
mostradas a continuacioacuten
Es preciso resaltar que la anterior representacioacuten es la interaccioacuten lineal entre el
grupo aceptor O-H (del lado izquierdo) y el hidroacutegeno donado por la moleacutecula de agua
vecina (del lado derecho)
Por consiguiente Pauling muestra que el caraacutecter covalente6 del enlace de
hidroacutegeno estaacute determinado por la estructura C a la cual le corresponde un valor de
5 en comparacioacuten a 61 y 34 para las estructuras A y B respectivamente
Pauling no descartaba la covalencia parcial del enlace de hidroacutegeno pero no la
aceptaba totalmente ya que creiacutea que la naturaleza electroestaacutetica explicaba los altos
valores del momento bipolar y la constante dieleacutectrica en algunas sustancias quiacutemicas
empleadas como solvente tal y como se observa en la Tabla 2
9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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9
Tabla 2 Constante dieleacutectrica y momento bipolar de algunas sustancias
empleadas como solvente 10
Compuesto Const dieleacutectrica
Momento bipolar (deybe)
Formamida 1100 337 Agua 785 185 Dimetil sulfoacutexido 489 396 Metanol 326 166 Etanol 243 168 Acetona 207 272 Amoniaco 169 147 Cloroformo 48 115 Dimetil eacuteter 43 115 Benceno 23 000 Tetracloruro de carbono
22 000
Hexano 19 000
Con el propoacutesito de medir directamente el caraacutecter covalente del enlace de
hidroacutegeno Isaacs y colaboradores11 recientemente realizaron mediciones de dispersioacuten
Compton con rayos-X en el hielo Ih En particular midieron los perfiles anisotroacutepicos los
cuales son sensibles a la fase de la funcioacuten de onda electroacutenica y por tanto a la
covalencia del enlace de hidroacutegeno La Figura 8 muestra la variacioacuten anisotroacutepica del
perfil de Compton en el hielo Ih con el momento del electroacuten en unidades atoacutemicas
(au) Hay una variacioacuten perioacutedica en la intensidad que se hace maacutes evidente en el
rango de p = 05 y 25 au
Mediante caacutelculos mecaacutenico-cuaacutenticos los autores reprodujeron el perfil de
intensidades puramente covalentes y electroestaacutetico Las curvas calculadas se
representan en el inserto de la Figura 8 como liacuteneas continuacuteas y entrecortadas
respectivamente Los maacuteximos de intensidad aparecen a distancias de 172 Aring y 285 Aring
que corresponden a la longitud del enlace de hidroacutegeno y la otra a la distancia OO de
las moleacuteculas vecinas maacutes cercanas respectivamente
10
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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Estos resultados representan las evidencias experimentales maacutes directas del
caraacutecter covalente en el enlace de hidroacutegeno que se forma entre moleacuteculas vecinas de
agua
Figura 8 Perfil anisotroacutepico de dispersioacuten Compton
En 1960 Pimentel y McClellan12 proveen una definicioacuten maacutes amplia del enlace de
hidroacutegeno que dice
ldquoUn enlace de hidroacutegeno existe entre un grupo funcional X-H y un aacutetomo o grupo de
aacutetomos Y que se encuentren en la misma moleacutecula o en moleacuteculas diferentes cuando
a) se tenga la evidencia de la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno (asociacioacuten o
coordinacioacuten) y b) este nuevo enlace acopla especiacuteficamente al grupo X-H y al Y
involucrando al aacutetomo de hidroacutegeno enlazado directamente a X En otras palabras
este enlace existe siacute un aacutetomo de hidroacutegeno estaacute enlazado a dos o maacutes aacutetomosrdquo
Esta definicioacuten es la situacioacuten que surge cuando un grupo entero de tres o maacutes
aacutetomos adoptan la siguiente configuracioacuten
X H Y
11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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11
en donde X e Y pueden ser cualquiera de los siguientes elementos O N C F Cl S
P13 Se entiende de esta configuracioacuten que entre uno de los dos o maacutes enlaces de
hidroacutegeno formados habraacute uno maacutes fuerte que el otro y por ende el maacutes deacutebil es el
enlace de hidroacutegeno No obstante existen casos importantes donde los dos enlaces
formados tienen la misma fuerza y longitud cuya configuracioacuten corresponde a
X H X
Ejemplos de esta configuracioacuten son F-H-F en el ioacuten bifluoruro13 con una
distancia de enlace F-H de 12 Aring y O-H-O en las sales aacutecidas de varios aacutecidos
monobaacutesicos14
Esta definicioacuten maacutes amplia abarca la formacioacuten de enlaces de hidroacutegeno inclusive
con aacutetomos no tan electronegativos como lo es el carbono15-17 o a electrones
asociados a este aacutetomo por sistemas de orbitales π17-21 Esta nueva mirada hacia el
enlace de hidroacutegeno provee una herramienta valiosa que pudiera explicar fenoacutemenos
tales como el reconocimiento quiacutemico a nivel molecular y el auto-ensamblaje
supermolecular1819 y supramolecular
12 Definicioacuten del Enlace de Hidroacutegeno en Teacuterminos de Geometriacutea y Energiacutea
121 Los Paraacutemetros Geomeacutetricos
En general el enlace de hidroacutegeno estaacute constituido por un grupo donador de
hidroacutegeno X-H y un grupo aceptor A con requerimiento miacutenimo de acercamiento entre
ellos dado por las distancias de contacto de van der Waals13 Esta no es maacutes que la
distancia miacutenima a la cual se pueden acercar dos aacutetomos no enlazados y su definicioacuten
principal estaacute dada por el radio de van der Waals22 En la Tabla 3 se muestran algunas
distancias de contacto de van der Waals y de enlaces de hidroacutegeno observados Por lo
tanto el enlace de hidroacutegeno se puede describir en funcioacuten de los siguientes
paraacutemetros17 d D θ y r como se muestra en la Figura 9
12
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X H
A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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A Y
θ
r
d
φD
Figura 9 Definicioacuten de los paraacutemetros geomeacutetricos p ara el enlace de
hidroacutegeno de φφφφ θθθθ D d y r
Claramente soacutelo tres de estos teacuterminos son independientes d r y θ siendo D el
paraacutemetro auxiliar Consecuentemente si el enlace de hidroacutegeno se extiende sobre el
grupo aceptor a lo largo de la liacutenea entrecortada X-HmiddotmiddotmiddotA-Y se puede definir un aacutengulo
φ aceptor HmiddotmiddotmiddotA-Y
Tabla 3 Distancias de contacto de van der Waals y distancias de enlaces de hidroacutegeno observada para algunos sistemas comunes d e enlaces de hidroacutegeno 13
XmiddotmiddotmiddotA HmiddotmiddotmiddotA Tipo de enlace (Calc) (Obs) (Calc) (Obs)
F-H-F 27 24 26 12
O-HmiddotmiddotmiddotO 28 27 26 17 O-HmiddotmiddotmiddotF 28 27 26 17
O-HmiddotmiddotmiddotN 29 28 27 19
O-HmiddotmiddotmiddotCl 32 31 30 22 N-HmiddotmiddotmiddotO 29 29 26 20 N-HmiddotmiddotmiddotF 29 28 26 19 N-HmiddotmiddotmiddotCl 33 33 30 24 N-HmiddotmiddotmiddotN 30 31 27 22 N-HmiddotmiddotmiddotS 34 34 31 24 C-HmiddotmiddotmiddotO 30 32 26 23
Nota XA es la distancia entre el grupo aceptor de hidroacutegeno (X) y el grupo donador (D) HA es la distancia del enlace de hidroacutegeno X puede ser F N O S o P que poseen pares de electrones libres y el D que puede ser moleacuteculas tales como F-H Cl-H o fragmentos moleculares tales como O-H N-H C-H S-H y P-H
13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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13
Una estricta descripcioacuten de los requerimientos geomeacutetricos para la formacioacuten del
enlace de hidroacutegeno amerita el uso de maacutes paraacutemetros independientes El nuacutemero de
paraacutemetros dependeraacute particularmente de la naturaleza del sistema17 Por lo tanto
para un par de moleacuteculas biatoacutemicas como se muestra en la Figura 9 una descripcioacuten
maacutes detallada necesita considerar al aacutengulo de torsioacuten alrededor de HmiddotmiddotmiddotA
aumentaacutendose asiacute el nuacutemero de paraacutemetros independientes a 5 siempre y cuando la
posicioacuten de A quede definida En enlaces dobles y triples la distancia del enlace de
hidroacutegeno formado se mide usualmente desde el centro del enlace (M) En cambio
para anillos fenilos se toma el centroide como punto de referencia En la Figura 10 se
tiene una serie de ejemplos de enlaces de hidroacutegeno donde estaacuten involucrados
sistemas de dobles y triples enlaces en fase gaseosa En la Figura 11 se puede
observar un conjunto de disposiciones en las cuales se define los paraacutemetros
geomeacutetricos para el enlace de hidroacutegeno en el caso donde se vea involucrado un anillo
fenilo
H C C C
H
HH
HF
C C
H
H H
H
H
Cl
372 H
Cl
357
H C C H
Cl
H
H C C H
C
H
N
367 366
H C C H
C
H
C
435
H
(a)
(e)
(b)
(d) (f)
(c)
Figura 10 Diacutemeros en fase gaseosa de algunos siste mas de enlaces de
hidroacutegeno estudiados por espectroscopiacutea rotacional (a) HCl-acetileno
HCN-acetileno (c) diacutemeros de acetileno (d) HF-pro pino (e) HCl-etileno (f)
HCl-ciclopropano
14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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14
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Figura 11 Categoriacuteas
geomeacutetricas de las
interacciones de X-HmiddotmiddotmiddotPh
definidas por Malone 23 Tipo
I d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg
lelelele αααα lelelele 180degdegdegdeg d lelelele 05 Aring Tipo II
d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege 53degdegdegdeg 150degdegdegdeg lelelele
αααα lelelele 180degdegdegdeg 05 Aring lelelele d lelelele 14 Aring
Tipo III d(M) lelelele 305 Aring θ gegegege
53degdegdegdeg αααα lt 150degdegdegdeg d lelelele 14 Aring
Tipo IV d(M) lelelele 305 Aring 40degdegdegdeg lelelele
θ lelelele 60degdegdegdeg 130degdegdegdeg lelelele αααα lelelele 150degdegdegdeg 14
lelelele d lelelele 15 Aring Tipo V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg 90degdegdegdeg lelelele αααα lelelele
180degdegdegdeg d gt 14 Aring V d(M) lelelele
400 Aring θ lelelele 90degdegdegdeg αααα gegegege 90degdegdegdeg d gt
14 Aring
En algunos casos las interacciones de los enlaces de hidroacutegeno son de amplio
rango en distancias Un grupo X-H puede estar enlazado a la vez a maacutes de un grupo
aceptor A por consiguiente siacute hay dos grupos aceptores A1 y A2 se forma el enlace de
hidroacutegeno bifurcado Los enlaces de hidroacutegeno bifurcado estaacuten caracterizados por las
distancias r d1 y d2 y los aacutengulos θ1 θ2 y θ3 asiacute como se muestra en la Figura 12
donde se muestran los enlaces de hidroacutegeno bifurcados aceptor y donador
15
X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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X H
A2
A1
X H
A2
A1
Y A
H
H
X2
X1
(a)
(b)
rd1
d2
θ1
θ2θ3
Donador bifurcado Aceptor bifurcado
Figura 12 El enlace de hidroacutegeno bifurcado (a) Pa raacutemetros geomeacutetricos (b) Definicion del
enlace de hidroacutegeno donador bifurcado (derecha) y a ceptor bifurcado (izquierda)
Por uacuteltimo los enlaces X-H dominan energeacuteticamente por encima de los enlaces
de hidroacutegeno deacutebiles HA por una diferencia abrumadora No obstante las entidades
X-H y HA no son independientes una de la otra ya que los enlaces de hidroacutegeno no
son interacciones de pares de aacutetomos sino de pares de grupos de aacutetomos La distancia
de X-H no es constante y estaacute afectada por HA de modo que la distancia de HA
depende considerablemente de la naturaleza de R1 X y R2 del mismo modo el enlace
A-R2 experimenta el efecto de la influencia del grupo donador Anaacutelogamente esto
sucede en el enlace de hidroacutegeno bifurcado que depende de la interaccioacuten de un grupo
de cuatro aacutetomos X H A1 y A217 asiacute como se muestra en la Figura 13
X H
A2
A1
R
R1
2
Figura 13 Enlace de hidroacutegeno bifurcado con depend encia de cuatro
aacutetomos
16
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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122 Los paraacutemetros energeacuteticos
La Figura 14 representa esquemaacuteticamente el perfil de energiacutea potencial en
funcioacuten de la distancia de una interaccioacuten intermolecular tiacutepica dado por un enlace de
hidroacutegeno HA La energiacutea maacutes baja se tiene cuando la distancia do llega al equilibrio
hacieacutendose negativa si dgtdo y positiva soacutelo para distancias maacutes cortas La liacutenea cero
en energiacutea separa las regiones energeacuteticas de estabilizacioacuten (Elt0) de las de
desestabilizacioacuten (Egt0) Cualquier desviacioacuten no significativa de la distancia de
equilibrio no representariacutea un costo en entalpiacutea Sin embargo si tal desviacioacuten resultara
muy grande los gastos entaacutelpicos tambieacuten seriacutean grandes de tal manera que el
sistema se desestabiliza Es claro que si se consideran las fuerzas de interaccioacuten en
vez de las energiacuteas de interaccioacuten entonces a la distancia de equilibrio las fuerzas se
igualan a cero17
Figura 14 Perfil de energiacutea potencial en funcioacuten d e la distancia para una
interaccioacuten tiacutepica bimolecular
Esto lleva a que se origine una fuerza a distancias dnedo que intentaraacute estabilizar la
geometriacutea oacuteptima de interaccioacuten del sistema por consiguiente para todas las
distancias dgtdo esta fuerza se hace atractiva En cambio si estas distancias son tales
que dltdo eacutesta se hace repulsiva La fuerza de atraccioacuten maacutes fuerte tiene lugar en el
punto de inflexioacuten de la curva que representa una geometriacutea muy inestable Por otra
parte la fuerza repulsiva se hace muy grande si se acorta mucho el valor de d Si ahora
se extiende la descripcioacuten de funcioacuten de potencial para el enlace de hidroacutegeno
asimeacutetrico X-HmiddotmiddotmiddotA se tiene un perfil de energiacutea potencial tal y como se muestra en la
17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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17
Figura 15 Desde un punto de vista quiacutemico es razonable e invariable que el aacutetomo de
hidroacutegeno esteacute estrechamente asociado maacutes a X que a A
Figura 15 Perfil de energiacutea potencial tiacutepico para u n sistema de enlace de
hidroacutegeno asimeacutetrico
Por consiguiente si se asume para el sistema XHX que el ambiente quiacutemico es
ideacutentico alrededor de ambos aacutetomos tipo X se puede tener un perfil de energiacutea
potencial que adopta la forma de la Figura 16
Este ejemplo trae a consideracioacuten dos situaciones (1) que el enlace X-H es
asimeacutetrico en relacioacuten con su semejante y (2) que el enlace X-H es simeacutetrico en
relacioacuten con su semejante Por lo tanto la primera implica una barrera de energiacutea de
potencial alta de modo que el enlace formado representa un promedio equivalente a
dos estructuras representadas como
X H X XHX
Configuracioacuten A Configuracioacuten B
18
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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Figura 16 Perfil de energiacutea potencial para una int eraccioacuten bimolecular siendo X
quiacutemicamente equivalentes
Por otra parte la segunda situacioacuten representa una barrera de potencial pequentildea
donde la velocidad de interconversioacuten entre las dos especies se incrementa haciendo
insostenible el estado fundamental que llega a ser una medida de la frecuencia tuacutenel a
traveacutes de la barrera es decir la frecuencia de interconversioacuten1317 Como la barrera
desaparece completamente o al menos se hace maacutes pequentildea se dice que el enlace
X-H-X es simeacutetrico
Ahora valdriacutea la pena preguntarse si es posible determinar la forma de la funcioacuten
de energiacutea potencial de las configuraciones (1) y (2) mostradas anteriormente Resulta
claro que para las situaciones que muestran configuraciones asimeacutetricas se puede
determinar la funcioacuten de onda potencial por medidas espectroscoacutepicas en la regioacuten del
infrarrojo13
La curvatura en el miacutenimo de la Figura 14 estaacute asociada a la constante de fuerza
de la interaccioacuten de tal manera que mientras maacutes agudo sea este miacutenimo mayor seraacute
la constante de fuerza y a su vez maacutes difiacutecil de distorsionar geomeacutetricamente
Entonces un miacutenimo ancho y poco profundo implica una constante de fuerza menor y
con interacciones faacuteciles de distorsionar
19
No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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No obstante en fase condensada la curva de energiacutea potencial por si misma es
una funcioacuten del medio y de sus alrededores y es un fenoacutemeno tiacutepico de cooperatividad
que puede influir significativa sobre la funcioacuten de onda de energiacutea potencial Por
consiguiente en las estructuras cristalinas soacutelo unos pocos enlaces de hidroacutegeno
pueden adoptar distancias do mientras que la mayoriacutea de estos enlaces presentan
alguacuten grado de distorsioacuten Sin embargo las distorsiones fuertes son poco probables por
los impedimentos entaacutelpicos Kroon y colaboradores24 realizaron un anaacutelisis
estadiacutesticos estudiando 196 enlaces de hidroacutegeno de 45 estructuras cristalinas de
polisacaacuteridos sacaacuteridos y compuestos relacionados ademaacutes derivaron las constantes
de fuerzas y la energiacutea de las distintas configuraciones del sistema donador-aceptor
O-HmiddotmiddotmiddotO Esta uacuteltima la obtuvieron por caacutelculos ab initio de campo auto-consistente
(SCF) a partir de 40 configuraciones de diacutemeros (H2O)2 cercanas a las geometriacuteas de
equilibrio Los resultados estadiacutesticos arrojaron que la variacioacuten de los paraacutemetros
geomeacutetricos presenta una distribucioacuten de tipo Boltzmann asiacute como se muestra en la
Figura 17
Figura 17 Histograma de los paraacutemetros caracteriza dos en el enlace de hidroacutegeno entre los
grupos hidroxilos en los cristales de sacaacuteridos po lisacaacuteridos y compuestos relacionados
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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20
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Algunas conclusiones derivadas de este estudio fueron (a) para aquellos casos
alejados de la geometriacutea oacuteptima la mayoriacutea de los enlaces de hidroacutegeno observados
son no lineales donde la falta de linealidad en los enlaces de hidroacutegeno presenta tanto
contribuciones geomeacutetricas como energeacuteticas (b) los valores de energiacutea calculada
para las geometriacuteas no-lineales no superan en la mayoriacutea de los casos 1 Kcalmiddotmol-1
respecto al valor calculado para la geometriacutea oacuteptima y (c) la forma de la curva de
energiacutea potencial en la regioacuten de 1 Kcalmiddotmol-1 estaacute determinada por las variaciones de
la energiacutea claacutesica de interaccioacuten couloacutembica24
En la Figura 13 soacutelo se variacutea la distancia d mientras los demaacutes paraacutemetros
permanecen constantes pero si a la vez se variacutea el aacutengulo θ el resultado es una
superficie de energiacutea potencial tal y como se observa en la Figura 18
Figura 18 Superficie de energiacutea potencial para una interaccioacuten intermolecular
Por ende si ocurre sobre este aacutengulo (θ) una compresioacuten o expansioacuten surgiraacute
una fuerza que restableceraacute la posicioacuten inicial y oacuteptima del enlace de hidroacutegeno
formado Normalmente las fuerzas vectoriales tienen lugar en las componentes
perpendiculares al enlace de hidroacutegeno Particularmente los enlaces de hidroacutegeno en
21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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21
el estado condensado estaacuten definidos por los paraacutemetros variables d θ y Φ
correspondientes a un punto sobre la superficie de energiacutea potencial
multidimensional16
El enlace de hidroacutegeno cubre una amplia y continuacutea escala de energiacuteas que va
desde ndash05 Kcalmol-1 hasta ndash400 Kcalmol-1 En la Tabla 4 se presentan un nuacutemero de
sistemas de enlaces de hidroacutegeno Estos pueden llegar a ser tan deacutebiles que son
apenas distinguibles de las interacciones de van der Waals mientras que los maacutes
fuertes pueden llegar a compararse con los enlaces covalentes maacutes deacutebiles
Tabla 4 Energiacuteas calculadas y distancias de equili brio para diferentes tipos de enlaces de hidroacutegeno 16
Enlace de Hidroacutegeno ∆E -Kcal mol -
1 DAring
[F―H- -F]+ 39 230
[OH3- - -OH2]+ 33 248
[NH4- - -NH3]+ 24 285
[OH2- - -OH]- 23 244
NH4+- - -OH2 189 277
OH2- - -Cl- 135 327
[NH3- - -NH2]- 102 291
O=C―O―H- - - O=C―O―H 74
Cl― H- - - OH2 54
OH2- - -OH2 50
N=C―H- - - OH2 38 312
Me―OH- - -Ph 28
OH2- - -F―CH3 24
H―CequivC― H- - - OH2 22
Cl― H- - - SeH2 20
H―CequivC― H- - - CequivC― H 14 416
SH2- - -SH2 11
CH4- - -OH2 06
CH4- - -SH2 04
CH4- - -FCH3 02
22
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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2 EL AGUA Y LOS ENLACES DE HIDROacuteGENO
Quizaacutes el ejemplo maacutes relevante al que se puede hacer referencia cuando se
habla de enlaces de hidroacutegeno es el agua La naturaleza de sus enlaces de hidroacutegeno
le confieren una gran afinidad haciacutea un sinnuacutemero de sistemas bioloacutegicos
principalmente con las estructuras de las cuales se origina la vida proteiacutenas aacutecidos
nucleicos liacutepidos y complejos carbohidratados Todas estas estructuras estaacuten
directamente relacionadas a su entorno acuoso por sus interacciones inter- e intra-
moleculares
Estudios de RMN-1H en el agua muestran un desplazamiento quiacutemico para los
protones involucrados en el enlace de hidroacutegeno a bajas frecuencias es decir
alrededor de +55 ppm a campo bajo en fase de vapor a 100 ordmC de modo que ocurre
una disminucioacuten en la fuerza del enlace de hidroacutegeno25 mientras que los experimentos
de RMN-17O se observa a campo bajo en fase gaseosa la sentildeal producto del oxiacutegeno
de la moleacutecula de agua cuyos valores se encuentran entre +36-38 ppm Esto evidencia
que el enlace de hidroacutegeno en los diacutemeros de agua es sustancialmente fuerte dado
que existe auacuten en el estado gaseoso en concentraciones significativas26 No obstante
como las moleacuteculas de agua estaacuten relativamente separadas en solucioacuten existe espacio
suficiente para que eacutestas puedan adoptar la configuracioacuten que tenga el menor
requerimiento energeacutetico Esto lleva a pensar que el enlace de hidroacutegeno en la
moleacutecula de agua tiene consigo un conjunto de movimientos aleatorios con
estiramientos y flexiones de todos los enlaces involucrados
En el agua liacutequida los arreglos instantaacuteneos de los puentes de hidroacutegeno no
son simeacutetricos27 De hecho estos arreglos son aleatorios existiendo igual probabilidad
de que los cuatro enlaces de hidroacutegeno (los dos hidroacutegenos aceptores y los dos
hidroacutegenos donadores) se localicen en cualquiera de los cuatro veacutertices alrededor del
oxigeno Ademaacutes las moleacuteculas de agua rodeadas por los cuatros enlaces de
hidroacutegeno tienden a agruparse en cuacutemulos siendo estos favorecidos tanto por razones
energeacuteticas como probabiliacutesticas28 El efecto cooperativo2930 observado en las
cadenas H-OmiddotmiddotmiddotH-OmiddotmiddotmiddotO influye marcadamente en la fuerza del enlace de hidroacutegeno
23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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23
encontraacutendose que en el agua liacutequida eacutesta puede llegar a ser 250 mayor que en un
diacutemero de agua
Las estructuras del hielo como ya se ha nombrado proveen los ejemplos maacutes
variados y flexibles en relacioacuten a la formacioacuten del enlace de hidroacutegeno Esto se puede
derivar de los diferentes polimorfos o fases cristalinas en las que la moleacutecula de agua
cristaliza en el hielo Tales fases cristalinas se conocen como I Ih Ic II III IV VII VIII y
XII13 En el estado soacutelido la moleacutecula de agua tiene un arreglo inusualmente abierta en
sus estructuras cristalinas producto de la disposicioacuten de la moleacutecula de agua en un
entorno tetraeacutedrico circundado por las cuatro moleacuteculas de agua maacutes cercanas
enlazadas por enlaces de hidroacutegeno ademaacutes por caacutelculos de dinaacutemica molecular se
demuestra que el agua es capaz de desarrollar 90 configuraciones posibles de celdas
unitarias distintas31 Una consecuencia notable de la estructura abierta del hielo se
refleja en su baja densidad a temperaturas debajo del 0ordm que es de 092 g mL-1
a diferencia de 100 g mL-1 a una temperatura de 0ordm y sus consecuencias en la vida
de los lagos riacuteos y mares32
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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24
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3 IMPORTANCIA DEL AGUA Y SUS INTERACCIONES EN LOS SISTEMAS
BIOLOacuteGICOS
El agua es un componente fundamental en los procesos de vida No existe
especie animal o vegetal que pueda prescindir de la ausencia total del agua Esto se
observa tanto a niveles macroscoacutepicos como microscoacutepicos Tal es asiacute que cuando se
retira el agua de macromoleacuteculas tales como proteiacutenas y aacutecidos nucleicos eacutestas
pierden su funcioacuten bioloacutegica como consecuencia de la degradacioacuten de su arquitectura
tridimensional
Desde el punto de vista del enlace de hidroacutegeno la moleacutecula de agua es la uacutenica
en poseer doble grupo donador y doble grupo aceptor de enlaces de hidroacutegeno los
cuales estaacuten determinados parcial o totalmente por la combinacioacuten de sus propiedades
dinaacutemicas de flip-flop1 y las de cooperatividad12930 de los grupos hidroxilo que son los
responsables de la esfera de hidratacioacuten alrededor de las proteiacutenas y los aacutecidos
nucleicos ademaacutes de mantener la estructura tridimensional de los mismos ya sea en
su estado natural o cristalino Por ejemplo cuando se sintetiza in vitro ribonucleasa A
eacutesta desarrolla pliegues por la formacioacuten de cuatro enlaces de bisulfuro33 El
acercamiento de estos grupos funcionales contenidos en residuos de cisteina resulta de
la asociacioacuten cooperativa entre los enlaces de hidroacutegeno formados por las moleacuteculas de
agua con aminoaacutecidos de diferentes dominios de la proteiacutena
Las proteiacutenas globulares de tamantildeo pequentildeo contienen moleacuteculas de agua
escondidas Tal es el caso de la proteiacutena inhibidora de la tripsina pancreaacutetica Esta
proteiacutena contiene 18 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua Otros ejemplos
son la lisozima con 129 residuos de aminoaacutecidos y 4 moleacuteculas de agua y la actinidina
con 218 residuos de aminoaacutecidos y con un nuacutemero de moleacuteculas internas de agua entre
10-20 Estas moleacuteculas de agua pueden permanecer ocultas en el interior de la proteiacutena
globular o localizarse en las cercaniacuteas de la superficie1
25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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25
En algunas proteiacutenas emparentadas las moleacuteculas internas de agua se ubican en
las mismas posiciones por lo que estas moleacuteculas pasan a ser parte indispensable de
la estructura tridimensional Asiacute como sucede con tres cistein-proteinazas vegetales la
actinidina la papaina y la calotropina D1 donde hay de 15 a 16 moleacuteculas de agua en
las mismas posiciones aproximadamente La Figura 19 muestra el patroacuten de enlaces
de hidroacutegeno para estas proteiacutenas que contienen de 8 a 16 moleacuteculas internas de
agua40
Figura 19 Un cuacutemulo de 8 moleacuteculas de agua en la e structura de la actinidina Todas las
posiciones de los hidroacutegenos se derivaron sobre bas e de los enlaces de hidroacutegeno ldquoloacutegicosrdquo el
N-HO y O-HO Noacutetese que las cadenas laterales cargadas Lys181 Glu35 estaacuten enlazadas a dos
moleacuteculas de agua W3 W9 Las unidades de las dista ncias O ON estaacuten dadas en Aring
Las moleacuteculas de agua no soacutelo se ubican en las cavidades de la estructura
proteica sino que son necesarias para estabilizar el plegamiento tridimensional cuya
funcioacuten es llevada a cabo por los enlaces de hidroacutegeno de lo contrario se veriacutean poco
satisfechos los grupos donadores y aceptores de hidroacutegeno ademaacutes de los grupos
medianamente cargados Por ejemplo en la penicilopepsina hay varios grupos 7
grupos C=O y 9 N-H en la cadena principal y 2 cargados en la cadena lateral donde
hay patrones de enlaces de hidroacutegeno intramoleculares y en la lisozima sucederiacutea lo
mismo con 3 grupos C=O y 3 N-H internos en la cadena principal si no hubiese
moleacuteculas de agua internas
26
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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En algunos casos estas moleacuteculas de agua forman enlaces de hidroacutegeno con los
grupos cargados de las cadenas laterales lo cual previene el colapso estructural de los
residuos de aminoaacutecidos cargados de la cadena opuesta39 Esto se observa en la
carboxipeptidasa entre la Asp104-agua-Asp59 y en la actinidina en los residuos Glu35-
agua-Lys181 Tales moleacuteculas de agua estaacuten rodeadas en gran parte por un ambiente
apolar donde sus enlaces de hidroacutegeno con frecuencia son fuertes y estaacuten bien
definidos41
En las estructuras cristalinas de moleacuteculas medianas de proteiacutenas las moleacuteculas
de agua estaacuten unidas comuacutenmente a tres o cuatro enlaces de hidroacutegeno
simultaacuteneamente con una participacioacuten de las interacciones1 del 48 para los tres
enlaces y 37 para los de cuatro Ademaacutes las moleacuteculas de agua en la estructura de
las proteiacutenas no se encuentran solas sino que estaacuten ensambladas en forma de
cuacutemulos En algunas de la estructura de proteiacutenas una moleacutecula de agua interna se
asocia con tres grupos aceptores indicados en los enlaces triple-centrados como los
observados en las estructuras de cristalinas de los α-aminoaacutecidos zwitterioacutenicos
Otro ejemplo de la importancia del agua en la funcionalidad de las proteiacutenas lo
representa el control que eacutesta ejerce en el flujo de los iones sodio calcio y potasio a
traveacutes de los canales inter- y extra-membranales de las ceacutelulas en la regulacioacuten de las
sentildeales nerviosas34-37 Tambieacuten existen en las membranas celulares los denominados
canales de agua (Figura 20) que facilitan el raacutepido transporte de agua en respuesta a
un gradiente osmoacutetico38 En las proteiacutenas las moleacuteculas de agua no soacutelo hidratan la
superficie de eacutestas sino que tambieacuten ocupan los intersticios entre moleacuteculas de la
proteiacutena en la red cristalina encontraacutendose en posiciones especiacuteficas Ademaacutes las
interacciones con los aacutetomos o grupos de aacutetomos de la cadena lateral y principal
merecen especial atencioacuten39
27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
34
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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27
Figura 20 Estructura proteica de un canal de agua de la familia de las acuapurinas (Sui et al
Nature 414 (2001) 872)
28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
42
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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28
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4 EL ENLACE DE HIDROacuteGENO EN LA QUIacuteMICA SUPRAMOLECU LAR
La quiacutemica supramolecular es un campo altamente interdisciplinario de la ciencia
que abarca las caracteriacutesticas fiacutesicas quiacutemicas y bioloacutegicas relacionadas con especies
quiacutemicas de mayor complejidad que las moleacuteculas mismas que estaacuten unidas y
organizadas por medio de interacciones intermoleculares no covalentes42
Los objetos de estudio de la quiacutemica supramolecular son las entidades
supramoleculares que son supermoleacuteculas con caracteriacutesticas tan bien definidas como
las moleacuteculas mismas Puede decirse que las supermoleacuteculas son a las moleacuteculas y a
las interacciones intermoleculares lo que a las moleacuteculas son los aacutetomos y los enlaces
covalentes 4243
Las interacciones intermoleculares forman las bases de los procesos de
reconocimiento altamente especiacutefico reaccioacuten transporte regulacioacuten etc que ocurren
en los sistemas vivos42 tales como la unioacuten de un sustrato a una proteiacutena receptora
reacciones enzimaacuteticas auto-ensamblaje de complejos proteicos asociacioacuten
inmunoloacutegica antiacutegeno-anticuerpo lectura intermolecular traslacioacuten y trascripcioacuten del
coacutedigo geneacutetico regulacioacuten de la expresioacuten geneacutetica por la unioacuten ADN-proteiacutena
entrada de un virus al interior de una ceacutelula sentildeales para la induccioacuten del sistema de
neurotransmisores reconocimiento celular entre otros
La quiacutemica supramolecular se divide en dos aacutereas que estaacuten parcialmente
solapadas44 Una de ellas estaacute compuesta por las supermoleacuteculas las cuales estaacuten
definidas por especies discretas oligomoleculares que resultan de la asociacioacuten
intermolecular de unos pocos componentes por ejemplo un receptor y su sustrato
siguiendo los principios del reconocimiento molecular La otra estaacute compuesta por los
ensambles supramoleculares que son entidades polimoleculares producto de la
asociacioacuten espontaacutenea de un nuacutemero indefinido de componentes dentro de una fase
especiacutefica teniendo maacutes o menos una organizacioacuten microscoacutepicas bien definida y
unas caracteriacutestica macroscoacutepicas que dependen de su naturaleza42 tales como las
29
peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
30
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
32
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
38
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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peliacuteculas membranas vesiacuteculas miscelas fases mesomoacuterficas estructuras cristalinas
etc
Dentro de las interacciones intermoleculares los enlaces de hidroacutegeno
representan la interaccioacuten direccional maacutes confiable y es considerada la llave maestra
en el reconocimiento molecular y en la ingenieriacutea de cristales44 Un ejemplo reciente de
la relevancia de los enlaces hidroacutegeno en la quiacutemica supramolecular lo representa la
siacutentesis de catalizadores viacutea interacciones muacuteltiples de enlaces de hidroacutegeno45 En la
Figura 21 se muestra la apertura cataliacutetica del anillo epoacutexido por la accioacuten del grupo
tiol junto con la cooperacioacuten de los grupos funcionales ion fosfonio (aacutecido) y C(4)=O
(base) mediante la formacioacuten de un sustrato cataliacutetico por el auto-ensamblaje de dos
unidades 2-ureidoisocitosina unidas por interacciones muacuteltiples de enlaces de
hidroacutegeno
Figura 21 Mecanismo propuesto para la cataacutelisis de la apertura del anillo epoacutexido con el
grupo tiol la cooperacioacuten de los grupos funcionale s del ioacuten fosfonio aacutecido y a base C(4)=O por
autoensamble a traveacutes de interacciones de enlazamie ntos de hidroacutegeno multiples
41 Ingenieriacutea De Cristales
Las fuerzas en un cristal orgaacutenico presentan una mezcla de interacciones
isotroacutepicas y anisotroacutepicas de distinta magnitud y polarizabilidad Las primeras estaacuten
representadas por interacciones van der Waals o de dispersioacuten tipo London y las
segundas por los enlaces de hidroacutegeno Sin embargo ha sido observado de manera
repetitiva que ciertos bloques de construccioacuten denominados sintones
supramoleculares exhiben un patroacuten molecular determinado con interacciones
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caracteriacutesticas y tienden a cristalizar en arreglos establecidos favorecidos
energeacuteticamente Estos pueden coexistir con eficiencia en un empaquetamiento
cristalino compacto4246 La ingenieriacutea de cristales consiste en la identificacioacuten y
clasificacioacuten de estos denominados sintones para su utilizacioacuten racional y sistemaacutetica
en la construccioacuten de nuevos materiales con propiedades estructurales especiacuteficas
Hay combinaciones espaciales de las interacciones intermoleculares que pueden
ser reconocidas faacutecilmente como elementos ideales para la arquitectura en el estado
soacutelido Los sintones comunes pueden incluir diacutemeros y cataacutemeros carboxiacutelicos46 asiacute
como se muestra en la Figura 22
Figura 22 Algunos patrones de enlaces de hidroacutegeno en aacutecidos carboxiacutelicos El aacutecido tereftaacutelico
se emplea como motivo dimeacuterico en cambio el aacutecido trimeacutesico y el aacutecido adamantano-1357-
tetracarboxiacutelico para la construccioacuten de redes bi- y tri-dimensionales
Los aacutecidos carboxiacutelicos son los grupos funcionales comuacutenmente usados en las
estrategias metodoloacutegicas47 de la ingenieriacutea de cristales por su facilidad de formar
enlaces de hidroacutegeno aunque a veces tambieacuten se emplean los aminoaacutecidos y demaacutes
compuestos orgaacutenicos que tengan grupos funcionales donadores o aceptores de
enlaces de hidroacutegeno Los aacutecidos carboxiacutelicos pueden desarrollar dos tipos de patrones
31
de enlaces de hidroacutegeno ellos son los diacutemeros y cataacutemeros fundamentados en el
tamantildeo del grupo R en el aacutecido es decir RCOOH Esto se muestra en la Figura 23
Figura 23 Patroacuten de reconocimiento del aacutecido barbu tiacuterico y la melanina una descripcioacuten
esquemaacutetica de los distintos tipos de estructuras d erivadas de este tipo de patroacuten como se
describe la cinta lineal la cinta arrugada y la ro seta
42 Reconocimiento Molecular
El estudio del reconocimiento molecular ha involucrado a las principales
funciones bioloacutegicas Muchos de estas funciones pueden ser manipuladas a traveacutes de
receptores artificiales ideados que pueden funcionar efectiva y eficientemente como sus
contrapartes bioloacutegicas48 El disentildeo de receptores bioloacutegicos artificial requiere de la
copia casi perfecta de las caracteriacutesticas esteacutericas y electroacutenicas de las fuerzas
intermoleculares no-covalentes entre el sustrato y el receptor4950 Entonces el
reconocimiento molecular se puede definir como un proceso que involucra tanto la
unioacuten como la seleccioacuten de un sustrato por una moleacutecula receptora dado que sus
funciones sean altamente especiacuteficas5152
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Una manera muy eficiente de diferenciar o comparar el reconocimiento molecular
de la ingenieriacutea de cristales se puede resumir en la Tabla 5
Tabla 5 Comparaciones maacutes resaltantes entre la ing enieriacutea de cristales y el reconocimiento molecular 44
Ingenieriacutea de Cristales Reconocimiento Molecular
(1) Dirigida expliacutecitamente al estado soacutelido
(1) Relacionada principalmente en fase de solucioacuten
(2) Se Estudian las uniones convergentes y divergentes de las moleacuteculas
(2) Se estudian las uniones convergentes de las moleacuteculas principalmente
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas obtenidas por cristalografiacutea de rayos-X
(3) Las interacciones intermoleculares son estudiadas en teacuterminos de constantes de asociacioacuten obtenidas por espectroscopia (RMN UV IR etc)
(4) El disentildeo de estrategias involucra el control del arreglo tridimensional de las moleacuteculas en el cristal Un arreglo idealmente resulta de las propiedades quiacutemicas y fiacutesicas deseadas
(4) El disentildeo de las estrategias estaacuten relacionadas al reconocimiento en general de dos especies el sustrato y el receptor Este reconocimiento se emplea para hacer miacutemica de algunos sistemas con funciones bioloacutegicas especiacuteficas
(5) Tanto las interacciones fuertes como las deacutebiles se consideran independientes o comunes en las estrategias de disentildeo e ingenieriacutea
(5) Soacutelo las interacciones fuertes son usadas para o por el evento de reconocimiento Estas interacciones son por lo general enlaces de hidroacutegeno
(6) El disentildeo puede involucrar tanto especies de componentes sencillos como multi-componentes
(6) El disentildeo involucra usualmente dos especies distintas el sustrato y el receptor Las ideas concernientes al auto-reconocimiento estaacuten pobremente desarrolladas
(7) En complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades de los hueacutespedes se componen de varias moleacuteculas y las siacutentesis de estos pueden ser bastante faacutecil La geometriacutea y funcionalidad de las moleacuteculas anfitrionas son con frecuencia importantes en la complejacioacuten
(7) En los complejos hueacutesped-anfitrioacuten las cavidades hueacutespedes se forman por una moleacutecula macro-ciacuteclica sencilla La siacutentesis de estos por lo general son tediosas La estructura del anfitrioacuten juega un papel criacutetico en la complejacioacuten antes que la moleacutecula hueacutesped
(8) Las rutas sinteacuteticas de retro-siacutentesis se pueden deducir desde la CSD para disentildear nuevos patrones empleando tanto interacciones fuertes como deacutebiles
(8) No hay protocolos para la identificacioacuten de nuevos patrones de reconocimientos Muchos dependen de sus preferencias y del estilo individual
33
5 LOS AMINOAacuteCIDOS Y LOS ENLACES DE HIDROGENO
51 Definicioacuten Y Naturaleza
En principio el teacutermino aminoaacutecido se podriacutea referir a cualquier compuesto que
tenga una funcioacuten amino y otra aciacutedica Sin embargo en la praacutectica la palabra
aminoaacutecido ha sido principalmente empleada para hacer referencia a los α-aminoaacutecidos
provenientes de fuentes naturales Se han aislado e identificado 100 de estos
aminoaacutecidos pero soacutelo 20 de ellos se obtienen de la hidroacutelisis de las proteiacutenas maacutes
comunes32
Los 20 α-aminoaacutecidos que conforman los bloques estructurales de las proteiacutenas se
muestran en la Tabla I6 Todos ellos tienen grupos aminos primarios Todos ellos
excepto la glicina tienen al menos un aacutetomo de carbono asimeacutetricamente sustituido el
carbono α por lo que se encuentran en la naturaleza en su forma oacuteptimamente
activa105354
Los aminoaacutecidos son soacutelidos muy solubles en agua Esta propiedad se mantiene
en todos los aminoaacutecidos inclusive en los β- γ- δ- ε-aminoaacutecidos (refirieacutendose a la
posicioacuten del grupo amino con respecto al grupo carboxilato) pero va disminuyendo en
la medida que las cadenas alifaacuteticas se van haciendo maacutes largas5354 Esta tendencia se
observa claramente en la Tabla I6 donde la solubilidad disminuye gradualmente desde
la glicina hasta la leucina a medida que aumenta el tamantildeo del grupo R Ademaacutes los
aminoaacutecidos presentan elevados puntos de fusioacuten si se comparan con moleacuteculas
orgaacutenicas de tamantildeo y peso molecular similar Esto sugiere que la estructura de estos
compuestos debe ser semejante a la de una sal y por lo tanto la misma puede
escribirse como la de un ion hiacutebrido llamado zwitterioacuten tal y como se muestra en la
Figura 24
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RH
NH3
+
OO-
Figura 4 Diagrama general para la forma zwitterioacuten ica
de los α-aminoaacutecidos
Tabla 6 Aminoaacutecidos encontrados en las proteiacutenas 55
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Glicina Gly (G)
NH3
+
O
O
-
233d 25
Alanina Ala (A)
NH3
+
O
O
-
297d 17
Valina Val (A) NH3
+
O
O
-
315 9
Leucina Leu (L)
NH3
+
O
O
-
337 2
Isoleucina Ile (I) NH3
+
O
O
-
284 4
Prolina Pro (P) NH2
+
O
O
-
220 162
Fenilalanina Phe (F) NH3
+
O
O
-
283 3
Triptoacutefano Try (W) NH3
+
O
N
O
-
289 1
Metionina Met (M) NH3
+
OS
O
-
283 3
Serina Ser (S) NH3
+
OH
O
O
-
228 5
35
Treonina Thr (T) NH3
+
OH O
O
-
257 Muy
Compuesto Abreviacioacuten Estructura Pto de fus
(ordmC)
Sol en agua (g mol -1 a
25ordmC)
Tirosina Tyr (Y) NH3
+
O
OH
O
-
344 004
Asparagina Asn (N) NH3
+
O
O
NH2
O
-
236 24
Glutamina Gln (Q) NH3
+
OO
NH2
O
-
186 36
Aacutecido Aspaacutertico Asp (D)
NH3
+
O
O
OH
O
-
269 04
Aacutecido Glutaacutemico
Glu (E) NH3
+
OO
OH
O
-
247 07
Lisina Lys (K) NH3
+
ONH2
O
-
255 Muy
Arginina Arg (R)
NH3
+
ONH
N
NH2
O
-
230d 15
Histina His (H) NH3
+
O
N
NH
O
-
287 04
Por otra parte la estructura molecular de los aminoaacutecidos estaacute
determinada105354 en parte por el pH del medio Por ejemplo a valores de pHlt1 la
glicina existe como un catioacuten protonado A pero a pHgt12 el anioacuten aminocarboxilato C es
la forma principal Entre estos dos extremos en pH la sal interna B se presenta en
equilibrio entre las estructuras A y C
O
NH3
+
O
O
NH2
O
O
NH3
+
OH
H+
H+ H
A B C
H+-
+ + +
-
Catioacutenica Zwitterioacutenica Anioacutenica
36
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Por consiguiente los valores de pH en los aminoaacutecidos se asemejan mucho a los
de un aacutecido orgaacutenico biproacutetico La curva de titulacioacuten con una base acuosa indica que
aproximadamente el pKa1 para el aacutecido carboxiacutelico tiene un valor de 23 y el pKa2 para
el ioacuten amonio es cercano a 95
El pH para el cual un aminoaacutecido es una especie eleacutectricamente neutra se conoce
como punto isoeleacutectrico pI o pHI Este valor en la mayoriacutea de los aminoaacutecidos se
encuentra entre la mitad de los valores de pKa1 y pKa2
pI = frac12 (pK a1 + pKa2)
En la Tabla 7 se observan los valores de los pKa y pI para los aminoaacutecidos
fundamentales
Tabla 7 Los valores de pKa y pI de algunos aminoaacute cidos fundamentales 55
Aminoaacutecido pK a1 pKa2 pKa3 pI Alanina 235 978 607 Arginina 201 904 1248 1076 Asparagina 202 880 541 Aacutecido aspaacutertico 210 386 982 298 Cisteina 186 835 1034 511 Aacutecido glutaacutemico
210 407 947 308
Glutamina 217 913 570 Glicina 235 978 607 Histidina 177 610 918 764 Isoleucina 232 976 604 Leucina 233 974 604 Lisina 218 895 1053 974 Metionina 228 921 574 Fenilalanina 258 924 591 Prolina 200 1060 630
El grupo carboxiacutelico de un α-aminoaacutecido protonado es maacutes aciacutedico que aquellos
aacutecidos monocarboxiacutelicos en al menos dos unidades de pKa Esta propiedad es atribuida
a la atraccioacuten de electrones por efecto inductivo del grupo amonio adyacente El valor
de pKa1 de un aminoaacutecido se incrementa si el grupo amonio se mueve maacutes lejos del
grupo carboxiacutelico es decir
37
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
NH3+
OO
αminus βminus γminus δminus
Esta tendencia se puede observar maacutes claramente en la Tabla 8 donde la acidez
de los grupos carboxiacutelicos estaacute estrechamente relacionada con la separacioacuten de los
grupos en una cadena carbonada ciacuteclica o aciacuteclica55
Tabla 8Acidez de los aacutecidos dicarboxiacutelicos 55
Compuesto Estructura pK a1 pKa2
Aacutecido Oxaacutelico HO2CCO2H 123 419
Aacutecido Maloacutenico HO2CCH2CO2H 283 569
Aacutecido Succiacutenico HO2C(CH2)2CO2H 416 561
Aacutecido Glutaacuterico HO2C(CH2)3CO2H 434 541
Aacutecido Maleico Z-HO2CCH=CHCO2H 183 607
Aacutecido Fumaacuterico E-HO2CCH=CHCO2H 303 444
52 El Enlace de Hidroacutegeno en Los Aminoaacutecidos
El enlace de hidroacutegeno en los α-aminoaacutecidos estaacute dominado por los grupos
amonio y carboxilato A estos grupos se les atribuye el 52 de los enlaces de
hidroacutegeno formados56 y el 48 restante se distribuye entre los grupos O-H (24) N-H
(11) y C-H (13) Por otra parte el 80 de los enlaces de hidroacutegenos con los grupos
-+NH3 forman enlaces bifurcados Esto refleja la disparidad entre las propiedades del
grupo -+NH3 que provee soacutelo tres protones para formar enlaces de hidroacutegeno y el
grupo -COO- que es capaz de aceptar seis enlaces de hidroacutegeno
El enlace de hidroacutegeno en los aminoaacutecidos es difiacutecil de definir sin embargo en
ellos se pueden deducir cuatro diferentes grupos donadores el +N-H N-H O-H y C-
H156 y nueve grupos aceptores el -COO- -COOH -O-H OH2 Cl- -OSO3- -NH2 -NH y
lt lt lt
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=N-147 El grupo donador de enlaces de hidroacutegeno predominante en los aminoaacutecidos es
el -+NH3 y el aceptor es carboxilato ndashCOO- Por otra parte soacutelo los grupos hidroacutexilo y el
nitroacutegeno imidazoacutelico tienen las propiedades potenciales para ser grupo aceptor y
donador
El enlace de hidroacutegeno en la estructura cristalina de los aminoaacutecidos se rige maacutes o
menos por las siguientes reglas
1 La energiacutea maacutexima de contribucioacuten del enlace de hidroacutegeno a la energiacutea reticular
estaacute dada por un nuacutemero igual de grupos aceptores como donadores El enlace de
hidroacutegeno en la red cristalina de los aminoaacutecidos es uno de los factores principales
que determina su empaquetamiento molecular56-59 Ademaacutes en el empaquetamiento
cristalino tambieacuten pueden influir la segregacioacuten de los grupos polares y los no
polares57
2 El enlace de hidroacutegeno estaacute representado principalmente por el enlace zwitterioacutenico +N-HmiddotmiddotmiddotOCO- Esto se muestra por una simple inspeccioacuten de los patrones de enlaces
de hidroacutegeno donde se necesitan satisfacer las propiedades inherentes a cada uno
de estos grupos El esquema de enlaces de hidroacutegeno que se puede adoptar en un
determinado empaquetamiento cristalino dependeraacute de cada moleacutecula de
aminoaacutecido El grupo donador tiene un nuacutemero invariable de tres enlaces de
hidroacutegeno mientras que cada aacutetomo de oxiacutegeno del grupo aceptor puede aceptar al
menos dos enlaces aunque frecuentemente acepte tres La capacidad aceptora de
un grupo carboxilato nunca es menor de cuatro y puede ser tan grande como un
nuacutemero de siete enlaces Los grupos cetoacutenicos y los aacutecidos carboxiacutelicos presentan
una demanda menor y aceptaraacuten un solo enlace aunque dos es lo maacutes comuacuten
3 Los enlaces de hidroacutegeno N-HO maacutes fuertes se dan entre el N-H de un anillo
imidazoacutelico y el oxiacutegeno de un grupo carboxilato y el enlace O-HO maacutes fuerte se
da entre el O-H del aacutecido carboxiacutelico y el aacutetomo de oxiacutegeno de una moleacutecula de
agua del grupo carboxilato o del grupo sulfato Estos se forman siempre y cuando
estos grupos esteacuten presentes en las moleacuteculas y en el caso del agua co-cristalicen
con ellas
39
4 Existen evidencias claras de los enlaces de hidroacutegeno C-HO en las estructuras
cristalinas de aminoaacutecidos Estos son maacutes comunes entre los carbonos α y oxiacutegenos
de los grupos carboxilato
53 Enlace de hidroacutegeno bifurcado donador en amino acidos
El papel de los enlaces bifurcados donadores es el de poder proporcionar todos
los medios para incluir a los aacutetomos aceptores de enlaces de hidroacutegeno en el esquema
de enlaces de hidroacutegeno cuando haya deficiencias de protones Es importante notar
que las fuertes propiedades aceptoras de los aacutetomos de oxiacutegeno de los grupos
carboxilato y carbonilo parecen dominar los patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos en comparacioacuten a las propiedades direccionales de los enlaces
donadores
Esta definicioacuten proviene de una comparacioacuten detallada de la geometriacutea del enlace +N-HO en los aminoaacutecidos57 Esta observacioacuten es consistente con el concepto de
enlace de hidroacutegeno como una combinacioacuten de fuerzas couloacutembicas y de intercambio
las cuales son diferentes por las distintas combinaciones de los grupos donadores y
aceptores Desde luego el enlace de hidroacutegeno bifurcado donador1175657 es difiacutecil de
definir en los aminoaacutecidos ya que existe un rango continuo donde los enlaces dobles
centrados y bifurcados donador no son diferenciables No obstante existe un aacutengulo +N-HO y una distancia de enlace HO de ~130ordm y ~21Aring respectivamente Por
consiguiente se puede adoptar la siguiente definicioacuten empiacuterica para el enlace bifurcado
donador dada en la Figura 25
X H
A2
A1
θ2
θ3
d2
d1
r θ1
θ1+θ2 +θ3 = 360 plusmn 15ordm
θ1 gt θ2 gt75ordm
14 Aring lt d1 lt d2 lt 285 Aring
d2-d1 lt 12 Aring
Figura 25 Definicioacuten geomeacutetrica del enlace de hid roacutegeno bifurcado
40
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En esta geometriacutea el aacutetomo de hidroacutegeno se encuentra muy cerca del plano X
A1A2 y estaacute atraiacutedo por los aacutetomos A2 y A1 con una distancia de enlace de hidroacutegeno
normal HA1 d1 de 14 Aring siendo A1 el uacutenico aacutetomo electronegativo dentro de un radio
de 285Aring Se puede considerar que la distancia maacutes corta d1 corresponde a la del
enlace de hidroacutegeno mientras que la maacutes larga d1 es una perturbacioacuten
electroestaacutetica5659 En la Tabla 9 se dan los valores de los paraacutemetros geomeacutetricos θ1
θ2 θ3 d1 y d2 obtenidos por difraccioacuten de neutrones para algunas estructuras cristalinas
de aminoaacutecidos
Tabla 9 Geometriacutea de los enlaces triple centrados de algunas estructuras cristalinas de aminoaacutecidos obtenidos de datos de difraccioacuten de neu trones 156
Compuesto d1 d2 θ 1 θ 2 θ 3 Σ(ordm) Aceptores
α-Glicina 2119
2364
115 154 90 359 O=C- O=C-
Glicilicina HClH2O 2070
2361a 97 155 108 360 OW O=C-
Triglicina SO4 204
4 253
7 111
146 100 357 O=S- O=C-OH
Aacutecido L-glutaacutemico HCl
1977
2504
117 148 93 358
O=C-OH O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1910
2630
101 158 99 358 O=S- O=C-OH
NH4 NH3CH2COOHSO4
1898
2553
114 156 89 359 O=S- OH-C=O
Aacutecido ( β) L-glutaacutemico
1844
2578 96 168 95 359 O=C- O=C-
L-Histidina 1840
2327a 98 160 100 358 O=C- O=C-
L-Asparginina H2O 1833
2291 99 157 100 356 O=C- O=C-
L-Histidina 1786
2520
107 158 95 360 O=C- O=C-
L-Glutaacutemico 1752
2836
109 164 86 359 O=C- O=C-
L-Histidina HClH2O 1741
2656 94 168 97 359 OW O=C-
a Enlace de hidroacutegeno intramolecular
41
54 Efectos cooperativos y patrones de enlaces de hidroacutegeno en los
aminoaacutecidos
Los patrones de enlaces de hidroacutegeno en las estructuras cristalinas de
aminoaacutecidos estaacuten sujetos a efectos cooperativos5765-68 El efecto cooperativo en los
enlaces de hidroacutegeno puede formar estructuras extendidas que en el caso particular de
los cristales forman arreglos perioacutedicos moleculares de caraacutecter bi- y tri-dimensional
Debido a la polarizabilidad o a la transferencia de carga de estas estructuras
extendidas construidas con n moleacuteculas unidas por enlaces de hidroacutegeno la energiacutea del
enlace de hidroacutegeno en esas estructuras es mayor que la suma de los enlaces
individuales es decir
E(HmiddotmiddotmiddotA)n gt nE(HmiddotmiddotmiddotA)
En consecuencia la cooperatividad es no-aditiva Los primeros estudios de
cooperatividad en los enlaces de hidroacutegeno fueron realizados en agua liacutequida60 y
soluciones acuosas61-63 Estudios sistemaacuteticos en estructuras cristalinas de
carbohidratos64 demostraron que la cooperatividad produce un acortamiento en la
longitud de los enlaces de hidroacutegeno y en el caso de triacutemeros de metanol65 produce
una ganancia de energiacutea por enlace de hidroacutegeno de 12 aproximadamente Por otra
parte las interacciones cooperativas son maacutes importante en la fase soacutelida que en las
fases gaseosa o liacutequida porque las interacciones deacutebiles entre moleacuteculas vecinas en la
estructura cristalina pueden desarrollarse maacutes efectivamente en sistemas ordenados66
Finalmente los efectos cooperativos pueden jugar un papel preponderante en la
determinacioacuten de estructuras de materiales construidos a partir de unidades
moleculares discretas como es el caso de los cristales moleculares y en las
estructuras supramolecular en polipeacuteptidos4266
Un ejemplo donde se puede apreciar los efectos cooperativos lo representa la
estructura de la glicina69 en la cual se observa la formacioacuten de doble cadenas infinitas
de aminoaacutecidos en las cuales las moleacuteculas se alinean e interactuacutean de manera
cabeza-cola es decir a traveacutes de enlaces +N-HOCO-
adicionalmente las
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moleacuteculas interactuacutean lateralmente tambieacuten por enlaces de hidroacutegeno para formar
cinta infinitamente extendidas asiacute como se observa en la Figura 26
Figura 26 Efecto cooperativo de los enlaces de hid roacutegeno tipo cabeza-cola ( +N-HOCO-
) en la
glicina En esta figura los aacutetomos de oxiacutegeno estaacuten representados por el color rojo los de
hidroacutegeno por el azul y los de nitroacutegeno por el col or morado Las liacuteneas entre cortadas de color
azul representan a los enlaces de hidroacutegeno
43
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