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# 5.7: Enlaces covalentes

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En el caso de las interacciones de van der Waals, los átomos y moléculas involucradas retienen su control sobre sus electrones, permanecen distintos y discretos. Hay casos, sin embargo, donde los átomos vienen a “compartir” los electrones de los demás. Esta compartición implica pares de electrones, uno de cada átomo. Cuando se comparten pares de electrones, los átomos dejan de ser distintos en que sus electrones compartidos ya no están restringidos a uno u otro. De hecho, dado que un electrón ni siquiera en teoría puede distinguirse de ningún otro electrón, se convierten en parte del sistema 156 de electrones de la molécula. Este reparto de electrones produce lo que se conoce como enlace covalente. Los enlaces covalentes son ~20 a 50 veces más fuertes que las interacciones de van der Waals. ¿Qué significa eso exactamente? Básicamente, se necesita mucha más energía para romper estos vínculos. Si bien la forma unida de los átomos en una molécula es siempre más estable que la forma no acotada, puede que no sea lo suficientemente estable como para soportar la energía entregada a través de colisiones con moléculas vecinas. Diferentes enlaces entre diferentes átomos en diferentes contextos moleculares difieren en términos de estabilidad de enlace; la energía de enlace se refiere a la energía necesaria para romper un enlace particular. Una molécula es estable si las energías de enlace asociadas con los átomos unidos dentro de la molécula son lo suficientemente altas como para sobrevivir a la energía entregada a la molécula a través de colisiones con moléculas vecinas o la absorción de energía (luz).

Cuando los átomos forman un enlace covalente, sus superficies individuales de van der Waals se fusionan para producir una nueva superficie molecular de van der Waals. Hay varias formas de dibujar moléculas, pero la vista de superficie de relleno de espacio o van der Waals es la más realista (al menos para nuestros propósitos). Si bien realista también puede resultar confuso, ya que oscurece la estructura molecular subyacente, es decir, cómo los átomos en la molécula están unidos entre sí. Esto se puede observar en este conjunto de representaciones de la molécula simple 2-metilpropano 157. A medida que las moléculas se hacen más grandes, como es el caso de muchas moléculas biológicamente importantes, puede llegar a ser imposible apreciar su organización subyacente basada en una representación superficial de van der Waals.

Debido a que forman una nueva entidad estable, no es sorprendente (quizás) que las propiedades de una molécula sean bastante distintas de, aunque ciertamente influenciadas por, las propiedades de los átomos de los que están compuestas. A una aproximación de primer orden, las propiedades de una molécula se basan en su forma, que viene dictada por cómo los diversos átomos con la molécula están conectados entre sí. Estas geometrías son impuestas por las propiedades mecánicas cuánticas de cada átomo y (particularmente a medida que las moléculas se hacen más grandes, como suelen hacer en los sistemas biológicos) las interacciones entre diferentes partes de la molécula. Algunos átomos, comunes a los sistemas biológicos, como el hidrógeno (H), pueden formar solo un único enlace covalente. Otros pueden hacer dos enlaces (oxígeno (O) y azufre (S)), tres (nitrógeno (N)), cuatro (carbono (C)) o cinco (fósforo (P)) enlaces.

Además de moléculas más pequeñas, los sistemas biológicos contienen una serie de tipos distintos de moléculas extremadamente grandes, compuestas por miles de átomos; estas se conocen como macromoléculas. Estas macromoléculas no son rígidas; a menudo pueden plegarse sobre sí mismas, lo que lleva a interacciones intramoleculares. También hay interacciones entre moléculas. La fuerza y especificidad de estas interacciones pueden variar drásticamente e incluso pequeños cambios en la estructura molecular pueden tener efectos dramáticos.

Las moléculas y las interacciones moleculares son dinámicas. Las colisiones con otras moléculas pueden dar lugar a que partes de una molécula giren alrededor de un enlace sencillo 158. La presencia de un doble enlace restringe este tipo de movimientos; la rotación alrededor de un doble enlace requiere lo que equivale a romper y luego reformar uno de los enlaces. Además, y si has dominado alguna química ya lo sabes, muchas veces es incorrecto considerar los vínculos como entidades distintas, aisladas entre sí y de su entorno. Los enlaces adyacentes pueden interactuar formando lo que se conoce como estructuras de resonancia que se comportan como mezclas de enlaces simples y dobles. Nuevamente esto restringe la rotación libre alrededor del eje de unión y actúa para restringir la geometría molecular. Como veremos más adelante con el enlace peptídico, que ocurre entre un átomo de carbono (C) y un átomo de nitrógeno (N) en la cadena polipeptídica, es un ejemplo de tal estructura de resonancia. De manera similar, las estructuras de anillo que se encuentran en las diversas “bases” presentes en los ácidos nucleicos producen estructuras planas que pueden empaquetar una parte superior de otra. Estas diversas complejidades geométricas se combinan para hacer que la predicción de la estructura tridimensional de una molécula en particular sea cada vez más difícil a medida que aumenta su tamaño.