Ligação de hidrogénio

A ligação de hidrogénio é também chamada de ponte de hidrogénio e, como o próprio nome indica, envolve um átomo de hidrogénio. Na realidade trata-se de um caso particular de interação dipolo-dipolo (entre moléculas polares) que envolve um átomo de hidrogénio, e que requer condições específicas para se estabelecer.

Há dois requisitos que se têm que verificar para que se estabeleça uma ligação de hidrogénio. Por isso, nem todas as moléculas polares que possuem hidrogénio apresentam a capacidade de estabelecer este tipo de interação… o primeiro requisito que deve ser cumprido é a existência de um átomo muito eletronegativo numa das moléculas. Quando digo “muito eletronegativo” estou-me a referir a um dos 3 átomos mais eletronegativos – oxigénio, azoto ou flúor. Este átomo vai funcionar como “aceitador” de hidrogénio, pois derivado do facto de ser muito eletronegativo, vai ter uma densidade eletrónica muito elevada sobre ele e, consequentemente, vai apresentar carga parcial negativa. O segundo requisito que se tem que verificar é a existência de um átomo de hidrogénio covalentemente ligado a um átomo muito eletronegativo. Neste caso, este último funcionará como “dador” de hidrogénio, sendo que o hidrogénio vai apresentar carga parcial positiva porque está ligado a um átomo muito eletronegativo.

Portanto, o que ocorre é uma atração eletrostática entre as cargas parciais opostas, estabelecendo-se a ponte de hidrogénio. Na bioquímica, as ligações de hidrogénio, tal como as restantes forças não covalentes, são muito importantes. O exemplo mais conhecido diz respeito à interação entre bases azotadas complementares

E já agora… apesar de já ter escrito isto noutro post, não resisto a contar outra vez: ;)

Sabem como é que um eletrão se suicida?

Atira-se da ponte de hidrogénio!

Ligação dipolo-dipolo

A ligação dipolo-dipolo, ao contrário da ligação iónica (explicada recentemente aqui no blog…), não envolve grupos funcionais ionizáveis, ou seja, com cargas totais positivas ou negativas. Envolve regiões com cargas parciais…

É um tipo de interação eletrostática que se estabelece entre moléculas polares, ou, pelo menos, entre regiões polares das biomoléculas. Conforme explicado num post anterior sobre o conceito de eletronegatividade, a presença de átomos com eletronegatividades diferentes numa determinada região de uma molécula, vai provocar assimetrias na distribuição da nuvem eletrónica, o que vai, por sua vez, criar regiões com menos densidade eletrónica (e, consequentemente, com cargas parciais positivas) e regiões com maior densidade eletrónica (e, consequentemente, com cargas parciais negativas).

Sendo assim uma região com uma carga parcial positiva tende a interatuar electrostaticamente com uma região com carga parcial negativa, através de uma ligação dipolo-dipolo.

Ligação iónica

A ligação iónica, também chamada de ponte salina, é, talvez, de todos os tipos de ligações não covalentes a mais fácil de perceber. Como o próprio nome indica, é uma interação que se estabelece entre iões, ou seja, entre cargas positivas e negativas. Claro que na bioquímica o conceito de iões é um pouco diferente, pois numa biomolécula (uma proteína, por exemplo), podemos ter várias regiões com cargas totais positivas e/ou negativas. Para isso acontecer basta que existam grupos funcionais ionizáveis…

Portanto, quando uma biomolécula apresenta uma região com carga negativa (grupo carboxílico ou fosforilo, por exemplo), este pode estabelecer uma interação eletrostática com uma região de uma biomolécula que apresente carga positiva (por exemplo, grupo funcional amina ou imidazole). Esta atração eletrostática que se estabelece entre as cargas opostas é que é a ligação iónica.

É um tipo de interação que se estabelece entre moléculas polares ou, pelo menos, entre regiões polares ionizáveis das biomoléculas. Como exemplos, temos o caso de uma interação entre uma lisina e um glutamato no interior de uma proteína, ou a interação entre o DNA e as histonas, entre muitas outras…

 

Forças intermoleculares e ponto de fusão/ebulição

Uma coisa que costuma fazer alguma confusão aos meus alunos é a relação entre as forças não covalentes intermoleculares e o ponto de fusão/ebulição de uma substância. Na realidade, como é que se consegue explicar, do ponto de vista molecular, a existência do estado liquido e do estado sólido? A resposta passa exatamente pela existência de forças intermoleculares. Ambos os estados são caracterizados por uma maior ordem na distribuição espacial das moléculas, quando comparados com o estado gasoso. Essa ordem é uma consequência das atrações existentes entre as diferentes moléculas que compõem uma substância. Sendo assim, no estado líquido, cada molécula estabelece várias interações (não covalentes!) com as moléculas vizinhas, e no estado sólido a quantidade de interações é ainda maior.

  

Quando se atinge o ponto de fusão/ebulição, o que se está a efetuar é a transição de um estado em que existem mais forças intermoleculares para um em que existem menos. Dito por outras palavras, o que se está a fazer é fornecer energia para quebrar as forças não covalentes estabelecidas entre as moléculas, através do aumento da energia cinética das mesmas.

Portanto, quanto maior for a intensidade das forças não covalentes existentes entre as moléculas, maior será a quantidade de energia necessária para quebrar essas interações, e, consequentemente, maior será o ponto de fusão/ebulição.

Muitas vezes pergunto aos meus alunos o que é que acontece quando se atinge o ponto de ebulição de uma determina substância, e a resposta que invariavelmente obtenho é: “Está-se a quebrar as ligações”. O problema surge quando eu pergunto que tipo de ligações, pois normalmente a tendência deles é dizer que são as ligações covalentes. Em jeito de brincadeira, digo-lhes que então a água no estado gasoso já não é H₂O, e aí eles percebem que de facto o que se cliva são as ligações não covalentes.

Resumindo, existe uma relação direta entre as forças intermoleculares e o ponto de fusão/ebulição, sendo que quanto maior for o somatório dessas forças, maior será o ponto de fusão/ebulição de uma substância.

Eletronegatividade

Para se perceber o conceito de eletronegatividade tem que se ter em consideração o seguinte… As moléculas são altamente dinâmicas, e os eletrões encontram-se em constante movimento sobre os átomos que as constituem, na chamada “nuvem eletrónica”. O movimento dos eletrões sobre os átomos vai ser condicionado diretamente pelas características dos mesmos. Ou seja, se um átomo tiver uma maior capacidade de chamar a si a nuvem eletrónica, os eletrões vão-se localizar predominantemente sobre ele. A eletronegatividade diz respeito exatamente a essa capacidade. Portanto, quanto mais eletronegativo for um átomo, maior será a porção de nuvem eletrónica sobre ele. Como consequência, os átomos mais eletronegativos têm tendência a ter cargas parciais negativas, pois em cada instante vão existir mais eletrões sobre eles do que sobre os outros átomos.

É esta assimetria que se cria na distribuição da nuvem eletrónica que faz com que as moléculas sejam polares. Sendo assim, de uma maneira geral, a presença de átomos com eletronegatividades diferentes numa molécula faz com que a molécula se torne polar, ou pelo menos que a região onde isso ocorre seja polar.

No caso concreto da bioquímica, uma vez que o carbono e o hidrogénio apresentam eletronegatividades próximas, regiões de moléculas que apenas contêm estes 2 átomos são apolares, enquanto que a presença de oxigénio, azoto, flúor, fósforo, etc., tendem a tornar essa região polar.