Puentes de hidrogeno en el agua

Acción capilar

La importancia del agua en los sistemas biológicos se reconoce desde hace tiempo en las comunidades de química y biología. En este artículo describimos una nueva forma en la que el agua afecta a los comportamientos biomoleculares, denominada puente halógeno-agua-hidrógeno (puente XWH), es decir, un enlace de hidrógeno (enlace H) en el puente de enlace H mediado por agua se sustituye por un enlace halógeno (enlace X). Aunque se comporta de forma similar al motivo de enlace H mediado por agua, el puente XWH suele presentarse en formas multifurcadas y posee una direccionalidad más fuerte. El análisis mecánico cuántico de varios sistemas modelo y reales revela que los puentes XWH son más estables desde el punto de vista termodinámico que otras interacciones en las que interviene el agua, y esta estabilidad se ve reforzada por la cooperación de los enlaces X y H. El estudio de la estructura cristalina demuestra claramente la importancia de los puentes XWH en la estabilización de las conformaciones biomoleculares y en la mediación del reconocimiento y la unión proteína-proteína, proteína-ácido nucleico y receptor-ligando. Estos resultados arrojan luz sobre el valor potencial de los puentes XWH en el diseño de fármacos y la ingeniería biológica.

Tensión superficial

Perfiles de energía para diferentes tipos de enlaces de hidrógeno entre heteroátomos de oxígeno. Los enlaces de hidrógeno estándar son asimétricos, con el hidrógeno asociado a un heteroátomo. Cuando el pKa entre los heteroátomos es igual, se forma un enlace de hidrógeno simétrico con el hidrógeno correctamente entre dos lugares. A distancias más cortas, la barrera entre los dos mínimos de energía es lo suficientemente baja como para que el hidrógeno se una igualmente como un enlace de hidrógeno de baja barrera, o de pozo único.

Un enlace de hidrógeno simétrico es un tipo especial de enlace de hidrógeno en el que el protón se encuentra exactamente a mitad de camino entre dos átomos idénticos. La fuerza del enlace con cada uno de esos átomos es igual. Es un ejemplo de un enlace de 3 centros y 4 electrones. Este tipo de enlace es mucho más fuerte que los enlaces de hidrógeno «normales», de hecho, su fuerza es comparable a la de un enlace covalente. Se observa en el hielo a alta presión (Hielo X), y también en la fase sólida de muchos ácidos anhidros como el ácido fluorhídrico y el ácido fórmico a alta presión. También se observa en el ion bifluoruro [F-H-F]-. Se ha hecho mucho para explicar el enlace de hidrógeno simétrico desde el punto de vista de la mecánica cuántica, ya que parece violar la regla del dúo para la primera capa: El protón está efectivamente rodeado por cuatro electrones. Debido a este problema, algunos lo consideran un enlace iónico.

Cohesión

Los enlaces de hidrógeno se forman cuando los átomos de hidrógeno se unen covalentemente al nitrógeno (N), al oxígeno (O) o al flúor (F) en forma de compuestos covalentes como el amoníaco (NH3), el agua (H2O) y el gas fluoruro de hidrógeno (HF). En estas moléculas, los átomos de hidrógeno no tiran con tanta fuerza de los electrones compartidos como los átomos de N, O o F. Por lo tanto, las moléculas son polares; los átomos de hidrógeno se cargan positivamente y son capaces de formar enlaces de hidrógeno con iones negativos o partes de otras moléculas cargadas negativamente (como los átomos de N, O y F que se cargan negativamente en estos compuestos).

Los enlaces de hidrógeno no son verdaderos enlaces como los covalentes o los iónicos. Los enlaces de hidrógeno son atracciones de fuerza electrostática causadas por la diferencia de carga entre iones de hidrógeno ligeramente positivos y otros iones ligeramente negativos. Estas atracciones son mucho más débiles que los verdaderos enlaces iónicos o covalentes, pero son lo suficientemente fuertes como para dar lugar a algunas propiedades interesantes.

En el caso del agua, los enlaces de hidrógeno se forman entre los átomos de hidrógeno y oxígeno vecinos de las moléculas de agua adyacentes. La atracción entre moléculas de agua individuales crea un enlace conocido como enlace de hidrógeno. Véase la Fig. 3-7.

Polaridad química

Perfiles de energía para diferentes tipos de enlaces de hidrógeno entre heteroátomos de oxígeno. Los enlaces de hidrógeno estándar son asimétricos, con el hidrógeno asociado a un heteroátomo. Cuando el pKa entre los heteroátomos es igual, se forma un enlace de hidrógeno simétrico con el hidrógeno en equilibrio entre dos lugares. A distancias más cortas, la barrera entre los dos mínimos de energía es lo suficientemente baja como para que el hidrógeno esté igualmente unido como un enlace de hidrógeno de baja barrera, o de pozo único.

Un enlace de hidrógeno de baja barrera (LBHB) es un tipo especial de enlace de hidrógeno. Los LBHB pueden producirse cuando el pKa de los dos heteroátomos está muy igualado, lo que permite que el hidrógeno se comparta de forma más equitativa entre ellos. Este reparto de hidrógeno provoca la formación de enlaces de hidrógeno especialmente cortos y fuertes[1].

Los enlaces de hidrógeno de baja barrera se producen en los entornos excluyentes de agua de las proteínas[4]. Múltiples residuos actúan juntos en un sistema de relevo de carga para controlar los valores de pKa de los residuos implicados. Los LBHB también se producen en las superficies de las proteínas, pero son inestables debido a su proximidad al agua en masa y a los requisitos conflictivos de los puentes salinos fuertes en las interfaces proteína-proteína[4].