Atomi, ioni și legături în sistemele biologice

Organismele vii sunt alcătuite din materie, iar materia din atomi. Un atom are un nucleu și electroni în jurul lui. Un element chimic este o specie de atomi cu același număr de protoni în nucleu; carbonul, oxigenul, hidrogenul și azotul intră în multe substanțe ale vieții. Atunci când atomii se leagă între ei, formează molecule. De exemplu, apa are molecule alcătuite din hidrogen și oxigen.

Un atom sau un grup de atomi care are sarcină electrică se numește ion. Ionii de sodiu, potasiu și calciu sunt importanți pentru funcționarea celulelor. Sarcina apare când se pierd sau se câștigă electroni, nu când se schimbă numărul de protoni din nucleu. Unii atomi împart electroni în legături covalente; atracția dintre ioni cu sarcini opuse este asociată cu legătura ionică. Moleculele de apă se pot atrage între ele prin legături de hidrogen, mai slabe decât legăturile covalente din interiorul unei molecule de apă.

Nu trebuie să memorezi toate formulele pentru a înțelege ideea principală: tipul interacțiunilor chimice influențează forma și proprietățile substanțelor. De exemplu, apa poate dizolva multe substanțe ionice sau polare, lucru util transportului prin fluidele organismului. Când întâlnești o moleculă biologică, întreabă din ce atomi este făcută și ce interacțiuni îi mențin structura.

Atomul are un nucleu format din protoni (sarcină $+1$) și neutroni, și electroni (sarcină $-1$) distribuiți pe straturi. Numărul atomic $Z$ este numărul de protoni; într-un atom neutru, numărul electronilor este egal cu $Z$. Electronii de pe ultimul strat, electronii de valență, determină legăturile. Distribuția electronilor pe straturi este: $\mathrm{H}$ $1$; $\mathrm{C}$ $2,4$; $\mathrm{N}$ $2,5$; $\mathrm{O}$ $2,6$; $\mathrm{Na}$ $2,8,1$; $\mathrm{Cl}$ $2,8,7$; $\mathrm{K}$ $2,8,8,1$; $\mathrm{Ca}$ $2,8,8,2$. Carbonul formează patru legături, azotul trei, oxigenul două, hidrogenul una, pentru a completa ultimul strat.

Ionii se formează prin pierderea sau câștigarea de electroni: $\mathrm{Na}\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+e^{-}$ și $\mathrm{Cl}+e^{-}\to \mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$. Ioni biologici importanți sunt $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și ${\mathrm{K}}^{+}$ (impuls nervos), $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ (contracție musculară, coagulare), $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, $\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}$ și $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ (hemoglobină). Legătura ionică este atracția electrostatică dintre ioni de sarcini opuse; în soluție apoasă ionii sunt separați și hidratați.

În legătura covalentă atomii pun în comun perechi de electroni: simplă ($\mathrm{C}-\mathrm{C}$), dublă ($\mathrm{O}=\mathrm{O}$, $\mathrm{C}=\mathrm{O}$) sau triplă ($\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$). Dacă atomii au aceeași electronegativitate, legătura este nepolară (${\mathrm{O}}_2$, ${\mathrm{H}}_2$). Electronegativitatea (scara Pauling, valori rotunjite) este $\mathrm{O}$ $3,4$, $\mathrm{N}$ $3,0$, $\mathrm{C}$ $2,5$, $\mathrm{H}$ $2,2$; legătura $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ are diferența de $1,2$ și este polară, iar legătura $\mathrm{C}-\mathrm{H}$, cu diferența de $0,3$, este practic nepolară. Apa este polară: oxigenul atrage electronii și capătă o sarcină parțială negativă, hidrogenii una pozitivă, iar molecula neutră electric este unghiulară. Legătura de hidrogen se stabilește între un hidrogen legat de $\mathrm{O}$ sau $\mathrm{N}$ și un atom electronegativ al altei molecule sau grupări. Legăturile de hidrogen contribuie la proprietățile apei și la structura proteinelor și a acizilor nucleici. În ADN, scheletul fiecărei catene conține legături covalente, iar bazele dintre catene se asociază prin legături de hidrogen; separarea catenelor la replicare rupe aceste asocieri fără a fragmenta scheletul.

Exemplu rezolvat 1: ioni. Determină numărul de protoni și de electroni pentru $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ ($Z=11$), $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ ($Z=17$) și $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ ($Z=20$).

1. $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$: pierde un electron; $11$ protoni și $11-1=10$ electroni, distribuiți $2,8$.
2. $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$: câștigă un electron; $17$ protoni și $17+1=18$ electroni, distribuiți $2,8,8$.
3. $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$: pierde doi electroni; $20$ de protoni și $18$ electroni, distribuiți $2,8,8$.
4. Numărul de protoni nu se modifică la ionizare.

Exemplu rezolvat 2: legături de hidrogen în ADN. Două fragmente bicatenare au câte $10$ perechi de baze: fragmentul I are $4$ perechi $\mathrm{A}=\mathrm{T}$ și $6$ perechi $\mathrm{G}\equiv \mathrm{C}$, fragmentul II are $7$ perechi $\mathrm{A}=\mathrm{T}$ și $3$ perechi $\mathrm{G}\equiv \mathrm{C}$.

1. Perechea $\mathrm{A}=\mathrm{T}$ are $2$ legături de hidrogen, iar $\mathrm{G}\equiv \mathrm{C}$ are $3$.
2. Fragmentul I: $4\cdot 2+6\cdot 3=26$ de legături.
3. Fragmentul II: $7\cdot 2+3\cdot 3=23$ de legături.
4. Fragmentul I, bogat în $\mathrm{G}\equiv \mathrm{C}$, are mai multe legături de hidrogen și cere mai multă energie pentru separarea catenelor.

Interacțiuni slabe. Pe lângă legăturile de hidrogen, moleculele interacționează prin forțe van der Waals, slabe, dar numeroase, și prin interacțiuni hidrofobe: moleculele nepolare, precum lipidele, se grupează în apă, pentru că moleculele de apă se asociază între ele prin legături de hidrogen și exclud substanțele nepolare. Această tendință stă la baza formării membranelor celulare și a plierii proteinelor, în care lanțurile laterale nepolare se ascund în interior. Legăturile covalente sunt puternice și stabile, iar interacțiunile slabe se rup și se refac ușor, de aceea structurile biologice pot fi modificate fără ca moleculele să fie distruse.

Compoziția corpului. Oxigenul, carbonul, hidrogenul și azotul reprezintă aproximativ $96\%$ din masa corpului ($\mathrm{O}$ $\approx 65\%$, $\mathrm{C}$ $\approx 18\%$, $\mathrm{H}$ $\approx 10\%$, $\mathrm{N}$ $\approx 3\%$). Alte macroelemente: $\mathrm{Ca}$, $\mathrm{P}$, $\mathrm{K}$, $\mathrm{S}$, $\mathrm{Na}$, $\mathrm{Cl}$, $\mathrm{Mg}$; microelemente: $\mathrm{Fe}$, $\mathrm{I}$, $\mathrm{Zn}$, $\mathrm{Cu}$, $\mathrm{F}$.

Izotopii au același număr de protoni și număr diferit de neutroni. Izotopii radioactivi se folosesc ca trasori: ${}^{14}\mathrm{C}$ (datare), ${}^{131}\mathrm{I}$ (tiroida), ${}^{32}\mathrm{P}$.

Tipuri de legături în molecule biologice:

• covalente: scheletul moleculelor, legătura peptidică, esterică, glicozidică, fosfodiesterică, puntea disulfurică $\mathrm{S}-\mathrm{S}$ dintre resturi de cisteină;
• ionice (punți saline între grupări încărcate) și hidrofobe, care contribuie la structura terțiară a proteinelor;
• de hidrogen: între molecule de apă, între bazele complementare ($\mathrm{A}=\mathrm{T}$ prin două, $\mathrm{G}\equiv \mathrm{C}$ prin trei legături de hidrogen) și între grupările $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ și $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ ale scheletului peptidic, în $\alpha$-helix și în foaia $\beta$.

O legătură covalentă are energia de ordinul sutelor de $kJ/mol$, iar una de hidrogen de ordinul a $20kJ/mol$.

Apa. Moleculă polară, unghiulară; legăturile de hidrogen explică coeziunea, căldura specifică mare ($4,18J/(\mathrm{g}\cdot {}^{\circ }\mathrm{C})$), căldura latentă de vaporizare mare și faptul că gheața este mai puțin densă decât apa. Apa solvă ionii și moleculele polare, nu pe cele nepolare. Sângele are $pH$ între $7,35$ și $7,45$, menținut de sistemul tampon ${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3/HC{\mathrm{O}}_3^{-}$.

Legăturile de hidrogen nu leagă atomii aceleiași molecule de apă: $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ este legătură covalentă polară.

Exemplu în format de admitere (complement grupat). Despre legăturile din moleculele biologice sunt corecte afirmațiile:

1. Între bazele $\mathrm{A}$ și $\mathrm{T}$ se stabilesc două legături de hidrogen.
2. Legătura peptidică și legătura fosfodiesterică sunt legături covalente.
3. Puntea disulfurică se formează între resturi de cisteină.
4. Legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă sunt mai puternice decât legăturile covalente $\mathrm{O}-\mathrm{H}$.

• a) „Numai afirmațiile 1, 2 și 3 sunt corecte.”
• b) „Numai afirmațiile 1 și 3 sunt corecte.”
• c) „Numai afirmațiile 2 și 4 sunt corecte.”
• d) „Numai afirmația 4 este corectă.”
• e) „Toate afirmațiile sunt corecte sau toate sunt false.”

Răspuns: a. 1) Adevărată. 2) Adevărată: ambele leagă atomii prin perechi de electroni. 3) Adevărată: puntea $\mathrm{S}-\mathrm{S}$ unește două resturi de cisteină. 4) Falsă: legăturile de hidrogen au energie de ordinul a $20kJ/mol$, mult mai mică decât a legăturilor covalente.

Greșeli frecvente

• Greșit: Un ion se formează prin schimbarea numărului de protoni.
  Corect: Ionizarea obișnuită implică pierderea sau câștigul de electroni.
• Greșit: Legăturile de hidrogen țin împreună atomii de hidrogen și oxigen din aceeași moleculă de apă.
  Corect: Acei atomi sunt legați covalent; legăturile de hidrogen apar între molecule sau grupări potrivite.
• Greșit: Între bazele G și C se stabilesc două legături de hidrogen.
  Corect: Între G și C se stabilesc trei, iar între A și T două.
• Greșit: Apa este nepolară, deoarece molecula are sarcină totală zero.
  Corect: Molecula este neutră, dar polară, din cauza electronegativității oxigenului și a formei unghiulare.

Înainte și după