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Estructuras orgánicas

En esta demostración se pretende un repaso de las principales funciones orgánicas que tienen relevancia en el estudio de la Bioquímica, y está destinada a alumnos de un curso de Bioquímica general de las diversas licenciaturas.

Es conveniente seguir la exposición de forma sistemática. Los botones

cargan moléculas en la pantalla izquierda y los botones de tipo radio:

ejecutan acciones sobre la misma.

Normalmente se representa a continuación la estructura semidesarrollada del compuesto:



Índice


1. Hidrocarburos saturados

El carbono en hibridación sp3 dirige sus cuatro orbitales moleculares según los vértices de un tetraedro regular, de manera que los átomos se mantengan lo más alejados posible unos de otros. Tal es la disposición que encontramos en el

que representamos así:



El siguiente hidrocarburo de la serie es el Etano:

cuya representación es la siguiente:



con dos átomos de carbono. A diferencia del metano, el etano tiene un enlace C-C además de seis enlaces equivalentes C-H.

Si colocamos la molécula de forma que el enlace C-C esté en la dirección de la vista, podremos observar entonces que el principio de que los átomos se mantengan lo más apartados posible unos de otros se ve asimismo en el etano. Los seis hidrógenos se dirigen como los vértices de un hexágono regular. Esta disposición recibe el nombre de conformación alternante, y vamos a verla en todas las estructuras orgánicas.

Por el contrario, la conformación energéticamente más desfavorable es la

En esta conformación unos átomos de hidrógeno eclipsan a los otros; por ello decimos que está en conformación eclipsada.

El hidrocarburo saturado de tres átomos de carbono es el

cuya representación es:



Rotando la molécula podemos observar asimismo el principio de conformación alternante entre dos carbonos contiguos.

El siguiente hidrocarburo en la serie es el

que representamos como:



En esta molécula podemos observar asimismo el principio de conformación alternante.

Con la misma composición que el butano (C4H10), tenemos el

que representamos como:



Se trata de un isómero esqueletal del mismo, en el que uno de los carbonos presenta tres enlaces C-C. Rótese la molécula de manera que podamos apreciar la conformación alternante como en los casos anteriores.

El hidrocarburo de cinco átomos de carbono es el

cuya representación es:



Si cambiamos su representación al tipo espacial (Esferas CPK):

tendremos una idea de cómo se disponen en el espacio las cadenas saturadas de hidrocarburos.

El pentano presenta dos isómeros esqueletales, el Metilbutano:



Y el Dimetilpropano:



Es conveniente tener un concepto claro de la disposición de las cadenas hidrocarbonadas saturadas. Para ello, veremos sucesivamente las estructuras de






Con el botón derecho del ratón, (comandos Jmol), podremos ver una representación espacial (Esferas CPK) de los mismos, para tener una idea general de la disposición de las cadenas hidrocarbonadas.


2. Hidrocarburos insaturados

La unión de dos carbonos en hibridación sp2 da lugar a un doble enlace. Los hidrocarburos con dobles enlaces pertenecen a la llamada serie etilénica, cuyo representante más sencillo es el



El enlace doble establecido entre ambos carbonos, al tener orbitales moleculares s y p, no permite la rotación en torno al mismo, a diferencia del enlace sencillo que veíamos en los hidrocarburos saturados. Por ello, los cuatro sustituyentes (en este caso, hidrógenos) yacen en el mismo plano. Para observarlo rótese el modelo con el puntero.

El siguiente hidrocarburo de la serie etilénica es el



Al pasar al siguiente hidrocarburo, nos encontramos con que el doble enlace puede estar en dos posiciones distintas. Se trata en este caso de Isómeros posicionales, a saber, el



y el 2-buteno.

Respecto a este último, dada la imposibilidad de rotación en torno al doble enlace, los dos grupos metilo de los extremos de la cadena pueden situarse de dos maneras distintas, dando lugar a dos Isómeros geométricos, el



y el



Esta diferencia estructural entre isómeros geométricos tiene su importancia en determinadas biomoléculas, y en particular en los ácidos grasos. En los ácidos grasos insaturados naturales, la disposición geométrica es casi invariablemente del tipo cis-. Esto crea una angulación en la molécula que podemos ver en el

que es el ácido 9-cis octadecenoico, a diferencia del correspondiente ácido graso saturado, el

O del correspondiente ácido en trans-, el

En los que podemos ver que se trata de moléculas rectas, no anguladas.



La unión de dos carbonos en hibridación sp da lugar a un triple enlace. Un ejemplo de hidrocarburo en triple enlace es el



Los compuestos de la serie acetilénica son muy poco frecuentes en los medios biológicos.


3. Hidrocarburos alicíclicos



Cuando una cadena de carbonos saturados se cierra sobre sí misma, los compuestos resultantes reciben el nombre de Hidrocarburos alicíclicos, llamados así para diferenciarlos de los Hidrocarburos aromáticos, que veremos más adelante.

El hidrocarburo aclicíclico más sencillo es el



con tres átomos de carbono. Nótese la desviación de los ángulos C-C-C (60 grados), bastante alejada del valor de aproximadamente 110 grados que presentaría en un hidrocarburo lineal. Algo menos distorsionado, aunque todavía bastante, es el ángulo en el



(90 grados), y aún menos en el



En el



los ángulos C-C-C tienen ya aproximadamente el mismo valor que en las cadenas de hidrocarburos saturados lineales. Esta estructura nos vale para ilustrar el concepto de conformación: la libertad de rotación en torno a un enlace simple permite a una molécula adoptar múltiples situaciones en el espacio; pero siempre habrá alguna más favorecida que las demás. Tal es el caso de la estructura que se presenta, en el que la energía es mínima y por ello es la conformación más estable.

Por el contrario, en el



la conformación entre los carbonos contiguos es eclipsada, siendo el confórmero de energía máxima.

Una disposición análoga a la que vemos en el ciclohexano, forma silla, es la que aparece en las formas cíclicas de las aldohexosas como la





4. Compuestos aromáticos



Cuando se forman estructuras cíclicas a partir de carbonos en hibridación sp2, cuyos orbitales moleculares son coplanares y dirigidos según los vértices de un triángulo equilátero, se forman los llamados compuestos aromáticos. El representante más característico de este grupo es el



Podemos observar en su estructura que los seis enlaces C-C y los seis enlaces C-H son equivalentes, siendo toda la molécula coplanar (los doce átomos de la misma están en el mismo plano). La equivalencia de todos los enlaces se debe a que los orbitales p de toda la molécula forman un sistema deslocalizado.

Los compuestos aromáticos pueden estar formados por varios ciclos a la vez, dando una gran variedad de estructuras. Así, la fusión de dos anillos bencénicos da lugar al










Los compuestos aromáticos no están necesariamente formados únicamente por carbono. Pueden entrar otros átomos en el ciclo, dando lugar a lo que conocemos como heterociclos. En el medio biológico son particularmente interesantes algunos heterociclos, como las pirimidinas, con dos átomos de nitrógeno formando parte del ciclo. Como ejemplo de las mismas, veremos la estructura de la



Otras bases heterocíclicas son las purinas, de las cuales veremos la estructura de la



Otro sistema planar, con electrones deslocalizados, de gran interés en Bioquímica está constituído por las porfirinas, de las cuales presentamos la estructura de la




5. Funciones oxigenadas



5.1 Alcoholes y fenoles

La sustitución de un hidrógeno de un hidrocarburo por el grupo hidroxilo, -OH, da lugar a los compuestos denominados alcoholes. Si la sustitución tiene lugar en un hidrocarburo aromático, obtenemos los fenoles.

El alcohol alifático más sencillo de la serie es el Metanol:



al que le sigue el Etanol:



o alcohol etílico. En ambos casos, hay una función alcohol primario, -CH2OH. Aparecen sustituídos en el etano los dos carbonos, en el caso del Etilenglicol:



La sustitución en el propano puede ocurrir de dos maneras, dando lugar a isómeros posicionales. Por una parte, el 1-propanol,



Alcohol primario como los dos anteriores, y por otra, el 2-Propanol:



en el que la función es un alcohol secundario -CHOH-. Otro alcohol alifático interesante en Bioquímica es el Propanotriol o Glicerol:



Cuando el grupo -OH sustituye a un hidrocarburo aromático, tenemos los fenoles. La molécula más representativa en el Fenol:




5.2 Aldehidos y cetonas

Un grado mayor de oxidación que en los alcoholes se presenta en estos compuestos, cuyo grupo funcional definitorio es el carbonilo, -C=O. Cuando este grupo se presenta en un carbono primario, los compuestos resultantes son los aldehidos; si aparece en un carbono secundario, tendremos las cetonas. A efectos de la estructura resultante, hemos de tener en cuenta que el carbono carbonílico es un híbrido sp2.

El aldehido más sencillo de la serie es el Metanal o Formaldehido:



El siguiente en la serie es el Etanal o Acetaldehido:



Obsérvese la planaridad del grupo aldehido (los dos carbonos, oxígeno e hidrógeno están en el mismo plano).

Cuando el grupo carbonilo está en el interior de la cadena, los compuestos correspondientes son las cetonas. Podemos ver un ejemplo de las mismas en la Propanona o Acetona:



Un grupo de biomoléculas muy importante, los Hidratos de Carbono o Glúcidos, son compuestos Polihidroxicarbonílicos, es decir, funciones aldehido o acetona coexistiendo con funciones alcohólicas en una misma molécula.




5.3 Ácidos carboxílicos


Un grado mayor de oxidación es el que presentan los ácidos carboxílicos, en los que la función característica es el grupo carboxilo, -COOH. Se trata, como en el caso anterior, de un carbono sp2. Es un grupo carbonilo -CO sustituído por un hidroxi -OH.

El más sencillo de la serie es el Metanoico o Ácido Fórmico:



El siguiente en la serie es el



Los ácidos carboxílicos de número par de átomos de carbono tienen una gran importancia en Bioquímica, donde son conocidos como ácidos grasos. Así, por ejemplo, el Ácido Palmítico (C16), de 16 átomos de carbono:



Con mucha frecuencia se presentan insaturados, como es el caso del 9-cis-Octadecenoico o Ácido Oleico:



Que al presentar una insaturación en cis- da lugar a una molécula angulada.


6. Funciones nitrogenadas



Cuando sustituímos el -OH de un alcohol por un grupo amino -NH2, los compuestos resultantes son las aminas primarias. La amina primaria más sencilla es la Metilamina:



La siguiente en la serie es la Etilamina:



Cuando uno de los hidrógenos del grupo amino queda sustituído por otro radical, tendremos las aminas secundarias. Es el caso de la Piperidina:



El grupo amino tiene una gran importancia entre las biomoléculas. Es el caso de los aminoácidos, monómeros de las proteínas. En los aminoácidos proteicos, un mismo carbono aparece sustituído por un grupo amino y un grupo carboxilo. Podemos verlo en la molécula de L-Alanina:



Podemos ver que el grupo amino de esta última aparece protonado, en forma de -NH3+, que es la forma en la que habitualmente se presenta el grupo amino al pH de los medios biológicos. Igualmente podemos observar que el grupo carboxilo aparece disociado, en forma de -COO-.

Otro grupo importante de aminas son las catecolaminas, un importante conjunto de neurotransmisores y hormonas. Podemos ver la estructura de una de ellas, la L-Adrenalina:



El grupo amino secundario de la molécula aparece protonado: -NH2+-.




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