Interacciones Débiles en Sistemas Acuosos

Las moléculas y los iones pueden interactuar de forma no covalente de varios modos: Interacciones carga-carga, carga-dipolo, dipolo-dipolo, carga-dipolo inducido, dipolo-dipolo inducido, Dispersiones, Repulsiones de Van Der Waals y los Enlaces de Hidrógeno. Todas estas interacciones son de naturaleza electrostática, es decir, dependen de las fuerzas que las cargas eléctricas ejercen entre ellas.

La interacción no covalente más sencilla es la interacción electrostática entre un par de partículas cargadas. Muchas de las moléculas que se encuentran en las células, entre ellas las macromoléculas como el ADN y las proteínas, que tienen una carga eléctrica neta. Además de estas moléculas, la célula contiene abundantes iones pequeños, tanto cationes como Na⁺, K⁺ y Mg²⁺, como aniones como Cl^-, PO₄^3-. Todas estas entidades con carga ejercen fuerzas sobre las demás. La fuerza entre un par de cargas q₁ y q₂, separadas por una distancia r, viene determinada por la ley de Coulomb:

Si q₁ y q₂ tienen el mismo signo, entonces la fuerza es positiva y las cargas se repelen, pero, si hay una carga positiva y otra negativa, la fuerza será negativa de manera que las cargas se atraen.

El entorno biológico, obviamente no es el vacío. En una célula, las cargas siempre están separadas por agua o por otras moléculas o partes de moléculas. Para calcular la fuerza de las interacciones en el medio acuoso hay que tener en cuenta que se trata de un medio dieléctrico en el cual existe otra permisividad la cual se consigue añadiendo a la ecuación un número sin dimensión: la constante dieléctrica.

Enlaces de Hidrógeno

El enlace de hidrógeno es un tipo específico de interacción no covalente y por tanto, un enlace débil, el enlace de hidrógeno, tiene una gran importancia bioquímica. La estructura y las propiedades de muchas moléculas biológicas así como las del agua, el disolvente biológico universal, están determinadas en gran medida por este tipo de enlace. Un enlace de hidrógeno es una interacción entre un átomo de hidrógeno unido covalentemente a un grupo donador (como –O-H o =N-H) y un par de electrones libres pertenecientes a un grupo aceptor (como O o N). La longitud del enlace de hidrógeno es la distancia entre los centros de los átomos donador y aceptor.

Gracias al carácter polar de la molécula de agua puede formar polímeros de hasta ± 8 moléculas a través de enlaces por puentes de hidrogeno que están en continua creación y destrucción. Cuando dos moléculas de agua se aproximan mucho (más de o que estarían en ausencia del átomo de hidrógeno), se establece una atracción electrostática entre la densidad de carga negativa (aceptor) situada sobre el átomo de oxígeno de la molécula agua y la densidad de carga positiva (donador) situada sobre un átomo de hidrógeno de una molécula de agua adyacente. Los tres átomos que participan en el puente de hidrógeno casi siempre están en línea recta ya que su relativa fuerza hace que sea un enlace altamente direccionala aunque el ángulo de enlace de dichos puentes puede oscilar desde los 0 hasta los 30º. Las propiedades físico-químicas de las moléculas que forman este tipo de enlace (H con F, O, N) se ven alteradas como por ejemplo los puntos de fusión y de ebullición, la viscosidad o la densidad.

Uniones hidrofóbicas

Otras interacciones a tener en cuenta por la importancia biológica que tienen son las interacciones entre el agua y las moléculas anfipáticas. Estas moléculas son compuestos que tienen simultáneamente grupos fuertemente no polares y grupos fuertemente polares como los ácidos grasos.

Al contactar con el agua, estos compuestos, tienden a organizarse según estructuras específicas que poseen una gran importancia biológica como las monocapas, las bicapas (que forman las membranas citoplasmáticas y de los liposomas) y las micelas. La parte hidrófila del compuesto anfipático puede formar enlaces de hidrógeno con el agua o bien disociarse. Por otra parte las colas hidrófobas (en el caso de los ácidos grasos) pueden establecer entre si interacciones o enlaces hidrofóbicos de tipo electrostático,  que sen enlaces débiles pero, que dotan a sus estructuras de una gran estabilidad. Además a ello ayudan las Fuerzas de Van Der Waals que aportan fuerzas de atracción adicionales entre las estructuras hidrocarbonadas adyacentes.