Ionic and Covalent Bonds, Hydrogen Bonds, van der Waals - 4 types of Chemical Bonds in Biology

Summary

El guion del video explica los cuatro tipos de enlaces químicos esenciales para la vida: iónicos, covalentes, enlaces de hidrógeno y interacciones de van der Waals. Estos enlaces surgen cuando átomos se encuentran en cercanía, formando nuevas características. La electronegatividad influye en el tipo de enlace, resultando en covalentes no polares (compartiendo electrones), covalentes polares (distribución desigual de electrones), iónicos (transferencia de electrones), enlaces de hidrógeno (debil atracción entre átomos parcialmente cargados) y enlaces de van der Waals (la más débil, causada por la distribución temporal de electrones). Estos enlaces son fundamentales en la bioquímica, determinando la estabilidad y la reversibilidad de las interacciones moleculares.

Takeaways

• 🔬 Existen cuatro tipos de enlaces químicos esenciales para la vida: enlaces iónicos, enlaces covalentes, enlaces de hidrógeno y la interacción de van der Waals.
• 🌐 Estos enlaces son propiedades emergentes de los átomos, que se manifiestan cuando los átomos se encuentran en cercanía.
• 💡 Los átomos pueden compartir electrones o transferirlos completamente para llenar sus capas de valencia y alcanzar estabilidad.
• 🔋 La electronegatividad es un factor clave que determina el tipo de enlace en el que participará un átomo, medido por la capacidad de un átomo para atraer y retener electrones.
• ⚖️ Cuando dos átomos tienen electronegatividad similar, comparten electrones de manera igualitaria, formando enlaces covalentes no polares.
• 🔗 Si hay una diferencia en la electronegatividad, los electrones pasarán más tiempo cerca del átomo con mayor electronegatividad, creando enlaces covalentes polares.
• 💧 En la molécula de agua (H2O), la diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno da lugar a enlaces covalentes polares.
• ⚡ Los enlaces iónicos se forman cuando un átomo dona electrones a otro más electronegativo, creando iones con cargas opuestas que se atraen entre sí.
• 💧 En biología, los enlaces iónicos se consideran más débiles que la mayoría de los enlaces covalentes debido a la presencia del agua que los disocia rápidamente.
• 🔗 Los enlaces de hidrógeno son una atracción débil entre un átomo de hidrógeno ya covalentemente enlazado con otro átomo y un átomo parcialmente negativo, como el oxígeno, nitrógeno o fluor.
• 🌌 Las interacciones de van der Waals son las más débiles, ocurriendo cuando hay una distribución temporal desigual de electrones en moléculas cercanas, creando regiones parcialmente cargadas.

Q & A

¿Cuáles son los cuatro tipos de enlaces químicos esenciales para la vida?

Los cuatro tipos de enlaces químicos esenciales para la vida son: enlaces iónicos, enlaces covalentes, enlaces de hidrógeno e interacciones de van der Waals.

¿Qué determina si un átomo compartirá o transferirá electrones?

La disposición de un átomo para compartir o transferir electrones depende de si tiene su capa de valencia llena o no. Si no está completa, el átomo puede compartir o transferir electrones para llenarla o vaciarla.

¿Qué es la electronegatividad y cómo afecta a los enlaces químicos?

La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones. A mayor diferencia de electronegatividad entre dos átomos, más probable es que los electrones se mantengan cerca del átomo más electronegativo, afectando el tipo de enlace formado.

¿Qué diferencia hay entre un enlace covalente no polar y un enlace covalente polar?

En un enlace covalente no polar, los electrones se comparten equitativamente entre átomos con electronegatividades similares, mientras que en un enlace covalente polar, los electrones se pasan más tiempo cerca del átomo con mayor electronegatividad.

¿Cómo se forman los enlaces iónicos?

Los enlaces iónicos se forman cuando un átomo dona electrones a otro más electronegativo, creando un catión (positivo) y un anión (negativo), que se atraen por fuerzas electrostáticas.

¿Por qué los enlaces iónicos se consideran más débiles en bioquímica que en química?

En bioquímica, los enlaces iónicos se consideran más débiles porque, en el contexto acuoso en el que ocurren las interacciones biológicas, estos enlaces se disocian rápidamente.

¿Qué función tienen los enlaces débiles en biología?

Los enlaces débiles permiten interacciones reversibles, lo que es esencial en procesos como la señalización celular, donde una molécula señalizadora necesita unirse temporalmente a un receptor y luego liberarse.

¿Qué es un enlace de hidrógeno y cómo se diferencia de un enlace covalente?

Un enlace de hidrógeno es una atracción débil entre un átomo de hidrógeno (con carga parcial positiva) y un átomo electronegativo (como oxígeno o nitrógeno). A diferencia de los enlaces covalentes, no comparten electrones directamente.

¿Qué son las interacciones de van der Waals y cómo funcionan?

Las interacciones de van der Waals son las más débiles y ocurren debido a distribuciones temporales de cargas en moléculas. Estos enlaces aparecen y desaparecen rápidamente, ayudando en interacciones moleculares de corto plazo.

¿Cómo los enlaces químicos desempeñan un papel importante en la estructura y función biológica?

Los enlaces fuertes, como los covalentes, ayudan a formar estructuras estables, mientras que los enlaces más débiles, como los de hidrógeno y las interacciones de van der Waals, facilitan procesos dinámicos como la señalización y la interacción molecular.

Outlines

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🌐 Química de las moléculas: Enlaces químicos esenciales

El primer párrafo explora los cuatro tipos de enlaces químicos fundamentales para la vida: iónicos, covalentes, de hidrógeno y las interacciones de van der Waals. Estos enlaces surgen como propiedad emergente cuando los átomos se encuentran en cercanía. Se discute cómo los átomos, al no tener una capa de valencia completa, pueden compartir o transferir electrones para alcanzar una configuración estable. El electronegatividad, que mide la capacidad de un átomo para atraer electrones, determina el tipo de enlace que se forma. Enlaces covalentes no polares ocurren entre átomos con electronegatividad similar, como en el caso de H2 y O2. Por otro lado, los enlaces covalentes polares se forman cuando hay una diferencia en el electronegatividad, como en H2O, donde el oxígeno tiene una carga parcial negativa y los hidrógenos una carga parcial positiva. Los enlaces iónicos surgen cuando un átomo dona electrones a otro de mayor electronegatividad, creando iones con cargas opuestas que se atraen entre sí. Además, se menciona que en biología, los enlaces iónicos se consideran más débiles debido a la presencia del agua, lo que permite interacciones reversibles, como la unión temporal de moléculas de señalización con receptores.

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🔗 Enlaces débiles: Importancia en la biología

El segundo párrafo se centra en los enlaces más débiles y su papel en la biología. Se explica que no siempre es deseable que una molécula se una de manera permanente a un receptor, sino que en muchos casos es preferible que la unión sea reversible, como sucede con las hormonas y las neurotransmisores. Los enlaces de hidrógeno, aunque débiles, son cruciales para la cohesión de la molécula de agua y su importancia vital. Estos enlaces son atrayentes entre un hidrógeno ya covalentemente unido a otro átomo y un átomo parcialmente negativo, generalmente oxígeno, nitrógeno o fluorine. Finalmente, se introducen las interacciones de van der Waals como las más débiles, que ocurren debido a la movilidad electrónica y la distribución temporal de cargas positivas y negativas en las superficies de las moléculas. El vídeo concluye con un desafío para que el espectador recuerde ejemplos de estos enlaces en la biología, sugiriendo que tener una molécula en mente puede ayudar a entender mejor los conceptos abstractos de la bioquímica.

Keywords

💡Enlaces Químicos

Los enlaces químicos son la fuerza que mantiene unidas a las moléculas. En el vídeo, se menciona que existen cuatro tipos de enlaces esenciales para la vida: iónicos, covalentes, enlaces de hidrógeno y la interacción de van der Waals. Estos enlaces son propiedades emergentes de los átomos y son fundamentales para entender cómo los átomos interactúan entre sí y forman moléculas.

💡Enlace Iónico

Un enlace iónico se forma cuando un átomo dona uno o más electrones a otro átomo, creando así iones con cargas opuestas. En el vídeo, se explica que estos enlaces son fuertes en el contexto de la química general, pero en la bioquímica, donde todo ocurre en presencia de agua, los enlaces iónicos se disocian rápidamente, lo que los hace más débiles en comparación con la mayoría de los enlaces covalentes.

💡Enlace Covalente

Los enlaces covalentes son formados por la compartición de electrones entre dos átomos para completar sus capas de valencia. El vídeo destaca dos subtipos: polares y no polares. Un ejemplo de enlace covalente no polar es el enlace entre dos átomos de oxígeno en una molécula de O2, donde los electrones son igualmente compartidos debido a que ambos átomos tienen la misma electronegatividad.

💡Electronegatividad

La electronegatividad es la medida de la capacidad de un átomo para atraer y retener un electrón. En el vídeo, se menciona que la diferencia en electronegatividad entre dos átomos determina el tipo de enlace que se formarán: si son similares, compartirán electrones en un enlace covalente no polar; si hay una diferencia, se formará un enlace covalente polar con una distribución desigual de electrones.

💡Enlace Polar Covalente

Un enlace polar covalente se da cuando hay una diferencia en la electronegatividad entre los átomos involucrados, lo que resulta en una mayor cantidad de tiempo que los electrones pasan cerca del átomo con mayor electronegatividad. El vídeo utiliza el ejemplo de una molécula de agua, donde el oxígeno tiene una mayor electronegatividad que el hidrógeno, creando cargas parciales negativas y positivas respectivamente.

💡Enlace de Hidrógeno

Los enlaces de hidrógeno son una atracción débil entre un átomo de hidrógeno ya covalentemente unido a otro átomo (con carga parcial positiva) y un átomo parcialmente negativo, generalmente de oxígeno, nitrógeno o flúor. En el vídeo, se explica que estos enlaces son importantes para la cohesión de la molécula de agua y son representados con una línea punteada para indicar su naturaleza débil y temporal.

💡Interacción de van der Waals

Las interacciones de van der Waals son las más débiles de todas las fuerzas mencionadas y se deben a la distribución temporal y espacial de electrones en los orbitales de los átomos. El vídeo describe cómo estas interacciones ocurren cuando hay una distribución temporal desigual de electrones en la superficie de dos moléculas en contacto, creando regiones parcialmente positivas y negativas que se atraen brevemente.

💡Capas de Valencia

Las capas de valencia son los orbitales electrónicos más externos de un átomo. El objetivo de un átomo es llenar su capa de valencia para alcanzar estabilidad. En el vídeo, se discute cómo los átomos pueden compartir o transferir electrones para completar sus capas de valencia, lo que resulta en diferentes tipos de enlaces químicos.

💡Propiedad Emergente

Una propiedad emergente es una característica que surge cuando las partes de un sistema interactúan entre sí, y que no puede predecirse simplemente observando a las partes individuales. En el vídeo, se explica que los enlaces químicos son un ejemplo de propiedades emergentes, ya que las propiedades químicas de un átomo solo se manifiestan cuando se encuentran en contacto con otros átomos.

💡Cationes y Aniones

Un cation es un átomo que ha donado electrones y tiene una carga positiva, mientras que un anión es un átomo que ha aceptado electrones y tiene una carga negativa. En el vídeo, se menciona que la formación de cationes y aniones es el resultado de la transferencia electrónica en enlaces iónicos, donde la atracción electrostática entre iones con cargas opuestas mantiene el enlace.

Highlights

Existen cuatro tipos de enlaces químicos esenciales para la vida: enlaces iónicos, enlaces covalentes, enlaces de hidrógeno y interacciones de van der Waals.

Todos estos enlaces representan una propiedad emergente de los átomos.

Cuando átomos se encuentran en cercanía, se manifiesta una nueva característica: la formación de enlaces químicos.

La electronegatividad determina el tipo de enlace en el que un átomo participará.

Si dos átomos tienen electronegatividad similar, compartirán un electrón y formarán un enlace covalente no polar.

Un ejemplo de enlace covalente no polar es el分子H2, formado por dos átomos de hidrógeno compartiendo un electrón.

Dos átomos de oxígeno, con seis electrones en su capa valente, pueden compartir dos electrones y formar un enlace doble, creando una molécula O2.

Si hay una diferencia en la electronegatividad, los electrones pasarán más tiempo cerca del átomo con mayor electronegatividad, formando un enlace covalente polar.

En una molécula de agua (H2O), el oxígeno tiene una mayor electronegatividad que el hidrógeno, creando cargas parciales negativa y positiva.

Un enlace iónico ocurre cuando un átomo dona electrones a otro átomo de mayor electronegatividad, formando iones.

En biología, los enlaces iónicos se consideran más débiles que la mayoría de los enlaces covalentes debido a la presencia del agua.

La capacidad de formar enlaces de diferentes fuerzas es crucial; algunos enlaces deben ser fuertes, mientras que otros deben ser reversibles para interacciones.

Los enlaces de hidrógeno son una debil atracción entre un hidrógeno ya covalentemente unido a otra molécula y un átomo parcialmente negativo.

Los enlaces de van der Waals son las interacciones más débiles, causadas por la distribución temporal de electrones en una molécula.

Los enlaces de van der Waals son cruciales para comprender cómo se unen brevemente las moléculas en la superficie de receptores y moléculas de señalización.

Es desafiante recordar ejemplos concretos de cada tipo de enlace para entender mejor su papel en la biología.

Transcripts

There are four types of chemical bonds essential for life to exist: Ionic Bonds, Covalent Bonds,

Hydrogen Bonds, and van der Waals interactions.

All of these bonds represent an emergent property of atoms.

Individually, we can study the makeup of atoms - how many protons, neutrons,

and electrons they have.

But when atoms come in to close proximity with each other, a new characteristic becomes apparent.

If an atom doesn’t have a filled valence shell of electrons, it can either share electrons

with another atom, or it can completely transfer electrons.

This way, an atom can gain enough electrons to fill its outermost shell, or shed enough

electrons to empty its outermost shell, leaving a complete valence shell underneath at the

next lower Energy level.

The interactions between atoms that take place as a result are called chemical bonds.

So this is an example of an emergent property.

You don’t know anything about an atom’s chemical behavior until it comes in close

contact with another atom - then the chemical behavior EMERGES.

One thing that determines what kind of bond an atom will be involved in is its Electronegativity.

Think of electronegativity as the degree to which an atom pulls on an electron

and holds it close.

If two atoms come together and they have fairly similar electronegativities, they will share

an electron between the two of them.

This especially makes sense when the two atoms are identical.

Like - a hydrogen and a hydrogen share an electron and become an H2 molecule.

Or, let’s look at two oxygen atoms.

Neither one has a complete valence shell of electrons.

The outermost valence shell in oxygen has 6 electrons.

So it needs two electrons to fill up that valence shell and become more stable.

When two oxygen atoms come into close proximity, they can share two electrons and so form a

double bond, becoming an O2 molecule.

They have the same electronegativity, since they’re identical, so the electrons are

equally shared between the atoms.

We call this a NONPOLAR COVALENT BOND.

Now, if there IS a difference in the electronegativities, the electrons will spend a greater amount

of time next to the atom with a higher Electronegativity.

Remember, electrons are always in motion, moving around in kind of cloudlike regions

called orbitals.

For instance, in a water molecule, H2O,Oxygen has a higher electronegativity than Hydrogen.

So in both of the bonds in this molecule, the electrons will spend a greater part of

their time closer to the oxygen atom versus next to the hydrogen atoms.

This results in a water molecule having a partial negative charge around the oxygen

atom, and a partial positive charge around the hydrogen atoms.

We call this kind of chemical interaction a POLAR COVALENT BOND.

Now if the electronegativities are different enough, one atom will actually donate one

or more electrons to the more electronegative atom.

This results in two charged species - ions.

The atom that donates one or more electrons is called a cation.

It becomes positively charged.

The atom that takes on electrons becomes negatively charged.

This is called an anion.

As a result of becoming oppositely charged, these ions are now attracted to each other

through electrostatic attraction.

That attraction holding the two ions together is called an IONIC BOND.

Now here’s a funny thing about ionic bonds in biology.

When you learn about ionic bonds in chemistry, like say, the bonds holding the salt NaCl

together, we think of it as quite a strong bond.

But in biology/ biochemistry, you must remember that everything - all these chemical interactions

- are taking place in the context of water.

In water, ionic bonds quickly dissociate.

So for this reason, in biochemistry, we consider ionic bonds weaker than most covalent bonds.

In chemistry, we always discuss the range of strengths of the bonds.

You can learn more in a video we have called ionic bonds vs covalent bonds in our chemistry

video series.

This may surprise you, but it’s really important that we have the capability to make bonds

of varying strengths.

There are some cases where we want very strong bonds.

Say, when we’re building structures.

But there are other cases where it makes more sense to have weak bonds.

Bonds that can be used for REVERSIBLE interactions.

For example.

Let’s say we have a receptor, and a signalling molecule that binds it - like a hormone or

a neurotransmitter.

We don’t want that signalling molecule to bind to the receptor once, and get stuck there,

blocking the receptor.

We want it to bind REVERSIBLY - to bind, send the signal, and then fall off.

In fact, there are some poisons that work this way - they bind permanently to a receptor

and don’t fall off, so they mess up signalling in your body.

The next weaker bond is the Hydrogen bond.

People often get confused about hydrogen bonds because the one example you’ll always hear

of a hydrogen bond is in water.

We use that example because it’s incredibly important for why water is essential to life...and

that’s a topic for another video.

But meanwhile, the confusion comes because we just said there are polar covalent bonds

in water.

Yes.

In INDIVIDUAL water molecules, those bonds are polar covalent bonds.

There are hydrogen bonds that hold different water molecules together.

This is what makes water so cohesive.

For example, why water forms drops that kind of bunch up instead of lying flat.

The hydrogen bond is the very weak attraction between one hydrogen atom that is already

covalently bonded to something else (so it has a partial positive charge) and something

else that is partially negative.

This is usually an oxygen, nitrogen, or fluorine atom that is bonded to something else.

So in the case of water, you have the hydrogen from one water molecule attracted to the oxygen

in a DIFFERENT water molecule.

Notice that these bonds are written differently from covalent bonds.

Rather than a solid line joining the two atoms, it’s a dotted line.

That’s to remind you that this is a very weak interaction.

These bonds sort of blink on and off.

Now, let’s talk about the very weakest kind of bond, the van der Waals interactions.

To understand these, you must keep in mind that idea that electrons are

constantly in motion.

They occupy an orbital, which a cloud, or a region, around their atom’s nucleus.

You can’t pinpoint exactly where it is going to be at any one moment, but you have an idea

of this region where you can find it with high probability.

So now imagine two typical bulky molecules coming into contact.

That receptor and signalling molecule we mentioned earlier.

On the surface, the very very surface, there’s a cloud of electrons moving around.

Some of the time, there will be a temporary uneven distribution of electrons, which results

in partial positive and partial negative regions.

The opposite regions of the receptor and binding partner will line up, and briefly be attached

to each other.

And then in the next instant, they are released.

Again,sort of like the hydrogen bonds, imagine these bonds twinkling on and off like christmas

lights, except now even faster.

Here’s a challenge for you.

For each one of these kinds of bonds, give us an example of it playing an important role

in biology.

Write your answers in the comments!

This is a good strategy to adopt as you go forward in biochemistry.

If you can keep an example molecule in mind, that can help

keep the more abstract concepts clear.

So - this is what a hydrogen bond looks like.

This is what a fatty acid looks like.

You won’t get so easily confused later on.

Thanks for watching Socratica