I legami deboli nei sistemi biologici

I legami deboli più rilevanti per i sistemi biologici sono: i legami di van der Waals, i legami idrofobici, i legami idrogeno e quelli ionici. I primi possiedono un energia (da 1 a 2 kcal/mol) solo leggermente superiore all'energia cinetica dei movimenti termici, mentre l'energia dei legami ionici e idrogeno è compresa fra 3 e 7 kcal/mol. Tutte le molecole sono in grado di formare legami di van der Waals, mentre i legami idrogeno e quelli ionici possono essere formati soltanto fra molecole che sono fornite di una carica netta (ioni), o sulle quali la carica non è uniformemente distribuita.
Comunque, tutte le interazioni deboli sono basate su attrazioni tra cariche elettriche. La separazione delle cariche può essere permanente o temporanea. Ciò dipende dalle cariche elettriche coinvolte. Per esempio, nella molecola di ossigeno (O:O) i due atomi condivisi hanno una distribuzione simmetrica, così che ciascuno di essi non appare carico. Al contrario, nella molecola d'acqua (H:O:H) non vi è una distribuzione uniforme di cariche, infatti gli elettroni sono condivisi in modo ineguale. Essi sono attratti più fortemente dall'atomo di ossigeno, che, di conseguenza, ha una carica negativa piuttosto elevata, mentre la stessa carica (in questo caso positiva) è posseduta dai due atomi di idrogeno. Questa situazione è definita dipolo elettrico e le molecole con queste caratteristiche sono definite molecole polari. Le molecole non polari, invece, sono quelle che non presentano tale caratteristica, come per esempio il metano, in cui gli atomi di carbonio e idrogeno hanno affinità simili per gli elettroni, quindi non presentano cariche.
In generale, i legami di van der Waals sono determinati da forze di attrazione non specifiche, che si creano quando due atomi si avvicinano l'uno all'altro. Essi sono basati sulle fluttuazioni di carica indotte dalla vicinanza reciproca fra molecole diverse, che possono essere sia polari che non polari. Le forze di van der Waals possono essere anche repulsive e si creano quando due molecole sono troppo vicine, in quanto abbiamo la sovrapposizione degli elettroni del guscio più esterno.
Un legame idrogeno, invece, si forma tra un atomo di idrogeno donatore, covalentemente legato ad un altro atomo, avente carica positiva ed un atomo di idrogeno accettore, covalentemente legato ad un altro atomo, carico negativamente. Per esempio, gli atomi di idrogeno del gruppo amminico (-NH2) sono attratti dall'ossigeno del gruppo carbonilico (-C=O) carico negativamente. Comunque, il legami idrogeno biologicamente più importanti sono rappresentati da atomi di idrogeno legati ad atomi di ossigeno (O-H) o ad atomi di azoto (N-H). In assenza di molecole d'acqua, circostanti, l'energia dei legami idrogeno è compresa fra 3 e 7 kcal/mol, quindi, pur appartenendo alla categoria dei legami deboli, sono sufficientemente forti, in quanto vi è una notevole differenza di carica fra atomi donatori e accettori. In ogni caso, i legami idrogeno sono più deboli dei legami covalenti, anche se considerevolmente più forti di quelli di van der Waals. In condizioni fisiologiche, le molecole d'acqua esistono come molecole polari H-O-H, formando legami idrogeno molto forti fra gli atomi di idrogeno di una molecola e l'ossigeno di un'altra. In ciascuna molecola d'acqua, l'atomo di ossigeno di una molecola può legarsi a due atomi di idrogeno appartenenti ad altre due molecole, mentre ciascun atomo di idrogeno può legarsi ad un atomo di ossigeno di una molecola adiacente. Questi legami formano un tetraedro, così che, sia in forma liquida che in quella solida (ghiaccio), una singola molecola d'acqua tende ad averne altre quattro vicine. Come abbiamo detto precedentemente, l'energia dei legami idrogeno è molto più elevata di quella delle interazioni di van der Waals, così che le molecole formeranno preferenzialmente legami idrogeno. Se, però, proviamo a miscelare l'acqua con un composto che non forma legami idrogeno, come il benzene, le molecole d'acqua e quelle di benzene si separeranno immediatamente: le molecole d'acqua formeranno legami idrogeno mentre quelle di benzene rimarranno associate mediante interazioni di van der Waals. Invece, molecole polari, come il glucosio, che contengono un gran numero di gruppi in grado di formare legami idrogeno, sono solubili in acqua. Infatti, quando queste molecole si inseriscono nel reticolo formato dalle molecole d'acqua, si formano immediatamente legami idrogeno fra le molecole organiche polari e l'acqua stessa. In generale, quindi, la forte tendenza dell'acqua ad escludere i gruppi non polari è indicata come legame idrofobico, anche se non è propriamente corretto in quanto viene più che altro enfatizzata l'assenza di un legame. Mentre le molecole polari si legano all'acqua tramite legami idrofilici.