Química Orgánica: de la arquitectura molecular a la función. Curso de Química Orgánica para carreras del áreas de las Ciencias Biológicas y afines

SOLIS M.E.; MARÍA ENRIQUETA A. DÍAZ DE VIVAR; MARISA GLADIS AVARO

Editorial Universitaria de la Patagonia (EDUPA)

Lugar: Comodoro Rivadavia; Año: 2018 p. 324

978-987-1937-92-9

QUÍMICA ORGÁNICA: DE LA ARQUITECTURA MOLECULAR A LA FUNCIÓN BIOLÓGICA CURSO DE QUÍMICA ORGÁNICA PARA CARRERAS DEL ÁREA DE LAS CIENCIAS BIOLÓGICAS ÍNDICEPrólogo Introducción CAPÍTULO 1 Sección 1. Introducción. La química orgánica como la química de los seres vivos Sección 2. Cadenas hidrocarbonadas y grupos funcionales. Geometría molecular. Isomería estructural Sección 3. Estereoisomería Bibliografía CAPÍTULO 2 Sección 1. Introducción Sección 2. Polaridad de enlace y polaridad molecular Sección 3. Interacciones no enlazantes Sección 4. Interacciones no enlazantes y estabilización de la arquitectura molecular Sección 5. Propiedades físicas y estructura molecular. Influencia de la geometría molecular sobre las propiedades de las sustancias Bibliografía CAPÍTULO 3 Sección 1. Introducción Sección 2. Ácidos y bases de Brönsted-Lowry 2.b. Fuerza de ácidos y bases 2.c. Predicción del sentido de las reacciones ácido-base 2.d. Relación entre pKa y pH ? Ecuación de Henderson-Hasselbalch Sección 3. Factores que afectan la acidez Sección 4. Ácidos y bases de Lewis Bibliografía CAPÍTULO 4 Sección 1. Introducción. Intercambio de energía en reacciones orgánicas Sección 2. Rupturas homolíticas y heterolíticas de enlace Sección 3. Compuestos aromáticos Bibliografía CAPITULO 5 Sección 1. Grupos funcionales polares unidos a cadenas alifáticas en moléculas de importancia biológica Sección 2. Relación entre la estructura, las interacciones no enlazantes y las propiedades físicas Sección 3. Propiedades químicas. Comportamiento como reactivos nucleofilicos Sección 4. Los alcoholes, tioles y halogenuros de alquilo como sustratos de sustitución nucleofílica Bibliografía CAPÍTULO 6 Sección 1. Introducción Sección 2. Estructura del grupo carbonilo Sección 3. Propiedades químicas de los compuestos carbonílicos Sección 4. Reacciones de adición nucleofílica de importancia biológica. Formación de hemiacetales en los monosacáridos Sección 5. Reacciones de óxido-reducción en compuestos orgánicos Sección 6. Reacciones de reducción del grupo carbonilo por adición nucleofílica de ion hidruro Bibliografía CAPÍTULO 7 Sección 1. Ácidos carboxílicos y derivados de ácidos carboxílicos. Tioésteres. Ésteres del ácido fosfórico: su presencia en moléculas de interés biológico Sección 2. Comportamiento químico de ácidos carboxílicos y derivados. Mecanismo de reacción de sustitución nucleofílica en el acilo Sección 3. Reacciones de sustitución nucleofílica en el acilo de interés biológico: formación e hidrólisis de ésteres Sección 4. Estabilidad diferencial de los derivados de ácidos carboxílicos: tioésteres, ésteres y amidas Sección 5. Propiedades físicas de los compuestos carbonílicos Sección 6. Ésteres y anhidridos del ácido fosfórico Bibliografía CAPÍTULO 8 Sección 1. Introducción Sección 2. Radiación electromagnética y espectro electromagnético Sección 3. Métodos espectroscópicos basados en absorción de REM Sección 4. Espectroscopía Ultravioleta ? Visible Sección 5. Instrumental utilizado en espectroscopía Ultravioleta ? Visible Sección 6. Parte cuantitativa. Ley de Lambert-Beer Bibliografía CAPÍTULO 9 Sección 1. Definiciones Sección 2. Hidrólisis de lípidos Seccion 3. Constituyentes de los lípidos hidrolizables simples con unión éster Sección 4. Lípidos hidrolizables simples formados por unión éster Sección 5. Lípidos hidrolizables complejos con glicerina Sección 6. Lípidos hidrolizables con unión amida. Esfingolípidos Sección 7. Lípidos no hidrolizables SECCIÓN 8. CUADRO RESUMEN DE LÍPIDOS HIDROLIZABLES Bibliografía 201 CAPÍTULO 10 Sección 1. Introducción Sección 2. Estructura de los monosacáridos Sección 3. Derivados de los monosacáridos. Azúcares fosforilados. Desoxiazúcares. Aminoazúcares y acetilaminoazúcares. Derivados por oxidación y por reducción Sección 4. Formación de la unión glicosídica. N- y O-glicósidos Sección 5. Glicanos Bibliografía CAPÍTULO 11 Sección 1. Introducción Sección 2. Formación de la unión peptídica Sección 3. Clasificación de aminoácidos según su cadena lateral Sección 4. Propiedades ácido-base de los aminoácidos Bibliografía CAPÍTULO 12 Sección 2. Formación de la cadena polipeptídica Sección 3. Arquitectura tridimensional de las proteínas Bibliografía CAPÍTULO 13 Sección 1. Introducción Sección 2. Nucleótidos Sección 3. Ácidos nucleicos Bibliografía EPÍLOGO ANEXO I SISTEMAS DE REPRESENTACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Sección 1. Estructuras semidesarrolladas y sistema de líneas Sección 2. Representación con proyecciones de Fischer Sección 3. Representación de Haworth ANEXO II NOMENCLATURA DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Sección 1. Construcción de los nombres sistemáticos de los compuestos orgánicos Sección 2. Sistemas de nomenclatura de isómeros geométricos Sección 3. Sistemas de nomenclatura de compuestos quirales APENDICE: TABLAS TABLA 1- FÓRMULAS Y NOMBRES DE RADICALES ALQUILO TABLA 2- MOMENTOS DIPOLARES DE COMPUESTOS ORGÁNICOS TABLA 3- LONGITUD DE ENLACE (re) Y ENTALPÍA DE DISOCIACIÓN HOMOLÍTICA DE ENLACE DE MOLÉCULAS BIATÓMICAS TABLA 4- ENTALPÍA DE DISOCIACIÓN HOMOLITICA DE ENLACE PARA MOLÉCULAS POLIATÓMICAS TABLA 5- Tabla de Constantes de acidez y de basicidad TABLA 6- Propiedades de solventes orgánicos TABLA 7- ESTRUCTURA DE FISCHER DE D-ALDOSAS TABLA 08- ESTRUCTURA DE FISCHER DE D-CETOSAS TABLA 09 - NOMBRES, ABREVIATURAS Y VALORES DE pKa DE AMINOÁCIDOS TABLA 10- ESTRUCTURAS DE LOS L-AMINOÁCIDOS QUE FORMAN PARTE DE PROTEÍNASPrólogo Los libros de texto de química, y entre ellos los de química orgánica, han sufrido un importante cambio en las últimas décadas. El mayor conocimiento adquirido de la estructura molecular hizo que los textos, fundamentalmente descriptivos en el pasado, pasen a tener un enfoque más vinculado con lo conceptual y estructural. El desarrollo de los métodos espectroscópicos y la difracción de rayos X han permitido un conocimiento detallado de la estructura tridimensional no sólo de las pequeñas moléculas, sino también de las macromoléculas y con ello, establecer la conexión existente entre estructura espacial y propiedades. Así, se puede satisfacer el objetivo principal para que el alumno comprenda que la composición química determina la estructura y que la estructura determina la función. En los textos de las primeras asignaturas universitarias no sólo son importantes los contenidos abordados, sino también la metodología de enseñanza utilizada. Siempre es bueno recordar el viejo proverbio ?Olvido lo que oigo, recuerdo lo que veo, entiendo lo que hago?. Por eso el hacer es fundamental. El libro que hoy nos convoca, Química Orgánica: de la arquitectura molecular a la función biológica de María Enriqueta A. Díaz de Vivar, con la colaboración de Miriam E. Solís y Marisa G. Avaro, representa un soplo de aire fresco en la enseñanza de la química orgánica para las carreras de ciencias biológicas y afines, desde el punto de vista de los contenidos y metodología de la enseñanza. En este libro se abordan los contenidos necesarios para el aprendizaje significativo de la química orgánica con una fuerte orientación hacia la comprensión de la arquitectura molecular de las biomoléculas. Este texto pretende servir de base o fundamento para que los alumnos de carreras como Licenciatura en Ciencias Biológicas, Agronomía, Bioquímica y otras afines, puedan comprender la estructura química de los compuestos orgánicos simples y de los compuestos de importancia fundamental para el metabolismo primario: lípidos, carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos. En los libros de texto que se encuentran en el mercado, es destacable la ausencia de un tema, que como las interacciones moleculares no covalentes, son relevantes para la comprensión de las propiedades fisicoquímicas de las biomoléculas. El libro que aquí presentamos hace un exhaustivo análisis de las mismas, fundadas en la arquitectura molecular. El texto, a diferencia de la mayoría de los libros de química orgánica, no aborda el tema de la síntesis orgánica, ya que éste no parece pertinente para las carreras a las cuales está dirigido. Pedagógicamente, el libro hace un aporte no sólo por la orientación mencionada en los contenidos, sino por la metodología empleada como medio de aprendizaje: se emplea la metodología del Aula-Taller: todos los contenidos se presentan a partir de conceptos relacionados con la biología como motivación introductoria y con el desarrollo de ejercicios y estudios de casos para involucrar activamente al alumno en su aprendizaje. Los resultados alcanzados en cuanto al rendimiento de los alumnos en el uso de una versión preliminar de partes del texto en la Sede Puerto Madryn de la Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco -según reportan las autoras en diferentes presentaciones a congresos de la especialidad- han sido muy positivos, tal como lo reflejan encuestas anónimas y libres, realizadas por sus alumnos. Esto las ha impulsado a concretar esta edición formal del libro, en una primera instancia, en formato digital. El libro representa un enfoque renovador en los contenidos y en la didáctica y es de esperar que el mismo sea aprovechado por docentes y alumnos de las carreras vinculadas con las ciencias biológicas. Dr. Sergio Baggio Profesor Titular Consulto Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Universidad Tecnológica Nacional Puerto Madryn, Chubut Introducción Presentamos este libro de química orgánica como una invitación a viajar: constituye un desafío en la construcción del propio conocimiento, para alumnos de las carreras del área de las ciencias biológicas. Es una invitación a comenzar a explorar las bases moleculares de la vida. El desafío es llegar a comprender las bases estructurales del comportamiento fisicoquímico de las biomoléculas que intervienen en el metabolismo primario, bajo este axioma: la estructura de las moléculas determina la forma y la forma, determina la función biológica. Hemos acuñado este axioma a lo largo de más de veinte años dedicados a la docencia en la cátedra de Química Orgánica de la Sede Puerto Madryn de la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco y hemos guiado nuestra práctica docente hacia la comprensión de ese principio que constituye el eje fundamental del desarrollo de contenidos en la materia. ¿Por qué hablamos de viaje? Porque planteamos un recorrido a través del cual el alumno (sirviéndose del lenguaje y sistemas de representación de la química orgánica) pueda iniciar el estudio de esta disciplina teniendo en claro cuál es el final del camino. Se presentan ante el alumno desde el inicio, las estructuras químicas de las principales biomoléculas que sostienen el metabolismo primario: ácidos nucleicos, proteínas, lípidos y carbohidratos. El principal objetivo es llegar a manejar con soltura todos los aspectos estructurales de esas biomoléculas, que permitan comprender los aspectos fisicoquímicos que determinan su comportamiento biológico. Así, conociendo, como motivación inicial, cuál es el final del camino, se emprende en los primeros Capítulos del libro, el estudio sistemático de todos los temas que se requiere dominar, para lograr ese objetivo final. El desafío del recorrido presenta distintos niveles de abordaje: ¿Cómo representar la complejidad de la arquitectura tridimensional de esas moléculas en sistemas de representación bidimensionales? ¿Cómo designar esos compuestos mediante el uso de un lenguaje específico y común a toda la comunidad científica? Una vez dominados los sistemas de nomenclatura y de representación de las abstractas estructuras moleculares, ¿cómo analizar su comportamiento a nivel celular? Para continuar en el tránsito hacia el objetivo principal, se recorre el itinerario en etapas: desde el estudio de las funciones orgánicas simples, hasta el análisis de la estructura química de las complejas biomoléculas. Asimismo, es constante el abordaje desde la estructura molecular individual, hacia la constitución de la que denominamos ?población de moléculas?, esto es, el análisis de las interacciones que vinculan a las moléculas entre sí, para constituir agregados que determinan su comportamiento fisicoquímico a nivel celular. De este modo se realiza a lo largo del texto un triple abordaje: el nivel de la ?población de moléculas? (la arquitectura tridimensional que adopta la población y sus interacciones entre sí y con el medio acuoso circundante); el nivel molecular (la geometría que se deriva de la particular estructura química de cada compuesto estudiado, que, a su vez, depende de su composición química) y el nivel simbólico (sistemas de representación que permiten la visualización y la comunicación de los contenidos). Dada nuestra práctica docente de tantos años, estamos convencidas de que el rol del docente es primordialmente el de un interlocutor, que, planteando los interrogantes adecuados, despierta la curiosidad y la inquietud por conocer, fomenta la indagación y estimula la argumentación y el análisis crítico de los argumentos expuestos. Para poder llevar a cabo esta tarea, elegimos un marco teórico: el modelo del Entorno Constructivista de Aprendizaje de Jonassen(1). Este modelo exige la presentación de cada nuevo concepto a partir de situaciones problemáticas atractivas para el alumno. Ese marco teórico ha sido incorporado en la construcción de este libro: cada nuevo tema se presenta bajo la forma de un interrogante o de un ejemplo relacionado directamente con la función biológica, para luego, mediante actividades y preguntas pertinentes, llegar a explicar, con los conceptos de química orgánica, todos los comportamientos visualizados. Es un principio de la teoría constructivista el axioma ?tómese lo que el alumno sabe, y opérese en consecuencia?(Ausubel, Novak y Hanesian(2)). De este abordaje metodológico estamos convencidas. Hemos comprobado a lo largo de nuestra práctica docente universitaria, que esta didáctica interpela e involucra al alumno y lo hace sujeto, artífice de la construcción de su propio aprendizaje, que resulta así, realmente significativo (en la acepción constructivista del término). Deliberadamente en este texto se han hecho inclusiones y exclusiones. La principal inclusión, no frecuente en los textos universitarios de química orgánica existentes para carreras de grado, es el estudio de las interacciones intermoleculares no enlazantes o no covalentes. Entendemos que este abordaje es de fundamental importancia para el estudiante de las carreras del área de las ciencias biológicas, dado que el comportamiento de las biomoléculas a nivel celular se da a partir de agregados moleculares (que en este texto denominamos ?población de moléculas?) y de las vitales interacciones soluto-solvente (que, entre otras cosas, determinan, por ejemplo, los pliegues de las cadenas de proteínas). Un enfoque termodinámico de estos temas habitúa al alumno a que cuando estas interacciones son posibles, el sistema se estabiliza y esto determina que sean viables ciertos procesos metabólicos y no otros. El estudio sistemático de las interacciones no enlazantes se inicia en el Capítulo 2, para que el alumno incorpore desde el comienzo del cursado todos los conceptos relevantes del tema, y se aplica constantemente en los restantes Capítulos. Otra inclusión que creemos ordenadora e importante, es el tema de las teorías ácido-base, que se aborda en el Capítulo 3. Así como el tema de las interacciones intermoleculares (estudiado en el Capítulo 2) permite comprender los aspectos fisicoquímicos de las propiedades observables de los sistemas moleculares de importancia biológica, la teoría ácido-base de Lewis constituye el eje vertebrador del estudio del comportamiento químico de los compuestos orgánicos. Esta teoría brinda las herramientas básicas para poder analizar todas las reacciones entre las funciones orgánicas, considerándolas como interacciones ácido (electrófilo)/base (nucleófilo). Asimismo, para un buen manejo de los equilibrios ácido-base de las proteínas y aminoácidos en solución acuosa, es imprescindible el estudio de la teoría ácido-base de Brönsted y Lowry, que también se aborda en el Capítulo 3. El eje vertebrador del estudio de las funciones orgánicas simples es el del orden creciente de oxidación. Se estudian los compuestos desde los más reducidos (hidrocarburos) hasta los más oxidados (ácidos y derivados de ácidos), seleccionando siempre aquellos que integran las biomoléculas ya mencionadas. Se incluye una sección en el Capítulo 6, sobre criterios para establecer el grado de oxidación de un compuesto orgánico y el mecanismo de reducción a través de nucleótidos dadores de hidruro, de indudable importancia metabólica. Asimismo, otra inclusión interesante en este texto, en el Capítulo 7, es el estudio de funciones orgánicas azufradas: tioles, tioéteres y tioésteres, que integran importantes moléculas de interés biológico, tales como ciertos aminoácidos y coenzimas. Se incluye además el estudio de los ésteres y anhídridos del ácido fosfórico, funciones orgánicas fundamentales para la vida, en tanto constituyen la columna vertebral de los nucleótidos. La particular reactividad del grupo tioéster y la nucleofilicidad del grupo tiol permiten explicar por qué algunos tioésteres se comportan como nodos metabólicos. Asimismo, en el Capítulo 7 se analizan las diferencias de estabilidad química de ésteres, proteínas, tioéstes y ésteres del ácido fosfórico, en relación a las biomoléculas que contienen esos grupos funcionales, lo que permite explicar su diferente comportamiento biológico. Hemos privilegiado la unicidad en el trayecto cognitivo, para lograr un texto que constituya un camino claro desde los conceptos iniciales hasta el objetivo final, ya mencionado. En aras de esa unicidad, debemos mencionar dos importantes y deliberadas exclusiones: se ha evitado el estudio de la síntesis orgánica, dado que este texto está dirigido a futuros profesionales del área de la biología y carreras afines, que difícilmente encontrarán entre sus incumbencias el desarrollo de nuevos compuestos. Por otra parte, se ha excluido el estudio de los métodos espectroscópicos de análisis estructural, tales como Resonancia Magnética Nuclear y Espectrometría de Masas, porque en los planes de estudios de las carreras de Licenciatura en Ciencias Biológicas, la asignatura Química Orgánica es una asignatura cuatrimestral, de primer año, de cien horas de clase. Así, se decidió, en función del tiempo disponible, privilegiar la sencilla espectrofotometría UV-visible, de uso rutinario en todos los laboratorios químico-biológicos. Finalmente, se aborda en los últimos Capítulos el estudio de cada una de las clases de biomoléculas fundamentales: lípidos, hidratos de carbono, proteínas y ácidos nucleicos. En cada uno de ellos se hace uso de las herramientas más modernas disponibles para la comprensión de sus estructuras químicas, tales como las bases de datos LIPID MAPS, Protein Data Bank, Nucleic Acid Database y similares. En estos Capítulos se aborda el estudio sistemático de las principales estructuras químicas de esas biomoléculas, su construcción a partir de las funciones orgánicas simples ya estudiadas en el curso y principalmente, su arquitectura molecular tridimensional, basada en su estructura química y en las interacciones intermoleculares que la estructura química determina. El viaje culmina con el fascinante mundo del genoma. Cierra el texto, cumpliendo el ciclo: se partió del dibujo del ADN y se termina con su estudio químico integral. Se ha recorrido el camino, que se ha ?construído al andar?, parafraseando al poeta. Esperamos que este texto sea el punto de partida para un aprendizaje profundo, reflexivo y, por qué no, feliz, de la química orgánica para los estudiantes del área de las ciencias biológicas. María Enriqueta A. Díaz de Vivar Miriam Edith Solís Marisa Gladis Avaro(1)Jonassen, D. (2000) El diseño de entornos constructivistas de aprendizaje. En Ch. Reigeluth (Ed): Diseño de la instrucción. Teoría y modelos (225-250). Madrid: Aula XXI Santillana. (2) Ausubel, D., Novak, J. and Hanesian, H. (1978). Educational Psychology: A Cognitive View (2nd Ed.). New York: Holt, Rinehart & Winston.