Química macromolecular
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Química macromolécula es la rama de la química que estudia aquellas moléculas gigantes que pueden contener varios miles o varias centenas de miles de átomos. Las macromoléculas son similares a las moléculas orgánicas clásicas excepto en el tamaño.
Sumario
Origen
El descubrimiento del hule y la síntesis de plásticos artificiales dieron un vuelco a la naturaleza de los materiales que rodean a la humanidad. En muchas de sus aplicaciones, los plásticos han sustituido con ventaja al vidrio, al cuero, al algodón, a la cerámica, a la madera y hasta a los metales. Hoy, los materiales plásticos son importantes satisfactores de necesidades en cualquier sociedad. En los países desarrollados, cada habitante cuenta en promedio con 100 kilogramos de plástico. En México esta cifra ya supera los 15 kilogramos, y su influencia abarca sectores industriales de gran importancia, como el automotriz, el electrónico, el de la construcción e incluso el de la salud.
Clasificación
Estas sustancias se caracterizan por la diversidad del tamaño de las macromoléculas que las constituyen.
- Macromoléculas lineales, cuyo encadenamiento atómico se desarrolla en una dirección preferencial, a veces con ramificaciones.
- Macromoléculas laminares, cuyos encadenamientos atómicos se desarrollan en dos direcciones espaciales.
- Macromoléculas tridimensionales, cuya estructura se extiende en tres dimensiones del espacio.
Estas estructuras no forzosamente tienen que ser independientes: en la vulcanización del caucho, este pasa de la estructura lineal a la estructura tridimensional.
El material macromolecular es el que asocia una sustancia macromolecular a otras sustancias distintas. Entre las sustancias macromoleculares, también llamadas polímeros, se distinguen:
- Sustancias naturales, orgánicas, por ejemplo, celulosa, caucho; o minerales, por ejemplo, silicatos, sulfuro de cinc.
- Sustancias artificiales, obtenidas por modificación química de las precedentes.
- Sustancias sintéticas, por ejemplo, polímeros obtenidos por polimerización o policondensación.
Maromoléculas en los seres vivos
Proteínas
Son un conjunto de Aminoácidos (Aa) ordenados.
Carbono, Hidrógeno, Oxigeno, Nitrógeno = Aminoácidos.
El hombre tiene 8 Aa esenciales.
Cuando son mas de 10mil Aa son Proteínas Cuando son menos de 10mil Aa se llama Polipéptidos.
- Niveles estructurales:
1er Nivel: Secuencia de Aa. Cada una tiene una secuencia partículas, si cambia un Aa cambia la proteína.
2º Nivel: Orientación de Aa en el espacio. 3er Nivel: Sobre enrollamiento. 4º Nivel: Agrupan distintas proteínas con o sin grupo. “No proteicos”
Carbohidratos (glucidos)
- Son azucares y masas - Su unidad básica: monosacárido - 5 carbonos: pentasacárido, ribosa y desoxirribosa (participa en la estructura de genes) - 6 carbonos: hexosacárido, glucosa (Energía); fructosa y galactosa.
Disacáridos: ( 2 monosacáridos)
- Glucosa + glucosa = maltosa, es un estado transitorio
- Glucosa + fructosa = sacarosa ( azúcar)
- Glucosa + galactosa = lactosa, azúcar en la leche
Lípidos
Las funciones de los lípidos consisten en formar membranas, en sus enlaces químicos pueden mantener energía que es utiliza cada cierto tiempo y esto hace que sirva de reserva energética.
Tipos de lípidos:
- Ácidos Grasos: Molécula de CHO que generalmente tiene un grupo carboxilo o un grupo ácido en una de sus puntas. La cadena de ácidos que lo acompañan puede ser saturada o insaturada.
- Saturadas: Mayor cantidad de H posibles asociadas al carbono (sólido) grasas.
- Insaturadas: No llena todas sus posibilidades de H, se los puede quitar un oxígeno (liquido) aceites.
- Lípidos simples o triglicéridos: Son básicamente un ácido graso más glicerina o glicerol más hidróxido, para que sea un triglicérido debe tener tres grupos de glicerol.
- Lípidos Compuestos: Son aquellos que tienen una parte lípida y algún otro grupo no-lípido que puede ser proteico, de carbohidratos o de Aa.
- Esteroles: Son otro tipo de lípidos. Son grasas complejas que tiene en su estructura básica tiene una molécula de puros anillos de carbono; ellas forman la base de los esteroles, es aquí donde esta el colesterol. Puedo formar musculatura y luego se hace grasa si lo dejo de consumir se transforma en tejido adiposo.
Ácidos nucleicos
Se relacionan con el material genético y con la expresión del material genético, la unidad básica, nucleótido, esta formado de un ácido fosforico o grupo fosforico, su base nitrogenada esta formada por: adenina, timina, uracilo y guanina y su pentosa formada por: ribosa, desoxirribosa.
Tipos de ácidos nucleicos:
ADN (ácido desoxirribonucleico), formado por:
- Adenina, guanina, citosina, timina. - Siempre es una doble cadena de nucleótidos que forma un hélice. - Como es de doble, hacen parejas de bases nitrogenadas. - Adenina con timina y citosina con guanina. - Las parejas de bases nitrogenadas son puentes de hidrógenos.
Puente de hidrógeno: atracción eléctrica de un átomo de hidrógeno con uno de nitrógeno u oxigeno.
- Se encuentra en el núcleo de las células, en las mitocondrias y en los cloroplastos. - Tiene la información biológica.
ARN (ácido ribonucleico), compuesto de:
- Adenina, guanina, uracilo, Citosina.
- Cadena simple de nucleótidos.
- Se encuentra en toda la célula.
- Su función es expresar la información biológica.
Macromoléculas, polímeros y masa molecular
Desde el siglo pasado los químicos han establecido una escala especial de masas. Como lo que se trata de medir es la masa de un átomo o una molécula, se escogió una unidad sumamente pequeña: la unidad de masa atómica (uma), que es la que corresponde aproximadamente al átomo de hidrógeno más abundante en la naturaleza:
- 1 uma = masa de un átomo de hidrógeno-1
En esta escala, las masas de los átomos naturales corresponden a números entre 1 (hidrógeno) y 238.1 (uranio). Aunque en este siglo se ha modificado la base de la escala, los efectos son poco notorios.
Las masas de las moléculas se obtienen al sumar las correspondientes de los átomos que las constituyen. Por ejemplo, la molécula de sulfuro de hidrógeno, H2S, tiene masa de 34.1 uma, que es la suma de las de dos hidrógenos (con 1 uma cada uno) y un azufre (con 32.1 uma). A las moléculas con masas superiores a 10 000 uma se las conoce como macromoléculas. Son esenciales en diversos procesos biológicos. La hemoglobina, el almidón, las enzimas y el ADN son macromoléculas naturales de los organismos vivos.
Cuando una macromolécula se obtiene al repetirse un patrón regular de átomos a lo largo de la misma, se tiene un polímero. Existen polímeros cuya masa molecular supera el millón de uma. El compuesto con moléculas más pequeñas, a partir de las cuales se construye un polímero, es un monómero. Para obtener algunos polímeros se utilizan dos o más monómeros, y por eso se conocen como copolímeros. El algodón, la madera, el hule y la lana son ejemplos de polímeros naturales. Algunos polímeros sintéticos son el polietileno, y el policloruro de vinilo (PVC). Cuando un polímero fluye y acepta ser moldeado, extrudido o laminado, se lo denomina plástico. Dentro de éstos existen los termoestables, que no pueden ser suavizados o remoldeados mediante calentamiento, y los termoplásticos, que si admiten su reprocesamiento. Las resinas epoxi, adhesivos familiares en el hogar; y las espumas de poliuretano de nuestras almohadas son termoestables. La facilidad para reprocesar los termoplásticos se debe a que sus cadenas poliméricas no están entrelazadas. El polietileno, de uso tan generalizado, y el poliacrilato de metilo, popular sustituto plástico del vidrio, son ejemplos de termoplásticos.
Plásticos y polimeros
Los términos polímero, polímero alto, macromolécula y molécula gigante se emplean para designar materiales de alto peso molecular, de origen sintético o natural. La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros. Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.
Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímero naturales importantes.
Son materiales moldeables, con elevada resistencia química, y elásticos. Pueden tomar forma de fibras o de láminas transparentes. Todas estas propiedades hacen que sean muy utilizados en la elaboración de materiales de embalaje y bienes tanto desechables como duraderos. Son principalmente polietilenos, poliestirenos y polivinilcloro; también son usados como plastificadores, ésteres de ácidos grasos de cadena larga y alcoholes, y ésteres de ácido ftálico.
Poseen un peso molecular muy elevado y en apariencia son resistentes a la biodegradación de forma indefinida. El material puede llegar a quebrarse, sin embargo, no se ve modificada la estructura del polímero. Así la resistencia a la biodegradación parece estar ligada al elevadísimo tamaño molecular. Si se consigue disminuir el tamaño molecular por debajo de 500, los fragmentos obtenidos pueden ser biodegradados. Las propiedades de los polímeros están determinadas por las propiedades moleculares de las macromoléculas, la morfología y la composición. La morfología depende de las condiciones de preparación en las que se produzca la orientación molecular o la cristalización. Las propiedades también dependen de temperatura y el tiempo de medición transcurrido. Las propiedades moleculares incluyen tamaño y peso, estructura molecular, la distribución del peso molecular, polaridad y flexibilidad de las cadenas poliméricas.
El hule: macromolécula natura
Por su naturaleza elástica, el hule es una de las más interesantes e importantes sustancias que conocemos. Una liga de hule se puede estirar hasta 10 veces su tamaño original y regresa a su forma inicial casi sin deformarse. El hule se puede moldear de muchas formas y, además, es impermeable al agua y al aire.
El hombre conoció el hule hace muchos siglos, como una secreción lechosa de diversas plantas y árboles. El látex (como se conoce a la suspensión coloidal de las partículas de hule en agua) se encontraba principalmente en el guayule y la hevea brasiliensis, en México, Perú y Brasil. Los antiguos mexicanos lo utilizaron en la fabricación de bolas para practicar el juego de pelota. Por cierto, el tiro para obtener el triunfo era tan raro y tan difícil que el jugador que lo lograba tenía derecho a apoderarse de todas las mantas y joyas de los espectadores. Otros habitantes de América utilizaron el hule para proteger del agua sus prendas de vestir y para la fabricación de botas rudimentarias.
Cada árbol de hevea produce entre 15 y 30 gramos de látex por día. Otras sustancias lechosas con propiedades semejantes al hule se obtienen de la gutapercha en Malaya, Borneo y Sumatra, y del kok-sagis en la Rusia asiática. Para obtener el látex se hacen incisiones en forma de V en el tronco del árbol. El jugo lechoso que fluye se recoge en vasijas. En la misma plantación, el látex se coagula (se rompe la estabilidad del coloide) mediante la adición de un ácido. Posteriormente, se lo lava y seca. La primera fábrica que empleó hule natural crudo fue establecida en París en 1803. En un principio producía ligas y tirantes, pero posteriormente incorporó el hule en gabardinas, como repelente del agua. Sin embargo, este hule tenía serios inconvenientes. Además de ser pegajoso, en verano se reblandecía y en invierno se volvía rígido y quebradizo.
En 1839 Charles Goodyear descubrió accidentalmente cómo resolver estos problemas cuando se le derramó una mezcla de azufre y hule natural sobre una estufa caliente. El producto obtenido resultó ser más elástico y resistente al calor y a la tensión que el hule crudo. El proceso de mezclar y hacer reaccionar el azufre caliente con el hule crudo se llama vulcanización. Hacia fines del siglo pasado, el hule vulcanizado tenía tantos usos que la producción de la hevea en Brasil era insuficiente. Unos botánicos ingleses sacaron de contrabando semillas de árbol del territorio brasileño y produjeron una variedad más resistente a las enfermedades y con mayor rendimiento de látex.
El imperio británico estableció enormes plantaciones en sus colonias del Lejano Oriente. La cantidad y calidad de este hule les dio a sus poseedores el control prácticamente total del mercado mundial.
Enlaces externos
Fuentes
- Karp, G. 1988. Biología celular y molecular. Mc-Graw-Hill Interameroca. México pags 41 a 64 Jiménez, G.L.F. Y Merchant, L.H. 2003.
- BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR. Person Educación. México.Welch, C. y otros.
- CIENCIAS BIOLÓGICAS. De las moléculas al hombre. CECSA. 1978
