2. La química dels éssers vius

CONTINGUTS DE LA UNITAT

1. Lògica molecular dels éssers vius

2. Biomolècules inorgàniques

2.1 L’aigua, la base de vida

2.2 Les sals minerals

3. Les biomolècules orgàniques

3.1 Els glúcids

3.2 Els lípids

Introducció

Hem vist que els éssers vius no presenten diferències significatives amb la matèria inerta quan ens fixem en els elements que els formen.

C, H, O, N, Ca, P, S, Mg… tots aquests bioelements també els trobem fora de la matèria viva. No són exclusius dels éssers vius. Tot i que no podem obviar que l’abundància relativa presenta diferències significatives. Les diferències entre la matèria inerta i la matèria viva, doncs, on són?… Es poden observar a escala molecular? Hi ha molècules exclusives dels éssers vius?

Aquí sí que la vida comença a manifestar que té uns altres requeriments, que és capaç de “fabricar” molècules molt complexes, pròpies dels éssers vius. Són molècules que a més, desenvolupen una tasca determinada. Són biomolècules.

En aquesta unitat estudiem quines són les molècules que formen part dels éssers vius. Per simplificar el seu estudi les classificarem en dos grans grups:

Biomolècules inorgàniques: l’aigua i les sals minerals

Biomolècules orgàniques: glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics

1. Lògica molecular dels éssers vius

Quan fem una anàlisi física de la matèria viva fins arribar a obtenir les substàncies que la composen s’obtenen els anomenats principis immediats o biomolècules. Arribem a obtenir aquestes molècules mitjançant tècniques com l’evaporació, la filtració, la destil·lació, la diàlisi, la cristal·lització, l’electroforesi i la centrifugació.

Les biomolècules que s’obtenen són de dos tipus: inorgàniques, com l’aigua i les sals minerals o orgàniques, és a dir constituïdes bàsicament per cadenes de carboni i hidrogen, com els glúcids, els lípids, les proteïnes i els àcids nucleics.

Els éssers vius es caracteritzen per una sèrie d’atributs:

1. L’atribut més destacable dels éssers vius és la seva complexitat i alt grau d’organització, independentment de la seva mida.

2. Cada componentun propòsit o funció específica (a nivell micro i macromolecular, fins i tot les concentracions d’ions).

3. Extreuen, transformen i utilitzen energia del seu entorn, amb un 100% d’eficiència (per edificar i mantenir les seves estructures).

4. S’autorepliquen amb precisió, generant còpies d’ells mateixos exacta. Això ve donat per l’ADN i els mecanismes de replicació.

5. Els éssers vius són autopoètics, això vol dir que tenen la capacitat d’automantenir-se i autorenovar-se gràcies a un metabolisme intern que pot respondre als estímuls. S’aplica específicament a la propietat inherent de les cèl·lules, que les fa diferenciar-se dels sistemes moleculars no vius i dels virus, que no són autopoètics.

Això queda millor explicat en aquest text: Lògica molecular dels éssers vius, del llibre de Bioquímica de Lenhinger.

Si vols fer una explicació més extensa, pots llegir el capítol 1 del llibre: La lógica molecular de la vida

Vull tornar a l’índex

2. Biomolècules inorgàniques

Les biomolècules es poden classificar en orgàniques i inorgàniques.

Les biomolècules inorgàniques són aquelles que no estan constituïdes per un esquelet de hidrocarboni. Són biomolècules no sintetitzades pels éssers vius, com l’aigua, les sals minerals i gasos com l’oxigen i el diòxid de carboni.

2.1. L’aigua, la molècula de la vida

L’aigua és el compost més abundant de la vida, normalment sol constituir entre el 60-95% de la massa d’un organisme.

Sense aigua, la vida no seria possible. La seva importància per als éssers vius és doble, ja que és alhora un component fonamental de les cèl·lules i, per a molts, el seu hàbitat. Cal sospitar que es tracta d’una substància d’unes característiques especials, sobretot si la comparem amb altres molècules de fórmula semblant. Com que els éssers vius tenen un alt contingut d’aigua, entendre les característiques químiques úniques de l’aigua als seus tres estats és clau per a la biologia.

Les especials propietats de l’aigua deriven de la seva estructura molecular, la qual presenta tres característiques fonamentals: la seva petita mida, la seva polaritat i la capacitat per formar enllaços entre les seves pròpies molècules.

L’aigua té una estructura molecular simple. Està composta per un àtom d’oxigen i dos d’hidrogen. Cada àtom d’hidrogen es troba unit covalentment a l’oxigen per mitjà d’un parell d’electrons d’enllaç. L’oxigen té a més dos parells d’electrons no enllaçants. D’aquesta manera hi ha quatre parells d’electrons envoltant a l’àtom d’oxigen: dos parells formant part dels enllaços covalents amb els àtoms d’hidrogen i dos parells no compartits al costat oposat.

L’oxigen és un àtom electronegatiu o “amant” dels electrons, a diferència de l’hidrogen.
Això provoca que l’aigua sigui una molècula “polar“; és a dir, hi ha en ella una distribució irregular de la densitat electrònica. Per aquesta raó, l’aigua posseeix una càrrega parcial negativa prop de l’àtom d’oxigen i una càrrega parcial positiva prop dels àtoms d’hidrogen.

La molècula d’aigua està formada per dos àtoms d’hidrogen i un àtom d’oxigen units per enllaços covalents simples que formen un angle de 104,5°. És una molècula polar.

Cada molècula d’aigua constitueix, per tant, un dipol. Quan dues molècules d’aigua s’aproximen, es produirà una atracció electroestàtica entre zones de signe oposat, originant un enllaç del tipus pont d’hidrogen. Una atracció electroestàtica entre la càrrega parcial positiva propera als àtoms d’hidrogen i la càrrega parcial negativa propera a l’oxigen dona lloc a un enllaç d’hidrogen (pont d’hidrogen).

Una altra manera d’explicar-te el mateix: L’electronegativitat és la capacitat d’un àtom per a atreure els electrons compartits en un enllaç covalent. Com l’oxigen és més electronegatiu que l’hidrogen, és més probable que els electrons, que posseeixen càrrega negativa, estiguin més a prop de l’àtom d’oxigen que del d’hidrogen, la qual cosa provoca que hi hagi una distribució irregular dels electrons: apareix una càrrega parcial positiva al voltant dels hidrògens i una càrrega parcial negativa en les proximitats de l‘oxigen. Això vol dir que la molècula d’aigua és un dipol, ja que té una part o pol negativa i una altra positiva, tot i que el conjunt de la molècula és neutre.

D’aquest caràcter polar deriven gairebé totes les seves propietats fisicoquímiques i biològiques.

Vull tornar a l’índex

Formació de ponts d’hidrogen entre molècules d’aigua

Quan dues molècules d’aigua estan molt a prop entre si s’estableix una atracció entre l’oxigen d’una de les molècules, que té càrrega parcial negativa, i un dels hidrògens de l’altra molècula, que té càrrega parcial positiva. Una interacció d’aquest tipus s’anomena enllaç o pont d’hidrogen, i les molècules d’aigua s’ordenen de tal manera que cada molècula pot associar-se amb quatre més. Aquesta interacció és la que es dona amb el gel.

Els enllaços o ponts d’hidrogen són enllaços intermoleculars que s’estableixen entre l’hidrogen i els àtoms electronegatius (amb tendència a atreure els electrons), com el fluor, oxigen o nitrogen. Els enllaços d’hidrogen són enllaços que es donen entre diferents molècules  (enllaç intermolecular), però també poden enllaçr diferents regions d’una mateixa molècula (intramoleculars). A més, es poden establir entre molècules orgàniques i inorgàniques. Per exemple, aquesta força és la responsable de mantenir l’estructura de l’ADN o de les proteïnes i suposa un dels pilars de la natura i la vida.

Un vídeo sobre l’aigua i la seva polaritat que li permet formar els enllaços o ponts d’hidrogen

Les propietats que se’n deriven de la formació de ponts d’hidrogen fan de l’aigua una molècula especial, que ha possibilitat la vida a aquest planeta.

L’aigua és capaç de dissoldre un elevat nombre de compostos en el seu si a causa del seu caràcter polar, és considera un disolvent universal. Així, amb les sals, que són substàncies iòniques, la molècula d’aigua orienta els seus pols en funció de les càrregues dels ions, oposant el pol negatiu als ions positius (cations de la sal) i el pol positiu als ions negatius ( anions de la sal). Amb substàncies covalents polars, com l’etanol, l’aigua actua de manera semblant, oposant un pol enfront del pol de signe contrari de la substància.

La calor específica és la quantitat de calor que cal administrar a un gram d’aigua per elevar 1°C la seva temperatura, mentre que la calor de vaporització és la quantitat de calor que cal aplicar a un gram de líquid perquè passi a un gram de vapor. L’aigua té elevada calor específica i de vaporització a causa dels ponts d’hidrogen, ja que per elevar la seva temperatura, les molècules d’aigua han d’augmentar la seva vibració i, per això, trencar enllaços d’hidrogen.

L’aigua, per la seva elevada calor específica, permet que la temperatura de l’organisme romangui relativament constant encara que variï la temperatura ambient, mentre que per la seva elevada calor de vaporització permet que els vertebrats tinguin un mitjà eficaç per perdre calor mitjançant l’evaporació de la suor.

A més, l’aigua en dissolució s’ionitza en petita proporció, produint-se el següent equilibri:


Aquest equilibri constituirà la base per a l’escala de pH. Consulta la web d’EcuRed per ampliar els coneixements sobre la ionització de l’aigua.

Una característica de l’aigua és la seva excepcional dilatació anòmala. L’experiència ens diu que, quan escalfem un cos, es dilata i, es contrau  quan el refredem, però amb l’aigua això no passa així.

Quan l’aigua es congela, es dilata. És a dir, augmenta de volum: una massa de gel té més volum que la mateixa massa d’aigua líquida. Aquest fet s’anomena dilatació anòmala de l’aigua.

La dilatació de l’aigua és anòmala ja que a mesura que la temperatura augmenta primer es contraurà i després es dilata.
La densitat decreix de manera gradual fins que l’aigua arriba al punt de congelació. El gel ocupa un volum més gran que l’aigua. El volum més gran del gel es deu a la manera com s’uneixen els grups de molècules en una estructura cristal·lina. A mesura que es fon el gel, l’aigua formada encara conté grups de molècules enllaçades en aquesta estructura cristal·lina oberta. Quan aquestes estructures es comencen a trencar, les molècules es mouen molt juntes, augmentant la densitat. Aquest és el procés dominant fins que l’aigua aconsegueix una temperatura de 4°C. Des d’aquest punt fins a temperatures altes, es produeix un augment en l’amplitud de les vibracions moleculars i l’aigua es dilata.

La dilatació anòmala de l’aigua és molt important en els ecosistemes aquàtics. En un llac de muntanya, per exemple, en arribar l’hivern, l’aigua es congela. Però com que el gel flota, només es congela una prima capa d’aigua, que queda a la superfície. L’aigua per sota està molt freda, però el gel l’aïlla de les temperatures baixes de l’exterior i, així, no es congela. Gràcies a això, les plantes i els animals aquàtics poden sobreviure a l’hivern. A la hidrosfera, normalment, sempre hi ha aigua líquida sota el gel.

La idoneïtat de l’entorn aquós per als éssers vius és conseqüència d’aquestes propietats fisicoquímiques. Per exemple, els compostos reaccionen millor com més disgregats estiguin, el que s’afavoreix en medi aquós per a compostos iònics i polars. Gràcies a la seva capacitat dissolvent, a la seva elevada constant dielèctrica i al seu baix grau d’ionització (Kw=10–14) l’aigua és el medi en què es produeixen totes les reaccions del metabolisme, participant en moltes d’elles com a substrat o com a producte. Un exemple són les reaccions de hidròlisi que es produeixen en la digestió o en l’oxidació dels macronutrients.

Altres propietats de l’aigua derivades de la seva estructura molecular són l’elavada cohesió i adhesió molecular que presenten les seves molècules, que originen una gran tensió superficial.

Aquesta presentació recull les propietats de la molècula de l’aigua:

Recursos per l’estudi de “L’aigua: la molècula de la vida

Tens un article al Naturalsom per ampliar informació: L’aigua i el cos humà

Tens vídeos al Naturalsom molt aclaridors: Videos sobre la molècula d’aigua

Agua: la molécula de la vida

Una explicació amb animacions sobre l’estructura de la molècula de l’aigua i la relació amb el pH

La molècula de l’aigua i els ponts d’hidrogen i una senzilla animació

Tensió superficial i una altra bona explicació de la Tensió superficial

Simplemente, agua. Uns apunts molt ben explicats del  José Carlos Canalda, Doctor en Química del CSIC.

La química del agua

La molècula d’aigua

Les propietats de l’aigua (text)

Propiedades físico-químicas del agua (web)

L’aigua (Acadèmia Khan)

Contingut d’aigua en teixits i espècies (taula)

La distribució de l’aigua animal i el curiós cas del potassi (Cultura Científica)

Animació sobre l’osmosi

Vull tornar a l’índex

2.2 Les sals minerals

Les sals minerals es poden trobar de diverses maneres en els éssers vius:

– Les sals minerals precipitades constitueixen estructures sòlides, insolubles, amb funció esquelètica i protectora. Proporcionen sosteniment o protecció, externa o interna, a les parts toves de l’organisme (closques dels mol·luscs, ossos dels vertebrats, conquilles dels foraminífers, espícules de les esponges, esquelets…).

Per exemple, el carbonat càlcic de les closques dels mol·luscs; el fosfat càlcic, Ca3(PO4)2 i el carbonat càlcic (CaCO3) que, dipositats sobre el col·lagen, constitueixen els ossos; la sílice (SiO2) dels exoesquelets de les diatomees i de les gramínies, etc.

– Les sals minerals dissoltes proporcionen anions i cations, que tenen moltes funcions reguladores i metabòliques:

  • Participen en la regulació de la pressió osmòtica i del pH
  • Intervenen en la contracció muscular, com per exemple l’ió Ca2+
  • Intervenen en la transmissió de l’impuls nerviós, com és el cas de l’ió K+, Na+
  • Participen en la formació de biomolècules, com hormones tiroïdals, PO43+ dels fosfolípids de les membranes biològiques, Fe2+ de l’hemoglobina,Mg2+ de la clorofil·la…

Uns apunts breus, amb informació bàsica.

Uns apunts amb informació completa i extensa.

Bons apunts sobre sals minerals

Vull tornar a l’índex

3. Biomolècules orgàniques

Les biomolècules orgàniques són aquelles que estan constituïdes per cadenes de carboni i són sintetitzades pels éssers vius.

Tot i l’enorme quantitat de molècules orgàniques diferents, les biomolècules orgàniques es poden classisficar en quatre grans tipus de molècules:

Els glúcids

Els lípids

Les proteïnes

Els àcids nucleics

3.1 Els glúcids

Els glúcids són un conjunt de composts orgànics formats per carboni (C), oxigen (O) i hidrogen (H). És habitual que tinguin una fórmula química propera a CnH2nOn.

Són les biomolècules més abundants en la naturalesa i constitueixen la principal reserva energètica en la majoria dels éssers vius.

Estan formats per una o varies cadenes entre 3 i 7 carbonis. Un d’aquests carbonis pertany a un grup carbonil, és a dir, és un aldehid o a una cetona. La resta de carbonis estan units a grups hidroxils o a hidrogens. En resum, els glúcids són polihidroxialdehids o polihidroxicetones.

Els glúcids es classifiquen segons el nombre de cadenes polihidroxialdehídiques o polihidroxicetòniques. D’aquesta manera tenim:

A grans trets els glúcids tenen dues funcions principals en els éssers vius: són substàncies de reserva energètica o formen part de l’estructura de les seves cèl·lules.

Uns bons apunts sobre glúcids.

Els glúcids a la web del Proyecto Biosfera

Els monosacàrids

Bons apunts en Cienciadelux: La isomeria dels monosacàrids

Els glúcids: teoria en flash cards

Vull tornar a l’índex

3. 2 Els lípids

Els lípids són un conjunt de biomolècules molt heterogeni des del punt de vista químic. En general tenen un nombre relativament alt d’àtoms de carboni i hidrogen i una proporció petita d’àtoms d’oxigen. Però hi ha dues característiques que els diferencien dels altres:

  • No formen macromolècules , és a dir, no formen polímers d’elevada massa molecular.
  • Són insolubles en aigua i solubles en dissolvents apolars orgànics

A causa de la seva insolubilitat, els lípids apareixen  associats a proteïnes que faciliten el seu transport  a l’organisme i permeten el seu reconeixement i posterior entrada a la cèl·lula.

Molts són molècules amfipàtiques , és a dir, estan constituïdes per una estructura apol·lar i hidròfoba d’àtoms de carboni units covalentment, i un grup polar i hidròfil que interacciona amb l’aigua. A causa d’això, els lípids amfipàtics s’orienten als mitjans aquosos de manera específica , permetent la seva presència a les cèl·lules i formant estructures de gran importància biològica.

3.2.1 Funcions dels lípids

Les principals funcions dels lípids són:

  • Reserva energètica : proporcionen unes quatre vegades més energia per mol que la glucosa (unes 9,3 kcal per gram), per la qual cosa són una excel·lent forma d’emmagatzemar energia. En els animals s’emmagatzemen a les cèl·lules adiposes i als vegetals abunden en els fruits i llavors.
  • Estructural: a causa de la seva naturalesa amfipàtica són el component fonamental de totes les membranes cel·lulars.
  • Protectora : com el teixit adipós subcutani (pannicle adipós) que actua com a aïllant tèrmic (especialment important en animals que hivernen o viuen en ambients freds), o el greix que es troba al voltant d’alguns òrgans essencials, com el ronyó.
  • Reguladora : les prostaglandines, algunes hormones i les vitamines liposolubles tenen naturalesa lipídica, i actuen regulant rellevants funcions fisiològiques.
  • Específiques : com els pigments fotosintètics encarregats d’absorbir la llum.

3.2.2 Classificació dels lípids

Els lípids es poden classificar segons la seva tendència a formar sals com els sabons (reacció de saponificació):

  • Lípids saponificables : són èsters d’un àcid gras  i un alcohol, per la qual cosa poden donar la reacció de saponificació . Són els acilglicèrids , les ceres , els glicerolípids i els esfingolípids . Són hidrolitzables .
  • Lípids insaponificables : són derivats d’hidrocarburs lineals o cíclics insaturats. No contenen àcids grassos de manera que no donen la reacció de saponificació . Són els terpens , els esteroides i les prostaglandines . No són hidrolitzables .

Aquests enllaços són molt recomanables:

Els lípids: apunts del Naturalsom

El mundo de los lípidos

Els àcids grassos

La bicapa lípidica (model en 3D)

La presentació que veiem a classe:

L’editorial Barcanova també té una unitat didàctica: Els glúcids i els lípids

Share