Bases Químiques de la Vida: Elements, Biomolècules i Aigua

Introducció a les Bases Químiques de la Vida

Elements Químics Essencials

Els éssers vius estan compostos majoritàriament per uns pocs elements (C, H, O, N). Aquests elements, a més de l'He i Ne, són els més abundants de l'univers. El Sofre (S) i el Fòsfor (P) són importants en proteïnes i àcids nucleics, i la resta d'ions són essencials per a moltes funcions cel·lulars. La major part dels elements del tercer i quart grup (oligoelements) són metalls, es troben en petites quantitats i molts d'ells són indispensables.

El Carboni: Versatilitat i Estabilitat

El Carboni (C) és l'element més important després de l'Oxigen (O) i l'Hidrogen (H) (aigua). Això explica per què és l'element més versàtil: pot establir enllaços covalents senzills, dobles i triples. L'enllaç C-C és molt estable i permet formar cadenes de longitud il·limitada. Les molècules formades per esquelets de C poden trobar una gran quantitat de grups funcionals units. Això permet formar una quantitat il·limitada de cadenes amb característiques químiques i estructurals diferents.

Jerarquia de les Biomolècules

Després de l'aigua, les biomolècules més abundants són les macromolècules. Estan formades per la polimerització de diferents tipus de monòmers. Les macromolècules formen diferents tipus d'associacions supramoleculars, com ribosomes o membranes biològiques, que són les que acaben constituint la cèl·lula.

Precursors i Productes Finals

La jerarquia de formació és la següent:

• Precursors (CO₂, N₂, H₂O) ↔ Aminoàcids → Proteïnes
• Precursors (CO₂, N₂, H₂O) ↔ Nucleòtids → Àcids nucleics
• Precursors (CO₂, N₂, H₂O) ↔ Monosacàrids → Polisacàrids
• Precursors (CO₂, N₂, H₂O) ↔ Àcids grassos, glicerol, colina → Lípids

Aquests components s'associen per formar estructures supramoleculars com ribosomes, membranes i cromosomes.

Macromolècules i Informació Biològica

Només quan hi ha una diversitat estructural en monòmers, les macromolècules poden ser portadores d'informació. Es considera que els àcids nucleics i les proteïnes són els principals portadors d'informació biològica. No obstant això, aquells glúcids que estan compostos per tipus diferents de monòmers poden ser també portadors d'informació.

Interaccions Químiques Febles en Medi Aquós

Importància de les Interaccions Febles

Encara que les macromolècules es mantenen unides per enllaços covalents forts (energia +200 kJ/mol), les interaccions febles (energia menys de 30 kJ/mol) que es donen en medis aquosos són essencials per determinar la seva estructura (posició d'àtoms en l'espai) i la seva funció. Les interaccions químiques febles es fan i es desfan constantment, la qual cosa és decisiva per permetre la interacció entre les biomolècules. El seu efecte és acumulatiu. Per a una macromolècula, la seva estructura més estable és aquella en la qual s'estableix un nombre màxim d'interaccions febles.

Interaccions de Van der Waals

Quan dos àtoms (sense càrrega!) s'apropen, els núvols electrònics s'influeixen mútuament. Variacions a l'atzar entre les posicions dels electrons d'un àtom poden crear un dipol transitori que indueix, alhora, un altre dipol en l'àtom proper. Els dipols fan que els dos àtoms s'atreguin i tendeixin a apropar-se. Conforme es van acostant, entra en joc una segona força de repulsió que s'origina quan els núvols electrònics comencen a interdigitar.

• rV es defineix com la distància de màxima aproximació entre dues partícules i és la suma dels radis de Van der Waals dels dos àtoms.
• r₀ o distància de mínima energia també s'anomena distància de contacte de Van der Waals.

Ponts d'Hidrogen

És el resultat de la interacció entre un àtom d'Hidrogen (H) unit covalentment a un grup donador (amb electronegativitat superior a la de l'H), i un parell d'electrons lliures d'un grup acceptor (normalment O o N). Els grups donador i acceptor poden estar en la mateixa molècula o en diferents.

Els ponts d'hidrogen són direccionals: són més forts quan l'àtom d'H i els dos àtoms que el comparteixen estan en línia recta. Això és important a l'hora d'establir estructures tridimensionals precises a proteïnes i àcids nucleics.

L'Aigua: Estructura i Propietats Úniques

Estructura Molecular i Polaritat

La molècula d'aigua té una geometria tetraèdrica. L'àtom d'Oxigen (O) estaria en el centre i els Hidrogens (H) en dos dels vèrtexs. Els altres dos vèrtexs estarien ocupats pels dos parells d'electrons no compartits de l'O. Donat que l'O és molt més electronegatiu que l'H, els electrons de l'enllaç O-H estan més a prop de l'O, creant un desequilibri en la càrrega. L'O té una certa càrrega negativa (2δ-) i l'H una càrrega positiva (δ+). Per tant, la molècula d'aigua és una molècula polar.

Xarxa Dinàmica de Ponts d'Hidrogen

L'aigua és una xarxa dinàmica de molècules unides per ponts d'hidrogen. En aigua líquida, aquests ponts es trenquen i es formen constantment, fent que cada molècula d'aigua estigui formant ponts d'H amb un promig de 3,4 molècules més. En aigua sòlida, cada molècula està unida per 4 ponts d'H, donant una estructura més oberta i la disminució de densitat durant la congelació.

Conseqüències dels Ponts d'Hidrogen

La xarxa de ponts d'H explica moltes de les propietats poc corrents de l'aigua:

• Calors d'evaporació i punts de fusió i ebullició excepcionalment alts, que permeten que es trobi en estat líquid a temperatures pròpies de la superfície terrestre.
• Elevada viscositat i gran tensió superficial.

L'Aigua com a Dissolvent Universal

L'aigua també té una constant dielèctrica (ε) excepcionalment elevada. Això, a més del seu caràcter dipolar i la seva tendència a formar ponts d'H, la converteixen en un dissolvent universal dels medis intra i extracel·lulars.

• Les substàncies polars i carregades es dissolen fàcilment en aigua: Substàncies Hidrofíliques.
• Els compostos apolars són immiscibles en aigua: Substàncies Hidrofòbiques.

L'Efecte Hidrofòbic i l'Entropia

Els soluts apolars són incapaços de formar interaccions energèticament favorables amb l'aigua. Les molècules d'aigua que estan al voltant del solut apolar tendeixen a formar una capa molt ordenada (↓entropia).

Els compostos que contenen regions polars i també regions apolars s'anomenen anfipàtics. Quan es barregen compostos anfipàtics amb aigua, les regions hidrofòbiques tendeixen a agrupar-se deixant exposada al solvent només la part polar. La força que fa apropar dues regions hidrofòbiques no prové de cap atracció intrínseca. És el resultat d'un efecte termodinàmic que resulta de minimitzar el nombre de molècules ordenades d'aigua al voltant de les regions hidrofòbiques (↑entropia).

Ionització, pH i Amortidors

Ionització de l'Aigua i Ió Hidroni

Les molècules d'aigua tenen una petita tendència a ionitzar-se donant lloc a un ió hidrogen (protó) i un ió hidròxil. Els protons no existeixen lliures en solució i reaccionen amb una altra molècula d'aigua per formar un ió hidroni (H₃O⁺). La concentració de l'aigua es pot considerar constant (55,5 M) i el grau d'ionització de l'aigua (Keq) es pot mesurar per conductivitat.

Àcids i Bases Febles

Bona part dels àcids i bases que intervenen en processos bioquímics són àcids i bases febles que no estan completament ionitzats en solució.

Funció dels Amortidors Biològics

Un amortidor és una mescla d'un àcid feble (HA) i de la seva base conjugada (A⁻). Els amortidors són efectius en l'interval de pH que va +/- una unitat al voltant del seu pKa. Els amortidors són essencials per mantenir constant el pH en els processos biològics.

Evolució Prebiòtica i l'Origen de la Vida

Hipòtesi d'Oparin i Experiment de Miller

La Hipòtesi d'Oparin proposa que la vida va sorgir a partir d'una atmosfera primigènia de caràcter reductor, combinada amb energia. L'Experiment de Miller va ser una demostració experimental d'una part d'aquestes tesis, on amb els gasos utilitzats van aparèixer aminoàcids, aldehids, àcids orgànics i HCN.

El Món de l'RNA

Actualment, les condicions prebiòtiques s'han demostrat suficients per donar lloc a proteïnes (aminoàcids) i àcids nucleics (sucres + bases nitrogenades). Respecte a la pregunta de què va ser primer, proteïnes o DNA, la resposta és: ni un ni l'altre. El món primigeni va ser un món d'RNA.