Bioelements i Biomolècules: Estructura Química de la Matèria Viva

Estructura Química de la Matèria Viva

Funcions Vitals dels Éssers Vius

Els éssers vius poden ser unicel·lulars o pluricel·lulars. Tenen la capacitat de realitzar les tres funcions vitals:

• Nutrició: Capten energia i matèria del medi i la utilitzen per créixer, renovar-se i desenvolupar-se.
• Relació: Capten estímuls de l'exterior i emeten respostes adequades.
• Reproducció: Originen nous organismes iguals o diferents als seus progenitors.

Composició Química: Principis Immediats

Biomolècules Inorgàniques

Es poden trobar també en éssers inerts i no estan constituïdes bàsicament per carboni. Són l'H₂O, el CO₂, l'O₂ i les sals minerals.

Biomolècules Orgàniques

Caracteritzen la matèria viva, formades principalment per àtoms de C i H, combinats amb O, N, P, S. Inclouen glúcids, proteïnes, lípids i àcids nucleics.

Nivells d'Organització Química

Element Químic o Substància Simple

No es pot descompondre en altres mitjançant reaccions químiques. Està constituïda per un sol tipus d'àtom (ex. H, N, C).

Àtoms

La part més petita d'un element químic. Constituïts per un nucli (protons i neutrons) i una escorça (electrons).

Molècula

La unió de dos o més àtoms. Poden ser homogènies (mateix tipus d'àtoms, ex. N₂, O₂, H₂) o heterogènies (diferents tipus d'àtoms, ex. H₂O).

Substància Composta

Formada per dos o més elements químics. Són molècules heterogènies.

Tipus d'Enllaços Químics

Enllaços entre Àtoms (Intramoleculars)

Enllaç Iònic

Un àtom capta electrons d'un altre, entre àtoms amb electronegativitats molt diferents (un electronegatiu i un altre electropositiu).

Enllaç Covalent

Es forma quan dos àtoms comparteixen electrons. És un enllaç molt fort.

Molècules Apolars

Si els àtoms units tenen electronegativitats similars, els electrons es reparteixen uniformement (ex. H₂, O₂, N₂, hidrocarburs).

Molècules Dipolars (Covalent Polar)

Entre àtoms amb diferent electronegativitat, on l'àtom més electronegatiu atrau més fortament els electrons, formant un pol positiu i un altre negatiu (ex. aigua, amoníac).

Enllaços Intermoleculars

Enllaços entre molècules.

1. Enllaç d'Hidrogen o Pont d'Hidrogen: Es dóna entre molècules dipolars d'hidrurs.
2. Forces de Van der Waals: Es donen entre molècules apolars a causa d'atraccions electrostàtiques que originen dipols instantanis.
3. Enllaç Disulfur: Es forma quan reaccionen dos grups tiol (-SH). És un enllaç fort important en l'estructura de les proteïnes.
4. Interaccions Hidrofòbiques: Les molècules apolars en aigua s'agrupen i eviten el contacte amb l'aigua.

Classificació dels Bioelements

Bioelements Primaris, Secundaris i Oligoelements

1. Bioelements Primaris: Indispensables per a la formació de biomolècules orgàniques. Són els mateixos per a tots els éssers vius i constitueixen el 96% de la seva massa (C, H, O, N + S, P).
2. Bioelements Secundaris: Indispensables per al funcionament cel·lular. Constitueixen el 3.9% dels éssers vius (ex. Ca, Na, K, Mg, Cl).
3. Oligoelements: Es troben en menys del 0,1% i intervenen en reaccions químiques. Són diferents per a cada espècie (ex. Fe, F, I).

Comparació de la Proporció de Bioelements

• Escorça Terrestre: Abundància de Si, O, Al, Fe, Ca, Na i Mg.
• Éssers Vius: L'O és molt abundant, però predominen C, H, N, S i P.
• Atmosfera: 21% d'O i 78% de N.
• Hidrosfera: Formada per O i H.

Propietats dels Bioelements Primaris (C, H, O, N + S, P)

Posseeixen propietats adequades per a la formació de matèria orgànica:

1. Massa atòmica relativament petita: Facilita la formació d'enllaços covalents estables.
2. Electronegatius: Especialment O i N, el que els permet atraure electrons d'altres àtoms i formar molècules bipolars.

El Carboni (C)

Té 4 electrons de valència i pot formar enllaços covalents apolars (simples, dobles o triples) amb altres àtoms de carboni o amb radicals com -H, =O, -OH, -NH₂ o -SH. Gràcies a això, pot crear llargues cadenes hidrocarbonades apolars i insolubles en aigua, que donen estabilitat estructural a les molècules. A més, la capacitat del C, O, N i S per unir-se amb l’hidrogen i formar molècules polars o solubles en aigua permet una gran diversitat molecular i estructural.

L'Oxigen (O)

És el bioelement primari més electronegatiu. Quan s’enllaça amb l’hidrogen, forma enllaços polars i radicals com -OH, -CHO o -COOH, que donen lloc a molècules polars i solubles en aigua (com la glucosa). A més, com que és molt electronegatiu, oxida altres àtoms, fet que és la base de la respiració aeròbica.

L'Hidrogen (H)

L’enllaç covalent C–H és molt estable. Les molècules formades per carboni i hidrogen són apolars i insolubles en aigua, com els lípids i hidrocarburs.

El Nitrogen (N)

Té gran facilitat per combinar-se amb H i O. Forma part dels grups amino (-NH₂) dels aminoàcids i de les bases nitrogenades dels àcids nucleics.

El Sofre (S)

Es troba en les proteïnes en forma de radical sulfhidril (-SH) o d’enllaços disulfur, que mantenen l’estructura tridimensional de les proteïnes.

El Fòsfor (P)

Forma grups fosfat i és present en els àcids nucleics i en l’ATP, una molècula rica en energia essencial per als processos cel·lulars.

Els Bioelements Secundaris i els Oligoelements

Són la resta dels elements presents en els éssers vius i desenvolupen funcions diverses.

• Na⁺, K⁺, Cl⁻: Són els més abundants en els mitjans interns. Mantenen el grau de salinitat i l'equilibri de càrregues entre l'exterior i l'interior cel·lular. Na⁺ i K⁺ són fonamentals en la transmissió de l'impuls nerviós.
• Ca: En forma de CaCO₃ forma part de conxes i ossos. L'ió Ca²⁺ participa en la contracció muscular.
• Mg: Component de molts enzims i pigments com la clorofil·la.
• Fe: Forma part de la molècula d'hemoglobina, pigment respiratori dels vertebrats.
• Zn: Abundant en cervell, òrgans sexuals i pàncrees.
• Cu: Forma part de l'hemocianina, pigment respiratori dels invertebrats.
• Co: Necessari per sintetitzar vitamina B12.
• Mn: Factor de creixement vegetal i participa en fenòmens fotosintètics.
• Li: Afavoreix l'estabilitat dels estats d'ànim.
• Si: Es troba en exoesquelets d'algues i tiges d'algunes plantes.
• I: Imprescindible per fabricar l'hormona tiroide.
• F: Es troba als ossos i a l'esmalt de les dents.

Els Principis Immediats o Biomolècules

Es classifiquen en simples i compostes, i alhora en inorgàniques i orgàniques.

• Simples: Oxigen molecular (O₂), Nitrogen molecular (N₂).
• Compostes:
  • Inorgàniques: Aigua (H₂O), Diòxid de carboni (CO₂), Sales minerals (NaCl, CaCO₃...).
  • Orgàniques: Glúcids (C, H, O), Lípids (C, H), Proteïnes (C, H, O, N, S), Àcids nucleics (C, H, O, N, P).