Bioelementuak eta Biomolekulak: Bizitzaren Oinarri Kimikoa

Bioelementuak: Bizitzaren Oinarrizko Elementu Kimikoak

Bizia eratzen duten elementu kimikoei bioelementu edo elementu biogeniko deitzen zaie, eta 25-30 inguru dira. Bi mota nagusitan sailkatzen dira:

Bioelementu primarioak edo nagusiak

Bizidunen masaren % 99 osatzen dute. Atomo horiek lotura kobalente sendoen bidez elkartzen dira (atomoek elektroiak partekatzen dituzte, lotura egonkorrena eta apurtzen zailena sortuz). Oso txikiak direnez, espazio-arazo gutxi sortzen dute eta molekula oso egonkorrak eratzen dituzte. Gainera, hidrogenoak izan ezik, gainerakoek bi atomorekin edo gehiagorekin loturak sor ditzakete, molekula organiko handi eta konplexuak osatuz.

Sei elementu dira guztira:

• Karbonoa (C)
• Hidrogenoa (H)
• Oxigenoa (O)
• Nitrogenoa (N)
• Fosforoa (P)
• Sufrea (S)

Bioelementu sekundarioak

Bizidunen masaren % 2,9 inguru osatzen dute. Kantitate txikian behar diren arren, ezinbestekoak dira funtzio biologikoetarako.

• Kaltzioa (Ca): Musukuluen uzkurduran, hezurren orekan eta odolaren gatzapenean parte hartzen du.
• Sodioa (Na): Nerbio-bulkaden transmisioan parte hartzen du.

Oligoelementuak

Talde honen barruan oligoelementuak daude (grezieraz, oligo-k "gutxi" esan nahi du), organismoan % 0,1 baino kopuru txikiagoan agertzen direnak, baina funtsezkoak direnak.

• Burdina (Fe): Hemoglobinaren osagaia da, odolean oxigenoa garraiatzen duen proteina.
• Iodoa (I): Tiroide-hormonaren sintesirako beharrezkoa da, organismoaren hazkuntza erregulatzen baitu.

Biomolekulak

Bioelementuez osatuta daude eta bizitza eratzeko beharrezko konposatuak dira. Bi talde nagusitan sailkatzen dira:

Biomolekula ez-organikoak

Ura (H₂O)

Organismoetan gehien dagoen osagaia da, hau da, zelulen konposaturik ugariena. Bizitzarako ura beharrezkoa da egiturak eratzeko, erreakzio metabolikoak gertatzeko eta izaki bizidun askoren habitat izateko.

Uraren garrantzia bere molekularen egiturarekin lotuta dago; izan ere, uraren propietate bereziak egitura horren ondorio dira. Ur molekulak hiru ezaugarri nagusi ditu:

• Txikia da: Hiru atomo txikiz soilik osatuta dago (H₂O).
• Molekula polarra da: Ur molekularen barnean hidrogenoaren eta oxigenoaren artean lotura kobalenteak eratzen diren arren, partekatzen diren elektroiak oxigeno-atomoak indar handiagoz erakartzen ditu. Horren ondorioz, oxigenoaren ingurua negatiboagoa da hidrogenoarena baino. Ur molekula, beraz, polarra da, dipolo bat (bi polo ditu). Molekula osoa, ordea, neutroa da.
• Molekulen artean loturak sortzeko ahalmena: Polaritateari esker, ur molekulen artean eta beste molekula batzuekin erakarpen-indar elektrostatikoak sortzen dira, bereziki hidrogeno-zubiak (H-zubiak). Polaritate horri esker, urak substantzia kobalente polar guztiak eta substantzia ionikoak erakartzen ditu. Ez ditu, ordea, substantzia kobalente apolarrak (imanik ez dutenak) eta metalak erakartzen, baina hauek askoz gutxiago agertzen dira bizidunetan. Sare dinamiko eta aldakorrak sortzen dira.

Uraren propietateak eta funtzio biologikoak

• Disolbagarritasuna (disolbatzaile polar unibertsala): Urak ondo disolbatzen ditu substantzia polarrak. Horri esker, urak substantzia asko garraiatzen ditu (substantzia hidrofilikoak) eta erreakzio metabolikoetan parte hartzen du, bai erreaktibo gisa, bai disolbatzaile gisa. Substantzia hidrofoboekin, berriz, mintzak sortzen ditu, molekulen eremu hidrofilikoa uretarantz eta eremu hidrofobikoa barrualderantz orientatzen baitira.
• Bero espezifiko handia: Gramo bat substantzia gradu bat berotzeko behar den energia edo beroa da. Ondorioz, ura berotzea eta hoztea asko kostatzen da; horregatik, izaki bizidunentzako erregulatzaile termiko ona da. Organismoaren tenperatura konstante mantentzen laguntzen du kanpoko aldaketa handien aurrean, eta beroa organismoan zehar banatzea ahalbidetzen du.
• Urtze- eta irakite-puntu altuak: Antzeko beste substantzia batzuekin alderatuta, uraren urtze- eta irakite-puntuak altuak dira. Horregatik, ura likidoa da giro-tenperaturan, bizidunentzat egoerarik egokiena. Edozein egoera-aldaketa egiteko, energia kantitate handiak hartu edo askatu behar dira, eta horrek ere tenperatura erregulatzen laguntzen du (adibidez, izerdia botatzean gorputza hozten da).
• Kohesio- eta atxikidura-indar handiak: Kohesioa substantzia bereko molekulen arteko erakarpena da, eta atxikidura substantzia bateko molekulek beste substantzia batzuekin elkartzeko duten ahalmena. Hidrogeno-zubiei esker, uraren kohesioa eta atxikidura beste likido batzuena baino handiagoak dira. Honi esker gertatzen da, adibidez, kapilaritatea, landareek ura eta gatz mineralak sustraietatik hostoetaraino garraiatzeko erabiltzen duten fenomenoa.
• Dentsitate anomaloa: Uraren dentsitaterik handiena 4 °C-tan ematen da. Izotzak (ur solidoak) ur likidoak baino dentsitate txikiagoa du. Horri esker, itsasoak, ibaiak eta aintzirak gainazalean soilik izozten dira, eta ur azpian bizia mantentzea posible da.
• Gainazal-tentsio altua: Hidrogeno-zubiak erraz eratzeari esker, uraren gainazaleko molekulak oso lotuta daude, eta ura zeharkatzea zailagoa da. Horri esker, zenbait bizidun txiki ur gainean ibil daitezke.

Dispertsio koloidalak

Zelulen barne-ingurunea ur-disoluzio bat da, non bi fase bereizten diren: fase sakabanatua (solutua: ioiak eta molekulak) eta fase sakabanatzailea (disolbatzailea: ura). Zelularen protoplasma disoluzio koloidal bat da. Dispertsioan dauden molekulak makromolekulak edo mizelak (elkarturiko zenbait molekula, adibidez, olioa) izan daitezke.

Disoluzio koloidala bi egoeratan egon daiteke: sol egoera (itxura likidoa) eta gel egoera (ura galdu duen koloide bat, itxura likatsukoa). Egoera batetik bestera pasa daiteke disolbatzailearen kopurua aldatuz. Koloideek gelak sortzeko duten ahalmenak elastikotasuna eta tentsioarekiko erresistentzia ematen dizkio protoplasmari.

Disoluzioen propietateak: Difusioa eta osmosia

• Difusioa: Fluido baten partikulak beste baten barruan uniformeki banatzea da. Molekulak etengabe mugitzen direlako gertatzen da, beti gradientearen alde, hau da, kontzentrazio handieneko eremutik txikienekora. Prozesu hau ezinbestekoa da molekulak zelulen barruan mugitzeko.
• Osmosia: Difusio mota berezi bat da. Kontzentrazio desberdineko bi disoluzio mintz erdiiragazkor baten bidez (disolbatzaileari soilik pasatzen uzten diona) bereizita daudenean gertatzen da. Disoluzioek kontzentrazioak berdintzeko joera dute, eta horretarako, disolbatzailea (ura) kontzentrazio txikieneko disoluziotik handienekora igarotzen da. Mugimendu hau energia-gasturik gabe gertatzen da.

Gatz mineralak

Oso kopuru txikitan agertu arren, ezinbestekoak dira. Bi mota daude:

• Disolbaezinak: Uretan disolbatzen ez direnak. Funtzio estrukturala dute, kanpo- eta barne-eskeletoak eratzeko (adibidez: kaltzio karbonatoa, kaltzio fosfatoa).
• Disolbagarriak: Uretan disolbatzean ioietan banatzen dira. Ioi bakoitzak bere funtzioa du:

Funtzio orokorra: Ioi guztiek zelulen oreka osmotikoa eta azidotasun-maila (pH) kontrolatzen dute.

Funtzio espezifikoak:

• K⁺, Na⁺: Nerbio-kinadaren garraiorako behar dira.
• Fe³⁺: Oxigenoa (O₂) garraiatzeko (hemoglobinaren parte da).
• Ca²⁺: Muskuluak uzkurtzeko beharrezkoa da.
• I⁻: Tiroxina hormonaren (tiroideak jariatua) sintesirako behar da, zelulen erreakzioen abiadura kontrolatzen baitu.

Biomolekula organikoak

Gluzidoak edo karbohidratoak

Osagai molekular garrantzitsuenak dira. Formula orokorra (CH₂O)n da. Karbono, hidrogeno eta oxigeno atomoz osatuta daude.

Monosakaridoak

Gluzidoen oinarrizko unitateak dira. Euren formula molekularra (CH₂O)n da, non n 3tik 9ra bitartekoa izan daitekeen.

• Egitura: Aldehido edo zetona polihidroxilikoak dira, hau da, hidroxilo (-OH) talde asko eta aldehido (-CHO) edo zetona (C=O) talde bat dituzte.
• Ezagunenak: 5 karbonokoak (pentosak) eta 6 karbonokoak (hexosak) dira. Adibidez:
  • Erribosa eta desoxirribosa (5 C-atomo).
  • Glukosa eta fruktosa (6 C-atomo).
• Propietateak: Solido zuriak, uretan erraz disolbatzen direnak eta zapore gozokoak dira. Aldehido edo zetona taldea dutenez, erreduktoreak dira (erraz oxidatzen dira). Solido eran egitura lineala dute, baina uretan disolbatzean, bereziki pentosek eta hexosek, egitura ziklikoa hartzen dute.
• Funtzioak: Energia azkarra lortzeko erabiltzen dira eta beste makromolekula batzuen osagaiak dira (adibidez, polisakaridoak, azido nukleikoak).

Monosakaridoen isomeria

Formula molekular bera baina egitura desberdina duten substantziak elkarren artean isomeroak dira.

• Egitura-isomeria: Talde funtzional desberdinak dituzte. Adibidez, glukosak (aldehidoa) eta fruktosak (zetona) C₆H₁₂O₆ formula bera dute.
• Espazio-isomeria (estereoisomeria): Atomoak espazioan modu desberdinean antolatzen dira. Karbono asimetrikoak (lau lotura desberdin dituztenak) dituzten konposatuen ezaugarria da.

Monosakarido bakoitzaren bi estereoisomeroei D eta L deitzen zaie. Naturan ia monosakarido guztiak D formakoak dira. Estereoisomeroek aktibitate optikoa dute: argi polarizatuaren planoa eskuinera desbideratzen badute, dextrogiroak (+) dira; ezkerrera desbideratzen badute, lebogiroak (-).

Monosakaridoen forma ziklikoak

Aldopentosak eta hexosak uretan disolbatzean, haien eskeletoa itxi eta eraztun itxurako egitura bat (pentagonala edo hexagonala) sortzen du. Ziklatzean, karbonilo taldea zuen karbonoa asimetriko bihurtzen da, karbono anomeriko izena hartuz. Horrek beste bi forma isomeriko edo anomero sortzen ditu: alfa (α) anomeroa (-OH taldea planoaren azpian) eta beta (β) anomeroa (-OH taldea planoaren gainean).

Oligosakaridoak (Disakaridoak)

Monosakarido gutxi batzuen elkarketaz sortzen dira. Ezagunenak disakaridoak dira, bi monosakarido lotura O-glukosidiko baten bidez elkartzean eratzen direnak, ur molekula bat galduz (kondentsazioa). Lotura hau hidrolisi bidez apurtzen da (ura gehituz).

Disakarido ezagunenak hiru dira:

• Maltosa: Bi glukosa molekulen elkarketa [α(1→4)]. Maltaren azukrea da.
• Laktosa: Galaktosa eta glukosa baten elkarketa [β(1→4)]. Ugaztunen esnearen azukrea da.
• Sakarosa: Glukosa eta fruktosa baten elkarketa [α(1→2)]. Mahaiko azukre arrunta da. Ez da erreduktorea, bi karbono anomerikoek loturan parte hartzen baitute.

Propietateak: Solido zuriak, uretan disolbagarriak eta zapore gozokoak dira. Batzuk (maltosa, laktosa) erreduktoreak dira, baina beste batzuk (sakarosa) ez.

Funtzioa: Energia azkarra lortzeko erabiltzen dira.

Polisakaridoak

Milaka monosakaridoren elkarketaz (polimeroak) sortutako makromolekulak dira. Propietateak: ez dira gozoak eta uretan ez dira ondo disolbatzen. Ez dira erreduktoreak.

Homopolisakaridoak

Monomero mota bakar batez osatuta daude. Erreserba-funtzioa dutenek α loturak dituzte, eta egitura-funtzioa dutenek β loturak.

• Almidoia: Landareen energia-erreserba da. Bi polimeroren nahasketa da: amilosa (lineala, α(1→4) loturak) eta amilopektina (adarkatua, α(1→4) eta α(1→6) loturak).
• Glukogenoa: Animalien eta onddoen energia-erreserba da. Gibelean eta muskuluetan metatzen da. Amilopektinaren antzeko egitura du, baina adarkatuagoa da.
• Zelulosa: Landareen pareta zelularraren osagai nagusia da. β-glukosazko kate linealez osatuta dago [β(1→4) loturak]. Lotura hau oso egonkorra eta erresistentea da, eta Lurreko molekula organikorik ugariena da. Animalia gehienek ezin dute digeritu.
• Kitina: Glukosaren deribatu nitrogenatu batez osatutako kate lineala da [β(1→4) loturak]. Artropodoen exoeskeletoan eta onddoen pareta zelularrean aurkitzen da.

Heteropolisakaridoak

Monosakarido desberdinez osatuta daude. Adibidez: heparina, azido hialuronikoa, mureina, pektinak.