Bioquímica: Conceptes Químics i Biomolècules Essencials

Bioquímica: Conceptes Químics

1. Composició química dels éssers vius

Bioelements

• Primaris: C, H, O, N, P, S (96% de la matèria viva).
• Secundaris: Cl, Na, K, Ca, Mg (3,9% de la matèria viva).
• Oligoelements / Secundaris variables: < 0,6% de la matèria viva.
  • Són necessaris en petita quantitat (la seva falta provoca malalties).
  • Són imprescindibles.

Biomolècules

• Orgàniques:
  • Glúcids: C, H, O; monòmers: monosacàrids.
  • Lípids: C, H, O, N, P; components: greixos.
  • Proteïnes: C, H, O, N, S; monòmers: aminoàcids.
  • Àcids nucleics: C, H, O, N, P; monòmers: nucleòtids.
• Inorgàniques: Sense carboni o amb un àtom de carboni oxidat.
  • H₂O, CO₂, NH₃.

Enllaços intermoleculars

Són enllaços febles que permeten mantenir una estructura funcional.

• Pont d’hidrogen: Es dóna en dipols dels hidrurs (H₂O, NH, HS...). Quan l'hidrogen estableix un enllaç covalent amb un altre àtom, els electrons compartits es distribueixen asimètricament; l'únic protó del nucli d'hidrogen té molta menys força que l'altre àtom. L'hidrogen queda amb una lleugera càrrega positiva i l'altre àtom amb una càrrega negativa. Això permet establir una atracció dèbil entre l'àtom d'hidrogen i un àtom electronegatiu proper.
• Enllaç per forces de Van der Waals: Es dóna en molècules apolars a causa de les atraccions electrostàtiques, perquè la distribució electrònica es torna asimètrica per atzar, i així sorgeixen dipols instantanis. Permeten l'atracció intermolecular; com més gran és una molècula, més força assoleix l'enllaç, ja que hi ha més punts d'atracció possibles i les capes electròniques es deformen més fàcilment. Aquest tipus de forces també sorgeixen entre molècules polars i n'augmenten l'atracció.
• Ponts disulfur: Reaccionen dos grups tiol (-SH) que tenen sofre. És un fort enllaç que té molta importància en l'estructura, el plegament i la funció de les proteïnes.
• Interaccions hidrofòbiques: Les molècules apolars no tenen àtoms carregats elèctricament i no es poden dissoldre en aigua. En el medi aquós tendeixen a agrupar-se entre elles i evitar el contacte amb les molècules d'aigua. Si les molècules presenten una part hidròfoba i una part hidròfila forta, en posar-les en aigua formen estructures amb la part hidròfila cap a fora i les hidròfobes cap a dins, com passa en les membranes.

2. Propietats de l’aigua

L'aigua es troba en la matèria viva en tres formes:

• Aigua circulant: (A la sang, a la saba...) En humans representa el 8% del seu pes.
• Aigua intersticial: Força adherida (teixit conjuntiu), representa el 15%.
• Aigua intracel·lular: (Citosol i l'interior dels orgànuls cel·lulars), representa el 40%.
• Aigua metabòlica: Prové de compostos orgànics.

Els organismes aconsegueixen l'aigua a partir de l'exterior o d'altres biomolècules per diferents reaccions bioquímiques (aigua metabòlica); per exemple, en l'oxidació de la glucosa es produeix aigua. L'aigua, a temperatura ambient, és líquida, al contrari del que caldria esperar si es considera que altres molècules d'un pes molecular semblant són gasos. En la molècula d'aigua, els dos electrons dels dos hidrògens estan desplaçats cap a l'àtom d'oxigen.

En la molècula apareix un pol negatiu on hi ha l'àtom d'oxigen, a causa de la densitat electrònica més alta, i dos pols positius on hi ha els dos nuclis d'hidrogen per la densitat electrònica més baixa. Les molècules d'H₂O són dipolars.

Entre els dipols de l'H₂O s'estableixen forces d'atracció (enllaç d'hidrogen) que originen grups de tres, quatre i nou molècules. Amb això s'assoleixen pesos moleculars alts i l'aigua es comporta com un líquid. Coexisteixen aquests petits polímers d'aigua amb molècules aïllades que omplen els buits.

Característiques de l'aigua

• Elevada força de cohesió: Entre les molècules pels enllaços d'hidrogen. Això explica que l'aigua sigui un líquid gairebé incompressible, que doni volum a les cèl·lules i provoqui la turgència de les plantes.
• Elevada tensió superficial: La seva superfície oposa una gran resistència a trencar-se. El fenomen de la capil·laritat depèn tant de l'adhesió de les molècules d'aigua a les parets dels conductes com de la cohesió entre si.
• Elevada calor específica: És la quantitat de calor que s'ha de donar a una substància per augmentar-ne la temperatura. Com que les molècules d'aigua formen polímers, per estar lliures i agitades cal trencar enllaços d'hidrogen. Això la converteix en un estabilitzador tèrmic de l'organisme.
• Elevada constant dielèctrica: L'aigua és un gran medi dissolvent de compostos iònics (sals minerals) i de compostos covalents polars (com els glúcids). La dissolució es deu al fet que les molècules d'aigua, com que són polars, es disposen al voltant dels grups polars del solut; en els compostos iònics, arriben a desdoblar-los en anions i cations (solvatació iònica). És el vehicle de transport de substàncies i el medi de les reaccions químiques.
• Densitat més alta en estat líquid que en sòlid: El gel flota a l'aigua i forma una capa superficial termoaïllant que permet la vida a sota.
• Elevada calor de vaporització: Cal trencar els enllaços d'hidrogen per passar de líquid a gas, cosa que la converteix en una substància refrigerant (com passa amb la suor).
• Baix grau d'ionització: La concentració d'ions H⁺ i OH^- és de només 10^-7 mol/L. Un ió H⁺ és només un protó que s'ajunta a una molècula d'H₂O per formar un ió hidroni (H₃O⁺).

Funcions de l’aigua

• Funció dissolvent i de transport: Permet el transport de substàncies des de l'exterior fins a l'interior dels organismes.
• Funció termoreguladora: Gràcies a l'elevada calor específica i de vaporització (ex. la suor).
• Funció mecànica amortidora: Ex. el líquid sinovial a les articulacions dels vertebrats.
• Funció bioquímica: Intervé en reaccions com la hidròlisi o la fotosíntesi.
• Funció estructural: Manté el volum i la forma de les cèl·lules sense paret rígida mitjançant la pressió interna; si perden aigua, s'arruguen o poden patir lisi.

3. Propietats de les dissolucions

• Difusió: Repartició homogènia de les partícules d'un fluid.
• Osmosi: Pas del dissolvent entre dues solucions de diferent concentració a través d'una membrana.
  • Isotònic: Mateixa concentració que el medi intern.
  • Hipotònic: Menys concentració; fa que la cèl·lula s'infli.
  • Hipertònic: Més concentració; fa que la cèl·lula s'arrugui.

Propietats químiques: pH

Comportament amfòter: Capacitat d'actuar com a grup àcid (allibera protons) o grup bàsic (capta protons). L'aminoàcid manté constant el pH del medi.

Punt isoelèctric: L'aminoàcid adopta un pH amb tantes càrregues positives com negatives.

4. Dispersió col·loidal

Són partícules grosses formades per la unió de partícules petites.

• Estat de sol i gel: L'estat de sol es produeix quan la fase dispersa és sòlid i la dispersant és líquid (present a l'endoplasma). L'estat de gel es dóna quan la fase dispersa és líquid i la dispersant és un conjunt de fibres entrellaçades (present a l'ectoplasma).
• Viscositat: Resistència interna d'un líquid al moviment de les molècules.
• Elevat poder adsorbent: Atracció de la superfície del sòlid sobre molècules de líquid o gas. No s'ha de confondre adsorció (adhesió) amb absorció (penetració).
• Efecte Tyndall: Opalescència provocada pels reflexos de raigs lluminosos en dispersions que semblen transparents.
• Sedimentació: Les partícules poden sedimentar si se sotmeten a forts camps gravitatoris.

5. Fórmula general d’un aminoàcid

Els aminoàcids es caracteritzen per tenir un grup carboxil i un grup amino, presenten un carboni α asimètric i un radical R (hidrocarburs).

La proteïna

Una proteïna és un polipèptid constituït per més de 50 aminoàcids i té un pes molecular igual o superior a 5.000 u. Algunes poden arribar fins a un milió de u.

Com que hi ha dos aminoàcids primaris que tenen sofre, les proteïnes estan constituïdes per C, H, O i N, i també S. Les proteïnes que tenen una cadena polipeptídica unida a una altra molècula també poden contenir P, Fe, Cu, I...

Propietats químiques: pH

Comportament amfòter: Grup àcid (allibera protons) o grup bàsic (capta protons). L'aminoàcid manté constant el pH del medi.

Punt isoelèctric: L'aminoàcid adopta un pH amb tantes càrregues positives com negatives.

4. Dispersió col·loidal (repetició)

Són partícules grosses més la unió de partícules petites.

Estat de gel: Aquesta es pot presentar en estat de sol, que es produeix quan la fase dispersa és sòlid i la fase dispersant és líquid. Aquest es presenta en l’endoplasma (citosol interior). També es presenta en forma de gel, que es produeix quan la fase dispersa és líquid i la fase dispersant és un conjunt de fibres entrellaçades. Aquest es presenta en l’ectoplasma (citosol de perifèria).

Aquest és gelatinós i d’un estat de sol de vegades pot passar a forma de gel, encara que això no passa sempre, cosa que està relacionada amb la polimerització i despolimerització de proteïnes.

Elevada viscositat: És la resistència interna d’un líquid al moviment de les molècules. Contenen molècules o agrupacions molt grans.

Elevat poder adsorbent: És l'atracció de la superfície del sòlid sobre molècules de líquid o gas. No hem de confondre l'adsorció (adhesió de molècules) i l'absorció (penetració).

Efecte Tyndall: Poden ser transparents i clares, però si s’il·luminen lateralment observem opalescència provocada pels reflexos de raigs lluminosos.

Sedimentació: Són estables en condicions normals, però si estan sotmeses a forts camps gravitatoris es pot aconseguir que les partícules sedimentin.

5. Fórmula general d’un aminoàcid (repetició)

Els aminoàcids es caracteritzen per tenir un grup carboxil i un grup amino, presenten un carboni α asimètric i un radical R (hidrocarburs).

La proteïna (repetició)

Una proteïna és un polipèptid constituït per més de 50 aminoàcids i té un pes molecular igual o superior a 5.000 u. Algunes poden arribar fins a un milió de u.

Com que hi ha dos aminoàcids primaris que tenen sofre, les proteïnes estan constituïdes per C, H, O i N, i també S. Les proteïnes que tenen una cadena polipeptídica unida a una altra molècula també poden contenir P, Fe, Cu, I...