Composició química dels éssers vius: bioelements i biomolècules

Bioelements i biomolècules

Bioelements

Un ésser viu està format per un restringit conjunt d'elements químics anomenats bioelements. Sis d'aquests, anomenats bioelements primaris (carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen, fòsfor i sofre), constitueixen prop del 98% del seu pes. La resta dels elements: calci, potassi, sodi, magnesi, ferro o clor, constitueixen els bioelements secundaris. Com que no arriben al 0,1% reben el nom d'oligoelements.

Biomolècules

La combinació dels àtoms d'un bioelement entre si o amb àtoms d'altres bioelements a través d'enllaços químics dona lloc a molècules més o menys complexes que s'anomenen biomolècules. S'agrupen en:

• Biomolècules inorgàniques: són l'aigua i les sals minerals.
• Biomolècules orgàniques: s'agrupen en glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics.

L'aigua

És el compost més abundant en els éssers vius. Representa entre un 60% i un 90% del pes en la major part dels organismes. Les especials propietats d'aquesta molècula es deriven de la seva estructura molecular.

L'estructura molecular de l'aigua

L'aigua està formada per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen units per enllaços covalents. A causa de l'elevada electronegativitat de l'oxigen, els electrons compartits amb l'hidrogen es troben desplaçats cap a l'oxigen. Això produeix un excés de càrrega negativa sobre l'oxigen i de càrrega positiva sobre els hidrogens, fenomen que es coneix com a polaritat. Encara que la molècula d'aigua és neutra, també és una molècula polar. La polaritat és la causa que entre una molècula d'aigua i les que l'envolten sorgeixin forces d'atracció electrostàtiques que les mantenen unides per enllaços o ponts d'hidrogen.

Importància biològica de l'aigua

• És el principal dissolvent biològic: l'aigua facilita la dissociació i la dissolució de compostos iònics. Provoca la dispersió i la dissolució d'altres substàncies polars. Aquesta característica li permet actuar com a mitjà de transport per a moltes molècules i a més facilita les reaccions en el seu si.
• Té una elevada capacitat tèrmica: l'elevat nombre d'enllaços d'hidrogen que s'estableixen entre les molècules d'aigua fa que sigui necessària una gran quantitat d'energia per a elevar-ne la temperatura. L'aigua és un excel·lent magatzem de calor i amortidor dels canvis de temperatura.
• Obté la densitat màxima en estat líquid a 4ºC. Per això el gel sura en l'aigua, i això evita la congelació de les zones profundes de mars i llacs i permet el desenvolupament de la vida sota la superfície gelada.

Sals minerals dissoltes

En dissolució aquosa originen anions i cations amb funcions reguladores importants i funcions específiques com la contracció muscular o la transmissió de l'impuls nerviós, i controlen l'entrada i la sortida d'aigua de les cèl·lules gràcies als fenòmens osmòtics.

Difusió i osmosi

Difusió

Si dues dissolucions de diferent concentració es posen en contacte o estan separades per una membrana permeable, l'aigua i els soluts es desplacen fins a aconseguir una concentració intermèdia. Aquest procés rep el nom de difusió. El moviment net de les partícules és direccional, es produeix des de les regions amb més concentració fins a les de menys concentració.

Osmosi

Si dues dissolucions de diferent concentració es mantenen separades per una membrana semipermeable, que només deixa passar molècules d'aigua, aquesta passarà de la dissolució més diluïda a la més concentrada, amb la qual cosa tendiran a igualar-se. Aquest procés s'anomena osmosi i la pressió necessària per a contrarestar el pas de l'aigua, pressió osmòtica.

L'àtom de carboni

L'àtom de carboni posseeix 4 electrons en la capa més externa, per això li permet formar quatre enllaços covalents estables dirigits cap als vèrtexs d'un tetraedre. Aquests enllaços poden ser senzills, dobles o triples i poden unir àtoms de carboni entre si o amb altres elements. El resultat és una gran diversitat de molècules tridimensionals i d'una gran complexitat que són d'una importància vital per als éssers vius. El fet que certs grups d'àtoms es trobin junts en una gran varietat de molècules orgàniques simplifica la comprensió de les seves propietats físiques i químiques.

Classificació dels glúcids

Monosacàrids

Són els glúcids més simples. Els que tenen més importància biològica estan formats per cadenes de 4, 5 o 6 àtoms de carboni i s'anomenen pentoses i hexoses. Destaquen les pentoses, com la ribosa i la desoxiribosa, i les hexoses com la glucosa i la galactosa, que tendeixen a formar molècules cícliques.

Disacàrids

Resulten de la unió de dos monosacàrids mitjançant un enllaç covalent anomenat enllaç glucosídic. Quan es forma l'enllaç glucosídic s'allibera una molècula d'aigua. Els disacàrids més comuns són:

• La maltosa (sucre de malta) formada per dues molècules de glucosa.
• La lactosa (sucre de la llet) que resulta de la unió d'una glucosa i una galactosa.
• La sacarosa (sucre de canya) formada per una molècula de glucosa i una de fructosa.

Polisacàrids

Són glúcids complexos que no tenen sabor dolç i resulten de la unió de moltes molècules de monosacàrids, generalment glucosa. Els polisacàrids poden ser molècules lineals, com la cel·lulosa i la quitina, o ramificades com el midó dels vegetals o el glucogen o midó animal.

Funcions dels glúcids

• Combustible cel·lular: la glucosa és el sucre més utilitzat com a font d'energia per les cèl·lules.
• Magatzem de reserva energètica: el midó és la principal reserva de sucre en les plantes i constitueix un aliment important per als animals. El glucogen és la reserva de sucres en els animals.
• Component estructural: la ribosa i la desoxiribosa són components bàsics de l'estructura molecular dels àcids nucleics. La cel·lulosa és el component estructural de la paret de les cèl·lules vegetals i la quitina fa una funció semblant en la paret dels fongs i en l'exosquelet dels artròpodes.

Els lípids

Són compostos formats per carboni, hidrogen i oxigen. Es tracta de compostos apolars o d'una polaritat baixa, per això són pràcticament insolubles en aigua encara que solubles en dissolvents orgànics com l'èter o el cloroform. Els lípids són molècules de composició variada, molts contenen àcids grassos que són àcids orgànics amb un grup funcional carboxil unit a una llarga cadena hidrocarbonada. Segons la presència o no de dobles enllaços en la seva molècula, els àcids grassos poden ser saturats si no presenten dobles enllaços i insaturats si presenten un doble enllaç o més d'un.

Funcions dels lípids

• Reserva energètica: són la principal reserva energètica dels animals. La combustió d'un gram de greix allibera prop del doble d'energia que la d'un gram de sucre.
• Estructural: els fosfolípids constitueixen la base estructural de les membranes cel·lulars. Les ceres tenen funcions protectores i de revestiment.
• Reguladora: algunes hormones i vitamines tenen funcions reguladores.

Les proteïnes

Són biomolècules orgàniques formades fonamentalment per carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen. Són polímers formats per la unió, mitjançant enllaços peptídics, d'un cert nombre de subunitats anomenades aminoàcids. Un aminoàcid posseeix un grup amino i un altre carboxil units a un àtom de carboni anomenat alfa. Aquest carboni està unit a un radical característic per a cadascun dels 20 aminoàcids diferents que constitueixen les proteïnes. L'enllaç peptídic es forma quan s'uneix el grup carboxil d'un aminoàcid amb el grup amino del següent i s'allibera una molècula d'aigua. Una cadena curta d'aminoàcids és un pèptid, un polipèptid o cadena polipeptídica. Una proteïna està formada per una o unes poques cadenes polipeptídiques.

Estructura tridimensional de les proteïnes

Cada proteïna es caracteritza per tenir una estructura tridimensional de la qual depèn la seva funció. La forma en què es plega la cadena polipeptídica està determinada per la seva particular seqüència d'aminoàcids i es manté estable per enllaços febles formats entre grups d'àtoms de la cadena d'aminoàcids. Els canvis extrems en el medi en què es troba la proteïna provoquen la desnaturalització d'aquesta. Si una proteïna es desnaturalitza perd l'estructura tridimensional i perd les propietats i la funció que té.

Funcions de les proteïnes

• Estructural com el col·lagen, que forma fibres que donen resistència i elasticitat a ossos i cartílags, o la queratina, que és una part important de les ungles o el pèl.
• Transportadora, com l'hemoglobina, que transporta l'oxigen de la sang.
• Reguladora com la insulina, que regula el sucre de la sang, o l'hormona del creixement.
• Contràctil com la miosina, que forma filaments de la interacció dels quals es deriva la contracció muscular.
• Defensa immunitària com els anticossos.
• Enzimàtica o biocatalitzadora.

Propietats dels enzims

• Específics: un enzim només pot actuar sobre un determinat substrat i només catalitza un tipus de reacció.
• Eficients: una única molècula d'enzim pot catalitzar la transformació de moltes molècules de substrat per minut. Per això actuen en quantitats molt menudes.

Tipus d'àcids nucleics

• ADN: com a pentosa conté sempre la desoxiribosa i les seves bases nitrogenades són la citosina, la timina, l'adenina i la guanina.
• ARN: com a pentosa conté ribosa i les seves bases nitrogenades són la citosina, l'uracil, l'adenina i la guanina.

Estructura i funció de l'ADN

L'ADN es troba en el nucli i forma part dels cromosomes, encara que també es troba en quantitats petites en alguns orgànuls cel·lulars com ara cloroplasts i mitocondris.

Estructura

L'estructura de la major part de molècules d'ADN és la d'una doble hèlix:

• Dues cadenes helicoïdals de nucleòtids enrotllades al llarg d'un eix imaginari comú.
• Les dues cadenes són antiparal·leles, es disposen paral·leles i en sentit oposat. Una cadena té sentit 3' -> 5' i l'altra es disposa en sentit 5' -> 3'.
• Les bases nitrogenades es dirigeixen cap a l'interior de la doble hèlix, mentre que les pentoses i els grups fosfat formen l'esquelet extern.
• L'estructura es manté estable gràcies als enllaços d'hidrogen que es formen entre els parells de bases nitrogenades complementàries. L'adenina sempre s'emparella amb la timina i la guanina amb la citosina.

Funció

• L'ADN és el portador de la informació hereditària.
• La informació està codificada en forma de seqüències de bases. Si la seqüència de bases nitrogenades canvia, la informació de l'ADN també ho fa.
• L'ADN té capacitat per a duplicar-se. La duplicació de l'ADN permet que la informació que conté s'hereti.
• La cèl·lula utilitza la informació que conté l'ADN per a elaborar les seves pròpies proteïnes, els enzims.

Estructura, tipus i funció de l'ARN

Estructura

Les molècules de l'ARN solen estar formades per una sola cadena de nucleòtids.

Tipus d'ARN i funció

Hi ha diferents tipus d'ARN:

• ARN missatger: és el responsable de copiar la informació de l'ADN i dur-la fins als ribosomes amb què col·labora en la síntesi de proteïnes.
• ARN ribosòmic: forma part de l'estructura dels ribosomes.
• ARN de transferència o soluble: format per petites molècules encarregades de transportar els aminoàcids als ribosomes perquè es construeixi la cadena de proteïna.