TEMA 1. BIOELEMENTS I BIOMOLÈCULES INORGÀNIQUES

Si estudiem el món biològic, veurem que en destaquen dos trets:- La diversitat. Els milions d’espècies existents demostren l’extraordinària

varietat d’organismes que hi ha al planeta. Actualment n’hi ha 1.680.000 d’espècies descrites (però s’estima que n’hi deu haver entre 10 i 100 milions d’espècies), de les que, aproximadament:a. 915350 són insectes, la meitat, escarabats.b. 54657, vertebrats.c. 307024, la resta d’animals (és a dir, invertebrats no insectes)d. 4.800 moneres.e. 70.000 de fongs.f. 27.700 d’algues.g. 292.555 de plantes.

- La unitat. Tots els organismes estan formats pels mateixos àtoms (amb petites variacions), tenen les mateixes reaccions bioquímiques, el mateix material genètic, constitució cel·lular, etc.

Nivells d ’ organització de la matèria La matèria està organitzada en nivells cada cop més complexos, de manera que un nivell senzill sempre queda inclòs en un de més complicat. En podem distingir 8 (p.183):

a. Partícules elementals: protons, neutrons, electrons…b. Àtoms o nivell atòmic. Format per partícules elementals. Són els

elements químics, que quan formen part dels organismes s’anomenen bioelements.

c. Molècules o nivell molecular. Format per àtoms. Hi podem distingir les molècules petites, amb pocs àtoms, les macromolècules, formades per un gran nombre d’àtoms (àcids nucleics, proteïnes…), i complexos macromoleculars, com les membranes. La matèria inert no s’organitza en nivells més complexos que el de macromolècula, mentre que la viva comença des d’aquest nivell. Estudien aquest nivell la bioquímica, biologia molecular i genètica molecular.

d. Cèl·lules o nivell cel·lular. Formada per orgànuls, complexos macromoleculars, etc. Com veuràs insistentment al llarg del batxillerat, la cèl·lula és la unitat fonamental dels éssers vius. Estudiat sobretot per la biologia cel·lular, la citologia i la genètica cel·lular.

e. Organisme. Poden ser:- Unicel·lulars, constituïts per una sola cèl·lula- Pluricel·lulars, constituïts per més d’una. Quan cèl·lules semblants amb

la mateixa funció s’agrupen parlem de teixit. Diferents teixits poden ajuntar-se formant òrgans. I aquests, s’organitzen en sistemes o aparells. El conjunt de sistemes i aparells formen un organisme o individu.

És estudiat per la botànica, zoologia, microbiologia, histologia, anatomia, fisiologia, genètica, embriologia, taxonomia, paleontologia…

f. Població. Conjunt d’organismes de la mateixa espècie que viuen en un temps i un lloc concrets. Estudiats per l’evolució i la genètica de poblacions.

1

g. Ecosistema. Conjunt de poblacions (biocenosi) i el medi on viuen (biòtop). És l’àmbit de l’ecologia.

h. Biosfera. Conjunt de tots els ecosistemes del planeta. També és estudiat per l’ecologia.

Fixa’t que totes les ciències abans esmentades són branques de la biologia o ciències de la vida, però cadascuna estudia un o dos nivells d’organització. Això no vol dir que siguin compartiments aïllats, totes les ciències estan relacionades entre si, però aquest estudi centrat en cada nivell simplifica les coses.

Àtoms , enllaços atòmics i molècules

Bioelements Són els elements que formen part dels éssers vius. En total n’hi ha uns 70, però només uns 30 són comuns a tots. És interessant donar un cop d’ull als percentatges d’elements que constitueixen la Terra, l’escorça i els organismes, fet que demostra que els organismes han seleccionats aquells més adequats per a la vida.

Podem classificar els bioelements en:a. Plàstics primaris: H, O, C, N, P i S. Són els majoritaris, caracteritzats per

formar enllaços molt estables, relativament lleugers I molt versàtils.b. Plàstics secundaris: Na, K, Ca, Mg, I, F, Cl… No tan abundants com els

anteriors.c. Oligoelements. Apareixen en proporcions molt baixes, però són

imprescindibles per a la vida: Cu, Fe, Mn, I, Co, Zn…Els plàstics constitueixen el 99% de la matèria viva. (Veure funcions d’alguns bioelements). Per tal d’entendre part dels temes següents, és molt important saber el nombre d’enllaços que poden fer els principals bioelements C, H, O,…

Biomolècules o principis immediats Són les molècules que formen part dels éssers vius. Segons la composició química, tenim:

a. Inorgàniques. H2O, sals.b. Orgàniques: Glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics.

L’H2O. La biomolècula més abundant de totes. Absolutament imprescindible per a la vida. Es troba dins i entre les cèl·lules, en els fluids (sang, etc) i com a resultat de moltes reaccions químiques (aigua metabòlica).

2

Si bé la càrrega global és 0, té una zona més aviat +, la dels H, i una de -, la de l’oxigen, que és tan electronegatiu que tendeix a atreure H de molècules veïnes, formant ponts d’hidrogen, força més dèbils que el covalent o l’iònic, però prou consistent. Duren milionèsimes de segon, excepte quan l'aigua es glaça, i llavors es fan permanents, la xarxa ocupa més volum i això té importants conseqüències per a la vida.

En condicions normals, a 25ºC, l’aigua pura conté un reduïda proporció d’ions

2 H2O H3O+ + OH-

3

On H3O+ és l’ió hidroni, protó hidratat o hidrogenions, H+, per a ser més pràctics. I OH- és l’ió hidroxil.Hi ha una constant, anomenat producte iònic de l’agua o Kw, que es pot representar com Kw = [H+].[OH-] = 1.10-14

Que sigui constant, vol dir que la suma total d’ions ha de ser sempre 1.10-14, de manera que un augment d’hidrogenions necessàriament implica un descens dels hidroxils i a l’inrevés. Perquè et facis una idea, que la concentració total d’ions sigui de 10-14 vol dir que en un litre d’aigua hi ha 0’00000000000001 mols d’ions.Doncs bé, a 25ºC, i tractant-se d’aigua pura, es compleix que [H+] = [OH-] = 10-7

Però habitualment l’aigua no és pura, sinó que conté altres substàncies que fan variar la concentració d’ions, i llavors parlem de dissolució aquosa. El grau d’acidesa d’una dissolució aquosa ve donada per la concentració d’ions, de manera que

- Si la [H+] = 10-7, serà neutra- Si [H+] > 10-7, serà àcida- Si [H+] < 10-7, serà bàsica o alcalina.

Com que treballar amb aquests números és poc pràctic, Sörensen va introduir un concepte matemàtic, el pH, que evita les tortures anteriorment esmentades. pH = - log [H+]llavors tenim que si la concentració d’hidrogenions és:

- 10-7, pH = - log 10-7 = 7, neutre- > 10-7, pH < 7, àcid- < 10-7, pH > 7, bàsic o alcalí

Hi ha substàncies que en dissolució alliberen protons, són els àcids, mentre que d’altres alliberen hidroxils, són les bases o àlcalis.El pH és vital per afavorir les reaccions químiques. La majoria dels organismes mantenen un pH intern d’aproximadament 7,7, anomenat fisiològic. Amb la interminable col·lecció de molècules dissoltes que hi ha en els éssers vius, el pH variaria constantment, cosa que constitueix un greu problema. Però els organismes tenim els anomenats tampons o amortidors de pH, com, per exemple, el tampó bicarbonatat, que es troba en els fluids corporals:

H++ HCO3- H2CO3 CO2 + H2O

Un altre exemple seria el sistema tampó fosfat, que manté el pH intern de la cèl·lula a 7,2:

H+ + H2PO4 - HPO4

2- + H+

Propietats de l’aigua. Les més importants són:a. Tots sabem que quan disminueix la temperatura, augmenta la densitat

de les substàncies i pesen més, oi? Doncs l’aigua no. Hem dit que els ponts d’hidrogen són molt efímers en aigua líquida, i permanents en estat sòlid (0ºC), i per tant una mateixa massa d’aigua ocupa més volum quan és glaç que quan és líquida. El glaç és menys dens que l’aigua, tot

4

i estar a temperatura més baixa. De fet, la màxima densitat de l’aigua es dona a 4ºC, fet que evita que els oceans, rius i llacs es glacin totalment, permetent la vida.

b. És un excel·lent dissolvent de moltes substàncies, gràcies a la seva naturalesa dipolar (dissolvent universal), i per tant transporta en dissolució moltes substàncies (CO2, O2,…). Les reaccions químiques es donen en medi aquós, i a més l’aigua dissol certes substàncies, formant lubrificants o amortidors de moviments en músculs, tendons, articulacions, etc.

c. Bon termoregulador. L’aigua té una elevada calor específica (costa d’escalfar i refredar) i de vaporització (cal força energia per passar de líquid a gas). Per això els climes costaners són més suaus. Igualment, l’elevada calor de vaporització fa que quan l’aigua passa a gas absorbeix molta energia en forma de calor. Per això la suor ajuda a refredar la T.

d. La força de cohesió- adhesió de les seves molècules ajuda a mantenir la forma i el volum de les cèl·lules, així com, per exemple, que la saba pugui pujar pels vasos conductors per capil·laritat. També, les molècules d’aigua en superfície creen una pel·lícula, a causa de la seva elevada tensió superficial, la qual cosa permet que molts animals puguin surar en la superfície, com els sabaters.

e. La seva ionització permet que pugui intervenir en moltes reaccions bioquímiques donant protons o hidroxils. És fonamental el seu paper en la fotosíntesi.

Les sals mineralsBiomolècules que habitualment estan en forma d’ió. Segons la càrrega tenim:

a. Anions. Càrrega negativa. Els més freqüents són els clorurs (Cl -), sulfats (SO4

2-), bicarbonats (HCO3 -), fosfats (HPO4

2-, H2PO4 2-), nitrats (NO3 -)...

Poden presentar-se precipitades, combinades amb d’altres biomolècules, o bé formant part de les dispersions biològiques. Quan estan precipitades, solen tenir funció de sosteniment. El carbonat càlcic forma part de closques, ossos, coralls, exosquelet de crustacis, etc. El fosfat de calci forma part dels ossos, i la sílice forma part de la closca d’alguns microorganismes, plantes, etc.Quan estan en dispersió, formen els tampons, per exemple, i combinades formen part d’àcids nucleics, fosfolípids, etc.

b. Cations. Càrrega positiva, com Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ . La funció és la mateixa que la dels bioelements que ja hem vist.

Difusió, diàlisi i osmosi.Tots els fluids biològics són una mescla o barreja de diferents substàncies amb l’aigua, anomenades dispersions, que poden ser de dos tipus:

- Si la molècula dispersa o solut és de pes molecular baix (cristal·loides), tenim una dissolució. Ex.: sals, urea, aa…

5

- Si és de pes molecular elevat, tenim un col·loide o dispersió col·loïdal. Ex.: biomolècules grans, com les proteïnes, polisacàrids, àcids nucleics… Un cas especial són els col·loides hidròfobs o emulsions, on les molècules disperses no són afins a l’aigua, i tendirien a separar-se d’aquesta, a no ser per unes substàncies anomenades emulsionants. Un exemple serien els greixos de la llet, la salsa maonesa, etc. Segons com es desplacen les molècules disperses podem parlar de:

a. Difusió. Les molècules dissoltes es mouen en totes direccions, i tendeixen a ocupar l’espai uniformement. Aniran sempre des de zones amb alta concentració a zones amb baixa. És el mètode que fan servir molècules petites per entrar o sortir de la cèl·lula a través de la membrana, com per exemple, l’O2, CO2, etc.

b. Diàlisi. Consisteix en la separació de dos soluts a través d’una membrana, permeable a només un dels dos. La diàlisi renal (natural) i l’hemodiàlisi (artificial), es basen en aquest mètode: se separen molècules petites, com sals, etc, i es retenen molècules grans, com les proteïnes.

c. Osmosi. Si tenim dues dissolucions de diferent concentració de solut, com per exemple NaCl, separades per una membrana semipermeable, l’aigua sempre anirà de la zona menys concentrada a la més concentrada, fins a igualar-les. La pressió necessària per a evitar aquest flux d’aigua s’anomena pressió osmòtica. Anomenem hipertònica la solució més concentrada, hipotònica la menys concentrada, i isotòniques si tenen la mateixa concentració. Ara anem a la realitat, la cèl·lula, que està embolcallada per una membrana semipermeable:

- Si la cèl·lula està en un medi isotònic, no passa res.- Si el medi és hipertònic, l’aigua sortirà de la cèl·lula i aquesta

s’encongirà. Quan la pèrdua és massa gran, es produeix la mort. Si no és excessiva s’anomena plasmòlisi.

- Si el medi és hipotònic, l’aigua entrarà a la cèl·lula, que s’inflarà, produint-se l’anomenada turgescència a les cèl·lules vegetals. Aquestes no moren perquè la paret vegetal no deixa entrar més aigua. La cèl·lula animal, en canvi, pot arribar a rebentar.

L’osmosi, explica, per exemple:a. La turgència o marciment de les plantes pel guany o pèrdua d’aigua. La

turgència és, en part, responsable del ràpid creixement d’algunes plantes.

b. Alguns protozous, com el parameci, tenen vacúols pulsatius per evacuar l’excés d’aigua, a fi d’evitar morir rebentats.

6

7