Bioquímica i Metabolisme: aigua, glúcids, lípids i proteïnes

La bioquímica descriu la lògica molecular de la vida: com les interaccions físico-químiques entre àtoms determinen l'estructura tridimensional de les biomolècules i fan possibles les transformacions del metabolisme. Tota aquesta maquinària cel·lular opera dissolta o suspesa en un medi aquós, on la naturalesa dels enllaços químics defineix l'estabilitat i la dinàmica molecular.

1. Els bioelements i l'organització molecular

Dels més de cent elements de la taula periòdica, només una fracció reduïda forma part de la matèria viva. Aquests bioelements es classifiquen en tres grans categories segons la seva abundància en els éssers vius:

• Bioelements primaris: representen aproximadament el 96,2% de la massa total de l'organisme. Són el carboni (C), l'hidrogen (H), l'oxigen (O), el nitrogen (N), el fòsfor (P) i el sofre (S). La seva facilitat per compartir electrons i establir enllaços covalents estables —simples, dobles o triples— permet construir els esquelets moleculars complexos de la matèria viva.
• Bioelements secundaris: constitueixen al voltant de l'1,9% del pes corporal. Es divideixen en indispensables, presents en tots els éssers vius i essencials per al funcionament fisiològic (calci, sodi, potassi, clor, magnesi, ferro i iode), i variables, presents només en determinats llinatges biològics.
• Oligoelements: es troben en proporcions inferiors al 0,1% de la massa corporal. Tot i la seva concentració mínima, són fonamentals com a cofactors catalítics o components estructurals indispensables. Hi destaquen metalls com el cobalt (Co), coure (Cu), manganès (Mn), zinc (Zn), crom (Cr), níquel (Ni), molibdè (Mo), vanadi (V), tungstè (W), així com el seleni (Se), fluor (F), bor (B), silici (Si) i brom (Br).

La combinació d'aquests elements dona lloc a les biomolècules, que poden ser simples (formades per un sol tipus d'àtom, com $\text{O}_2$ o $\text{N}_2$) o compostes. Entre aquestes darreres distingim compostos inorgànics ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{CO}_2$, sals minerals com NaCl o $\text{CaCO}_3$) i macromolècules orgàniques (glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics). A nivell cel·lular, la delimitació d'aquests compostos en orgànuls específics mitjançant membranes biològiques redueix reaccions creuades i confereix un estalvi energètic decisiu a la cèl·lula.

2. Jerarquia de les forces químiques en biologia

L'arquitectura cel·lular depèn d'un balanç precís entre unions químiques permanents i interaccions febles i transitòries. La fortalesa d'aquestes forces es mesura per la quantitat d'energia necessària per dissociar-les:

1. Enllaç covalent: dos àtoms assoleixen l'estabilitat electrònica compartint un o més parells d'electrons. Si presenten electronegativitats similars (com C–C o C–H), l'enllaç és apolar. Si un dels àtoms és clarament més electronegatiu (com O–H o N–H), es genera un enllaç covalent polar, amb un desplaçament de densitat electrònica que origina càrregues parcials oposades ($\delta^+$ i $\delta^-$). Posseeix una energia d'enllaç molt alta (300-450 kJ/mol).
2. Enllaç iònic o electrostàtic: s'origina per la transferència electrònica completa entre un metall que cedeix electrons (convertint-se en catió) i un no-metall que els rep (anió), generant una atracció culombiana. En el buit té una energia similar al covalent, però en el si del medi cel·lular aquós es troba extremadament afeblit (10-20 kJ/mol) a causa de l'alta constant dielèctrica de l'aigua.
3. Ponts d'hidrogen: interacció electrostàtica direccional on un àtom d'hidrogen lligat covalentment a un element molt electronegatiu (com O o N, donador) és atret pel parell solitari d'un altre àtom electronegatiu (acceptor). Presenta una energia moderada (12-30 kJ/mol).
4. Forces de van der Waals: atraccions i repulsions inespecífiques degudes a fluctuacions transitòries de la densitat electrònica que generen dipols instantanis o induïts (1-4 kJ/mol). Tot i ser molt febles individualment, la suma de centenars de contactes proporciona gran estabilitat macromolecular.
5. Interacció hidrofòbica: no és un enllaç en sentit estricte, sinó una agregació espontània provocada per l'exclusió de molècules apolars del si de l'aigua líquida, impulsada per motius entròpics.

3. Impacte del pH sobre l'estabilitat dels enllaços no covalents

Les interaccions febles que sostenen la conformació nativa de les proteïnes i els complexos supramoleculars depenen estrictament de l'estat d'ionització dels grups funcionals. Si la concentració de protons del medi ($[\text{H}^+]$) varia, s'altera l'equilibri de protonació i desprotonació:

• Destrucció de ponts salins (enllaços iònics): un pont salí típic es forma entre un grup bàsic protonat ($-\text{NH}_3^+$) i un grup àcid ionitzat ($-\text{COO}^-$). Si el pH descendeix dràsticament (medi molt àcid), el grup carboxilat s'hi protona passant a -COOH neutre, amb la qual cosa s'anul·la l'atracció electrostàtica. Per contra, si el pH s'eleva (medi molt bàsic), el grup amoni perd el seu protó passant a $-\text{NH}_2$ neutre, dissolent igualment la interacció iònica.
• Alteració de ponts d'hidrogen: la protonació o desprotonació dels àtoms d'oxigen i nitrogen canvia la seva capacitat d'actuar com a donadors o acceptors de protons. Per exemple, la desprotonació d'una cadena lateral elimina l'hidrogen donador necessari per establir el pont.

Com a conseqüència d'aquests canvis, una desviació substancial del pH fisiològic desencadena la pèrdua de la conformació tridimensional (desnaturalització) i la inactivació funcional de les proteïnes cel·lulars (per a una anàlisi detallada dels mecanismes de regulació del pH, vegeu «Tema 1: Aigua, pH i dissolucions amortidores — Equilibri àcid-base i tampons fisiològics»).

4. Estructura dipolar de l'aigua i xarxa de ponts d'hidrogen

L'aigua és el dissolvent universal de la vida. Representa al voltant del 70% de la massa corporal al néixer i entre el 50-60% en un adult mitjà. Aquest contingut varia inversament amb el teixit adipós: com més teixit muscular (teixit hidratat), major proporció d'aigua; com més fracció de greix (hidrofòbic), menor percentatge aquós.

En el cos humà, l'aigua es reparteix en dos grans compartiments:

• Compartiment intracel·lular: allotja 2/3 de l'aigua corporal total, cosa que equival al 40% del pes corporal.
• Compartiment extracel·lular: conté el 1/3 restant de l'aigua corporal, corresponent al 20% del pes corporal global. Aquest terç es subdivideix en el plasma sanguini (que suposa el 4,5% del pes) i el líquid intersticial i la limfa (que constitueixen el 15% del pes).

El balanç hídric fisiològic es manté estacionari en condicions d'equilibri, garantint que les entrades d'aigua igualin estrictament les sortides per evitar dèficits (deshidratació) o excessos (hiperhidratació osmòtica).

La geometria de la molècula d'aigua és angular, amb un angle d'enllaç H–O–H de 104,5°. L'oxigen té una electronegativitat molt superior a la de l'hidrogen, per la qual cosa atreu els electrons de l'enllaç covalent cap al seu nucli. Aquesta distribució asimètrica de càrrega, juntament amb els dos parells d'electrons no compartits de l'oxigen, converteix l'aigua en una molècula dipolar permanent.

Gràcies a aquest caràcter dipolar, cada molècula pot formar ponts d'hidrogen simultàniament amb molècules veïnes:

• A l'aigua líquida, els ponts d'hidrogen són extremadament dinàmics: es formen i es trenquen en una escala de picosegons, formant una xarxa fluctuant on cada molècula n'estableix de mitjana uns 3,4. Això confereix una elevada cohesió interna, gran calor d'evaporació i un elevat punt d'ebullició en comparació amb hidrurs anàlegs ($\text{H}_2\text{S}$, $\text{NH}_3$).
• A l'aigua sòlida (gel), cada molècula d'aigua queda fixada per 4 ponts d'hidrogen en una xarxa cristal·lina hexagonal oberta. En ser una xarxa espaiada, el gel presenta menor densitat que l'aigua líquida, motiu pel qual flota i protegeix tèrmicament la vida aquàtica sota seu.

5. Mecanisme de solvatació i comportament de les biomolècules

L'aigua dissol fàcilment compostos iònics i substàncies moleculars polars gràcies a la formació d'esferes de solvatació (o esferes d'hidratació). Quan s'introdueix una sal iònica com el clorur sòdic (NaCl) en aigua, les molècules d'aigua orienten el seu extrem carregat negativament (els àtoms d'oxigen, $\delta^-$) cap als cations $\text{Na}^+$, mentre que els àtoms d'hidrogen ($\delta^+$) s'orienten cap als anions $\text{Cl}^-$.

Aquest apantallament electrostàtic envolta cada ió en capes concèntriques de dipols aquosos, superant l'atracció culombiana de la xarxa cristal·lina i promovent la seva dispersió homogènia. Amb els soluts polars neutres (com monosacàrids o alcohols), l'aigua estableix ponts d'hidrogen competitius amb els seus grups hidroxil (-OH) o carbonil (-C=O).