Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana

I 0 flashcards i 9 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS QUÍMICA I FÍSICA APLICADA Grau en Nutrició Humana i Dietètica Universitat Rovira i Virgili AprenAI 2026-2027 Resum complet de Química Aplicada a Nutrició i Dietètica (URV): estructura atòmica, enllaç químic, biomolècules, reacció de Maillard, gasos i dissolucions. APREN.AI Índex 1 Química, nutrició i ciència dels aliments 1. Conceptes fonamentals: Química, Nutrició, Dietètica i Bromatologia 2. Alimentació enfront de nutrició i funcions dels nutrients 3.

Classificació dels aliments, nutrients i adaptació de la dieta 2 Estructura atòmica i lleis fonamentals de la química Matèria i classificació de les substàncies Lleis ponderals de la química Primers models atòmics: de Demòcrit a Rutherford El model de Bohr i els espectres atòmics El model mecanicoquàntic i el concepte d'orbital 3 Configuració electrònica, taula periòdica i enllaç químic Nombres quàntics i principis d'ordenació electrònica Propietats periòdiques dels elements Enllaç químic i enllaços primaris Forces intermoleculars 4 Química orgànica: estructura del carboni i isomeria Singularitat i tetravalència de l'àtom de carboni Enllaços covalents dels bioelements primaris Grups funcionals d'interès químic Estereoisomeria: isomeria geomètrica, òptica i conformacional 5 Glúcids: estructura, propietats i identificació Naturalesa química i classificació dels glúcids Monosacàrids: aldoses, cetoses i ciclació en solució aquosa Disacàrids i l'enllaç O-glicosídic Polisacàrids: estructura i funció biològica Assajos d'identificació al laboratori 6 Lípids i proteïnes: estructura i funcionalitat biològica Naturalesa i classificació dels lípids Reactivitat química dels lípids: esterificació i saponificació Comportament amfipàtic i identificació al laboratori Aminoàcids: blocs constructors de les proteïnes Organització estructural de les proteïnes i desnaturalització 7 La reacció de Maillard i modificacions tèrmiques dels aliments Naturalesa química de la reacció de Maillard Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 1 Etapes consecutives del mecanisme de Maillard Factors cinètics i mètodes d'inhibició in vitro 8 Lleis dels gasos i dissolucions químiques Propietats i lleis dels gasos Dissolucions: definició, preparació i material de laboratori Mesures de concentració d'una dissolució Solubilitat i factors que la modifiquen 9 Propietats col·ligatives i càlculs estequiomètrics Naturalesa de les propietats col·ligatives Descens de la pressió de vapor i llei de Raoult Variació de les temperatures de transició de fase: crioscòpia i ebullioscòpia Osmosi, pressió osmòtica i equilibri cel·lular Càlculs químics fonamentals: mol, masses i fórmules Estequiometria, reactiu limitant i rendiment 10 Formulari Lleis dels gasos ideals Concentració de dissolucions i solubilitat Propietats col·ligatives Càlculs estequiomètrics i quantitat de substància Constants i errors típics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 2 1 Química, nutrició i ciència dels aliments EN ACABAR SABRÀS Distingir clarament els conceptes d'alimentació, nutrició, dietètica i bromatologia. Identificar les tres funcions bàsiques dels nutrients dins de l'organisme. Explicar les necessitats nutricionals bàsiques segons cicle vital o condicions fisiològiques. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 En quin instant exacte passa un mos de pa de formar part de l'alimentació a convertir-se en objecte de la nutrició?

L'estudi dels aliments i del seu aprofitament biològic requereix integrar diverses disciplines científiques interrelacionades que van des del nivell molecular fins a l'estil de vida individual. ESQUEMA Bases de la ciència alimentària i química 1. Conceptes fonamentals: Química, Nutrició, Dietètica i Bromatologia La química és la disciplina científica dedicada a l'estudi de la matèria: descriu la seva composició interna, la seva estructura, les seves propietats particulars i les transformacions mitjançant les quals unes substàncies es converteixen en unes altres amb intercanvis energètics associats.

Quan aquest enfocament s'aplica als sistemes vius, es vincula directament amb altres tres branques fonamentals: Nutrició: branca científica centrada a analitzar els nutrients i la resta de compostos continguts en els aliments, examinant com l'organisme els assimila i la seva incidència directa sobre la salut. Dietètica: estudi higiènic aplicat que determina pautes alimentàries equilibrades per a persones sanes o adaptades a situacions patològiques (dietoteràpia), segons la fisiopatologia i les necessitats individuals de cada cicle vital o feina.

Bromatologia: disciplina que analitza la composició, l'estructura molecular, les propietats químiques dels aliments i les alteracions derivades de la manipulació, el processament tecnològic i Química de la matèria Composició i reaccions químiques Bromatologia Estructura i propietats dels aliments Alimentació Processos conscients i hàbits Dietètica Racions i pautes segons salut Nutrició Digestió, absorció i assimilació cel·lular Funcions dels nutrients Energètica, plàstica i reguladora Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 3 l'emmagatzematge. Diagrama de flux de les fases successives del mètode científic experimental.

DEFINICIÓ Un nutrient és un compost químic contingut en els aliments que resulta imprescindible per al funcionament, manteniment i supervivència de les cèl·lules corporals. En el cos humà, l'element químic més abundant en proporció de pes és l'oxigen, seguit del carboni, l'hidrogen, el nitrogen, el calci i el fòsfor. COMPROVA-HO 2 Quina diferència principal hi ha entre els objectius de la bromatologia i els de la dietètica? 2.

Alimentació enfront de nutrició i funcions dels nutrients Tot i emprar-se habitualment com a sinònims en el llenguatge quotidià, representen fenòmens clarament diferenciats des del punt de vista fisiològic: Criteri Alimentació Nutrició Naturalesa del procés Actes voluntaris i conscients. Conjunt de processos involuntaris i inconscients. Fases compreses Selecció, processament, cocció i ingesta. Digestió, absorció intestinal i assimilació cel·lular. Condicionants principals Cultura, tradició, poder adquisitiu i hàbits. Processos metabòlics i fisiològics cel·lulars. ERROR FREQÜENT L'error habitual d'examen és classificar la digestió com a fase de l'alimentació.

L'alimentació finalitza amb la ingestió del menjar; qualsevol pas posterior que no requereixi control conscient (degradació enzimàtica, pas dels nutrients al torrent sanguini i ús cel·lular) pertany estrictament a la nutrició. Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 4 Els nutrients absorbits compleixen tres missions fonamentals a l'organisme: Funció energètica: subministren el combustible metabòlic necessari per cobrir el treball muscular, el metabolisme basal i l'activitat cel·lular. Funció plàstica o reparadora: aporten components estructurals per sintetitzar nous teixits durant el creixement i regenerar estructures danyades o desgastades.

Funció reguladora: proveeixen compostos que modulen i controlen les reaccions bioquímiques que tenen lloc dins de les cèl·lules. Esquema del metabolisme energètic dividit en vies catabòliques i anabòliques. COMPROVA-HO 3 Dins de quina de les tres funcions dels nutrients es cataloga la formació de massa òssia en edat de creixement? 3.

Classificació dels aliments, nutrients i adaptació de la dieta Els principis nutritius es classifiquen en funció del seu paper bioquímic i de la quantitat necessària per mantenir l'homeòstasi: Hidrats de carboni: representen la principal aportació d'energia immediata per a l'activitat física, el treball cognitiu i el creixement (vegeu «Glúcids: estructura, propietats i identificació»). Grasses: subministren energia de reserva i formen la capa de teixit adipós subcutani que actua com a aïllant tèrmic corporal (vegeu «Lípids i proteïnes: estructura i funcionalitat biològica»).

Proteïnes: matèria prima essencial de les cèl·lules i teixits, necessàries també per produir hormones i altres biomolècules actives (vegeu «Lípids i proteïnes: estructura i funcionalitat biològica»). Vitamines: molècules orgàniques no sintetitzades pel cos (excepte la vitamina D) que actuen típicament com a cofactors enzimàtics i reguladors de processos químics, inclosa l'oxidació de greixos. Minerals: elements inorgànics que intervenen en la construcció òssia, l'equilibri de fluids, les secrecions glandulars i la contracció muscular.

Fibra dietètica: afavoreix un trànsit digestiu adequat promovent la formació de femtes toves i abundants, la qual cosa prevé l'estrenyiment i patologies intestinals. Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 5 Una nutrició correcta ha de cobrir tres pilars: la despesa energètica metabòlica, la quota necessària de micronutrients reguladors (vitamines i minerals) i una hidratació òptima sustentada en la ingesta regular d'aigua. Aquest patró s'adapta tant al cicle de vida (infància, embaràs, lactància, vellesa) com a requeriments d'exercici físic o a la gestió de malalties com la diabetis, l'obesitat o el càncer.

El funcionament metabòlic dels nutrients es completa amb una gestió ambiental de residus seguint la regla de les 3R (reduir, reutilitzar i reciclar). Les aigües residuals condueixen els contaminants cap a l'EDAR (Estació Depuradora d'Aigües Residuals) per retornar aigua tractada al medi, diferenciant-se del circuit d'aigües pluvials. COMPROVA-HO 4 Quina vitamina és l'única que el cos humà pot sintetitzar per si mateix segons les fonts? IDEES CLAU La química investiga la matèria i les seves transformacions energètiques, mentre que la nutrició se centra en l'assimilació dels nutrients.

L'alimentació és voluntària, conscient i influenciada per la cultura; la nutrició comprèn processos fisiològics involuntaris (digestió, absorció i assimilació). Els nutrients compleixen tres funcions metabòliques: energètica, plàstica (reparadora) i reguladora. L'oxigen és l'element químic amb una proporció més gran respecte al pes corporal humà. La regla de les 3R i la canalització cap a les plantes EDAR defineixen la gestió dels residus derivats del cicle alimentari. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Per quina raó la digestió i l'absorció es classifiquen com a part de la nutrició i no de l'alimentació? 6.

Quins tres requisits imprescindibles ha de cobrir una alimentació equilibrada per satisfer les necessitats de l'organisme? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 7. Com es defineix el procés de l'alimentació des del punt de vista dietètic? Transport sanguini de molècules i cofactors a) Assimilació involuntària de compostos a les cèl·lules b) Conjunt d'actes voluntaris, conscients i modificables c) Digestió química dels macronutrients a l'estómac d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 6 8. Quin és l'element químic majoritari en percentatge de pes al cos humà? 9. Quina és la funció bàsica associada principalment a les proteïnes en l'organisme? 10.

Què estudia principalment la bromatologia? 2 Estructura atòmica i lleis fonamentals de la química EN ACABAR SABRÀS Classificar la matèria en substàncies pures o mescles a partir de les seves característiques. Distingir i aplicar les quatre lleis ponderals en reaccions químiques. Explicar l'experiment de la làmina d'or de Rutherford i les seves conclusions estructurals. Diferenciar els models atòmics de Bohr i mecanicoquàntic mitjançant la quantització i el concepte d'orbital. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Com van poder deduir els científics que l'àtom està gairebé buit si la matèria que toquem sembla sòlida i contínua?

La comprensió de la matèria comença analitzant com es classifica i quines regles quantitatives governen les transformacions químiques abans d'endinsar-nos en la seva estructura íntima.

Carboni a) Nitrogen b) Hidrogen c) Oxigen d) Funció plàstica de construcció i regeneració cel·lular a) Provisió primària d'energia per al pensament b) Transport directe de gasos com a residu c) Aportar aïllament tèrmic subcutani immediat d) La gestió de residus a les EDAR a) Composició, estructura i propietats dels aliments b) El disseny de règims calòrics per a esportistes c) Les patologies associades a l'escorbut d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 7 ESQUEMA Estructura de la matèria i models atòmics Matèria i classificació de les substàncies Matèria és tot allò que té massa, inèrcia i ocupa un volum a l'espai.

Cal no confondre la massa, que mesura la quantitat de matèria, amb el pes, el qual correspon a la força gravitatòria que actua sobre aquesta massa. Atesa la seva composició, la matèria s'organitza en dues categories fonamentals: Substàncies pures: tenen una composició constant i no es poden fraccionar mitjançant procediments físics. Es divideixen en elements (formats per una sola classe d'àtoms, com l'oxigen O o el ferro Fe) i compostos (combinació d'elements químics en una proporció fixa, com l'aigua o el clorur de sodi NaCl). Mescles: associacions de dues o més substàncies pures sense enllaç químic fix.

Poden ser homogènies (presenten una sola fase uniforme, com l'aigua salada o els aliatges metàl·lics) o heterogènies (s'hi distingeixen fases diverses a simple vista, com una amanida o una pizza). ERROR FREQÜENT Confondre un compost químic amb una mescla homogènia. En un compost (com el clorur de sodi, NaCl) els àtoms estan units químicament en una proporció estequiomètrica invariable i només es poden separar per mètodes químics. En canvi, en una mescla homogènia (com l'aigua salada) la proporció entre els components és variable i es poden separar per tècniques físiques com l'evaporació.

Matèria Ocupa espai i té inèrcia Substàncies pures Elements i compostos químics Mescles Homogènies i heterogènies Lleis ponderals Lavoisier, Proust, Dalton, Richter Models atòmics Evolució històrica Dalton i Thomson De l'esfera massissa a l'electró Rutherford Descobriment del nucli buit Bohr Quantització i espectres Mecanicoquàntic Dualitat, incertesa i orbitals H O 2 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 8 Lleis ponderals de la química Les lleis ponderals van establir les bases quantitatives que van permetre deduir l'existència dels àtoms a partir de les masses de reacció: Llei ponderal Científic Enunciat fonamental Exemple de relació Conservació de la massa Lavoisier En els canvis químics i físics la massa ni es crea ni es destrueix; es manté constant.

Massa total de reactius = massa total de productes Proporcions definides Proust Quan dos o més elements s'uneixen per formar un determinat compost, ho fan sempre en una proporció de masses constant. A l'aigua, la proporció de massa hidrogen:oxigen és invariant Proporcions múltiples Dalton Quan dos elements formen més d'un compost, les masses d'un element que es combinen amb una massa fixa de l'altre mantenen una relació de nombres enters senzills.

Òxids de nitrogen: per a 28,0 g de N, s'uneixen 16 g ( ), 32 g (NO) o 64 g ( ), en relació 1:2:4 Proporcions equivalents Richter Les masses de dos elements que es combinen amb una mateixa massa d'un tercer element guarden la mateixa proporció (o un múltiple senzill) quan es combinen entre ells. Si 40 g de Ca reaccionen amb 16 g d'O (CaO) i amb 2 g d'H ( ), O i H s'uneixen en relació 16 g O : 2 g H ( ) Diagrama de combinació atòmica segons proporcions estequiomètriques definides.

A aquestes lleis s'afegeix la llei de conservació de l'energia (l'energia no es crea ni es destrueix durant els processos químics) i el principi integrador pel qual la suma total de matèria i energia de l'univers roman constant. COMPROVA-HO 12 Segons la llei de Richter, si 40 g de calci s'uneixen a 16 g d'oxigen per formar CaO i a 2 g d'hidrogen per formar CaH , en quina relació de masses s'espera que reaccionin l'oxigen i l'hidrogen entre si?

Primers models atòmics: de Demòcrit a Rutherford La necessitat d'explicar la naturalesa de la matèria va donar lloc a successius models teòrics: Demòcrit: va proposar intuïtivament que la matèria estava formada per partícules indivisibles, eternes i immutables anomenades àtoms, amb forma, mida i moviment en el buit, sense suport experimental. N O 2 NO 2 CaH 2 H O 2 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 9 Dalton: va descriure els àtoms com a esferes indivisibles i massisses. Els elements tenen àtoms d'igual massa i propietats, mentre que compostos químics sorgeixen de la unió d'àtoms en relacions numèriques senzilles.

Aquest model explicava la discontinuïtat de la matèria i les lleis ponderals, però ignorava les partícules subatòmiques i l'existència d'isòtops. Thomson: en descobrir l'electró com a partícula de càrrega negativa, va concebre l'àtom com una esfera massissa de càrrega positiva amb electrons incrustats uniformement, resultant neutre en conjunt. L'experiment decisiu el va dur a terme Rutherford en bombardejar una làmina d'or molt prima amb partícules alfa ( ). Va observar que la gran majoria travessaven la làmina en línia recta, algunes es desviaven notablement i una fracció mínima rebotava.

D'aquí va deduir que la massa i la càrrega positiva estan concentrades en un nucli minúscul i l'àtom està pràcticament buit. Rutherford va proposar un model nuclear on els electrons descriuen òrbites al voltant del nucli carregat positivament. L'àtom és elèctricament neutre perquè conté el mateix nombre de protons ( ) que d'electrons. Posteriorment es va completar el quadre de les partícules subatòmiques: l'electró (Thomson), el protó (Rutherford) i el neutró (Chadwick). Tanmateix, el model de Rutherford no podia justificar l'estabilitat electrònica (l'electró accelerat hauria de radiar energia i col·lapsar cap al nucli) ni els espectres atòmics de ratlles.

COMPROVA-HO 13 Quina observació clau de l'experiment de la làmina d'or de Rutherford va demostrar que l'àtom no era una massa compacta com afirmava Thomson? El model de Bohr i els espectres atòmics Niels Bohr va introduir la quantització per solucionar les limitacions del model planetari mitjançant tres postulats: He2+ Z L'electró gira al voltant del nucli en òrbites circulars estacionàries sense emetre radiació electromagnètica. 1 L'energia de l'electró es troba quantitzada: només pot ocupar certs estats estacionaris amb nivells energètics determinats. 2 L'electró només emet o absorbeix energia quan canvia d'òrbita.

La radiació correspon a un fotó amb una freqüència definida per la relació: 3 ΔE = E final E = inicial h f f = h ΔE Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 10 Esquema del salt electrònic entre nivells quantitzats segons Bohr. Aquesta transició entre nivells explica els espectres atòmics d'absorció i d'emissió. Quan se subministra energia a un element gasós, aquest només emet o absorbeix radiació a freqüències determinades. En ser discontinu, l'espectre de ratlles és característic de cada element i funciona com la seva empremta dactilar.

El model mecanicoquàntic i el concepte d'orbital El model atòmic actual es basa en tres pilars de la física quàntica: Dualitat ona-partícula (de Broglie): l'electró té una massa de partícula però manifesta un comportament ondulatori. Principi d'incertesa (Heisenberg): és impossible conèixer simultàniament i amb precisió tant la posició com la velocitat d'un electró. Per tant, el concepte clàssic d'òrbita amb trajectòria definida queda descartat. Equació de Schrödinger: equació diferencial que descriu l'electró mitjançant una funció d'ona ( ). La resolució matemàtica determina els nivells energètics i les regions espacials permeses.

L'orbital atòmic és la regió de l'espai delimitada per la funció d'ona on hi ha una probabilitat del 90 % de trobar l'electró. El quadrat de la funció d'ona ( ) expressa aquesta densitat de probabilitat espacial. L'organització d'aquests electrons en els diferents nivells i orbitals conforma la configuració electrònica (vegeu «Configuració electrònica, taula periòdica i enllaç químic»). Diagrama d'ocupació electrònica orbital en carboni i oxigen. Ψ Ψ 2 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 11 IDEES CLAU La matèria es classifica en substàncies pures (elements i compostos) i mescles (homogènies i heterogènies).

Les lleis ponderals de Lavoisier, Proust, Dalton i Richter van establir el caràcter discret i quantitatiu de les reaccions químiques. L'experiment de la làmina d'or de Rutherford va revelar l'existència d'un nucli dens i positiu, mostrant que l'àtom és majoritàriament espai buit. Bohr va establir que els electrons es troben en estats estacionaris quantitzats i que els salts d'òrbita donen lloc a espectres atòmics discontinus. El model mecanicoquàntic substitueix les trajectòries definides pel concepte d'orbital, definit com la regió on la probabilitat de trobar l'electró és del 90 %. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 14.

En què es diferencia el concepte d'òrbita de Bohr del concepte d'orbital mecanicoquàntic? 15. Per què els espectres atòmics d'emissió són discontinus i no continus? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 16. Què va concloure Rutherford en observar partícules alfa rebotant a la làmina d'or? 17. Quina llei explica que les masses de dos compostos diferents d'N i O guardin relació enteres? 18. Quina equació relaciona la diferència d'energia entre nivells atòmics i la freqüència emesa? 19. Com defineix el model mecanicoquàntic la regió anomenada orbital? Els electrons ocupen òrbites quantitzades estacionàries. a) Tots els àtoms d'un element tenen massa idèntica.

b) La massa i càrrega positiva estan concentrades al nucli. c) L'àtom és una massa esfèrica positiva homogènia.

d) Llei de conservació de la massa a) Llei de les proporcions equivalents b) Llei de les proporcions múltiples c) Llei de les proporcions definides d) ΔE = m · c² a) f = h · ΔE b) ΔE = h · f c) ΔE = h / f d) La trajectòria circular de l'electró accelerat a) Espai amb un 90 % de probabilitat electrònica b) Zona buida entre el nucli i l'escorça c) Esfera massissa carregada positivament d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 12 3 Configuració electrònica, taula periòdica i enllaç químic EN ACABAR SABRÀS Assignar els quatre nombres quàntics als electrons i aplicar les regles d'ompliment electrònic.

Preveure la variació del radi atòmic, de l'energia d'ionització i de l'electronegativitat a la taula periòdica. Distingir els enllaços iònics, covalents i metàl·lics per les seves propietats de fusió, solubilitat i conductivitat. Diferenciar les forces intermoleculars dels enllaços covalents intramoleculars. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 20 Per què cal dissoldre la sal de cuina en aigua per aconseguir que condueixi el corrent elèctric si ja conté càrregues elèctriques? Nombres quàntics i principis d'ordenació electrònica La distribució dels electrons al voltant del nucli atòmic es descriu mitjançant la configuració electrònica.

Per a la definició de l'estat quàntic i del volum de probabilitat (per a la noció general d'orbital atòmic, vegeu «Estructura atòmica i lleis fonamentals de la química»), cada electró queda unívocament definit per un conjunt de quatre nombres quàntics: Nombre quàntic principal ( ): pren valors enters positius ( ) i determina directament la mida i l'energia de l'orbital. Nombre quàntic del moment angular ( ): pren valors des de 0 fins a . Fixa la geometria o forma de l'orbital i defineix els subnivells: (s), (p), (d) i (f). Nombre quàntic magnètic ( ): varia de manera discreta entre i passant pel zero. Indica l'orientació espacial de l'orbital.

Nombre quàntic d'espin ( ): pren valors de o i indica el gir intrínsec o l'alineació de l'electró respecte a un camp magnètic extern. L'ompliment dels orbitals per construir la configuració fonamental o d'energia mínima s'executa mitjançant tres regles fonamentals: n n = 1, 2, 3, ... l n 1 l = 0 l = 1 l = 2 l = 3 m l +l s + 2 1 2 1 Principi d'Aufbau: els electrons s'incorporen progressivament als orbitals de menor energia disponible seguint la seqüència del diagrama de Moeller. 1 Principi d'exclusió de Pauli: un orbital pot encabir com a màxim dos electrons, els quals han de tenir espins oposats (antiparal·lels). No poden existir dos electrons amb els quatre nombres quàntics idèntics.

2 Regla de Hund (o d'ocupació màxima): quan s'omplen orbitals de la mateixa energia (orbitals degenerats, com els tres suborbitals p), els electrons s'ubiquen primer d'un en un en orbitals diferents amb espins paral·lels abans d'aparellar-se. 3 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 13 Diagrama d'orbitals i nombres quàntics per al nitrogen. DEFINICIÓ La configuració electrònica fonamental és aquella distribució en què els electrons ocupen els orbitals del menor nivell energètic possible. Si un o més electrons absorbeixen energia i salten a un orbital de nivell superior, l'àtom passa a un estat excitat.

Els electrons de valència són aquells que pertanyen a l'última capa ocupada o nivell de valència, incloent-hi els electrons de subnivells més interns que no estiguin completament plens. En guanyar o perdre electrons per formar ions positius o negatius, els àtoms cerquen adquirir l'estructura estable de gas noble de capa completa ( ), per exemple el catió o l'anió . Existeixen excepcions a la regla general d'Aufbau en elements de transició com el crom ( ) i el coure ( ). La configuració fonamental real del crom és (en lloc de ), i la del coure és (en lloc de ). Aquesta desviació es deu a l'estabilitat energètica addicional dels subnivells semiplens o completament plens.

COMPROVA-HO 21 Per què la configuració del crom acaba en 3d 4s¹ en comptes de seguir la regla d'Aufbau amb 3d 4s²? Propietats periòdiques dels elements La disposició dels electrons a la perifèria atòmica condiciona de forma regular les propietats periòdiques fonamentals al llarg de la taula periòdica: Radi o mida atòmica: disminueix d'esquerra a dreta al llarg d'un període a causa de l'augment de càrrega nuclear efectiva, i augmenta en descendir per un grup per la incorporació de noves capes electròniques principals. Energia d'ionització: energia mínima necessària per arrencar un electró d'un àtom neutre en estat gasós i fonamental.

Augmenta cap a la dreta d'un període i disminueix en baixar dins d'un grup. Electronegativitat: capacitat o força d'atracció relativa que manifesta un àtom per captar o atraure cap a si els electrons d'un enllaç químic. Augmenta d'esquerra a dreta en els períodes i decreix en descendir pels grups. ns np 2 6 K+ Br Z = 24 Z = 29 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 5 1 3d 4s 4 2 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 10 1 3d 4s 9 2 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 14 ESQUEMA Variació de propietats periòdiques COMPROVA-HO 22 Com varia l'electronegativitat al llarg d'un període de la taula periòdica i a què es deu?

Enllaç químic i enllaços primaris Els àtoms s'enllacen de manera espontània perquè la molècula o xarxa resultant assoleix un estat de menor energia potencial respecte als àtoms aïllats. Segons la regla de l'octet, els àtoms tendeixen a guanyar, perdre o compartir electrons fins a completar una capa de vuit electrons (a excepció de l'hidrogen, que se satura amb dos). Es distingeixen tres grans classes d'enllaç primari: 1. Enllaç iònic Sorgeix per la transferència neta d'electrons des d'un element electropositiu cap a un d'electronegatiu, generant cations i anions.

La unió física és el resultat de forces d'atracció electrostàtica no direccionals que organitzen els ions en una xarxa cristal·lina ordenada (com ara el NaCl o el ). 2. Enllaç covalent Es forma quan dos àtoms comparteixen un o més parells d'electrons en superposar-se orbitals semillens. Pot ser apolar si la diferència d'electronegativitat és nul·la (com a o ), o polar si un àtom atreu amb més força el parell compartit generant densitats de càrrega oposades ( i ), tal com passa a la molècula d' . L'enllaç covalent datiu o coordinat és aquell en què el parell electrònic compartit és cedit íntegrament per un sol dels àtoms, tal com s'observa en la formació de l'ió amoni ( ).

Radi atòmic Disminueix al llarg del període i creix en baixar pel grup Energia d'ionització Creix cap a la dreta i disminueix en baixar Electronegativitat Creix cap a la dreta i disminueix en baixar CaCl 2 N 2 O 2 δ+ δ H O 2 NH 4 + Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 15 Esquema d'estructures de Lewis i compartició d'electrons. 3. Enllaç metàl·lic Els àtoms metàl·lics cedeixen els seus electrons de valència i es transformen en ions positius fixos ordenats geomètricament en una xarxa. Els electrons cedits formen un núvol electrònic deslocalitzat i mòbil que embolcalla tota l'estructura cristal·lina. Taula comparativa de propietats segons l'enllaç químic.

Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 16 Tipus d'enllaç Partícules unitàries Estat físic (T ambient) Punt de fusió Conductivitat elèctrica Solubilitat habitual Exemples típics Iònic Ions positius i negatius Sòlid cristal·lí Elevat (300 a 1000 °C) Aïllant com a sòlid; condueix fos o en aigua Soluble en dissolvents polars (aigua) NaCl, Covalent Molècules Gas, líquid o sòlid Baix o moderat (variable) No condueix en cap estat Polars en polars; apolars en apolars , , , Metàl·lic Àtoms (cations en núvol e ) Sòlids (excepte Hg) Molt variable (> 28 °C, excepte Hg) Excel·lent conductor com a sòlid i fos Insoluble en dissolvents ordinaris Fe, Mg, Al, Zn ERROR FREQÜENT Afirmar que una sal sòlida com el clorur sòdic condueix l'electricitat.

En fase sòlida, els ions es troben immobilitzats a les posicions fixes de la xarxa cristal·lina. Només quan la substància es fon o es dissol en aigua, els ions adquireixen mobilitat per desplaçar-se i transportar corrent. COMPROVA-HO 23 Quina condició estructural fa que els compostos metàl·lics condueixin l'electricitat en estat sòlid a diferència dels iònics?

Forces intermoleculars Mentre que els enllaços primaris mantenen units els àtoms dins d'una molècula o xarxa, les forces intermoleculars són atraccions electrostàtiques més febles que actuen entre molècules ja formades: Forces dipol-dipol: atraccions entre els pols de signe oposat de molècules polars amb moment dipolar permanent (com en l' ). Forces dipol-dipol induït: interacció feble que es produeix quan una molècula polar propera distorsiona el núvol electrònic d'una molècula apolar, induint-hi una polaritat transitòria.

Forces de dispersió (London o dipol instantani-dipol induït): sorgeixen per fluctuacions espontànies i asimètriques en la distribució electrònica de molècules sense moment dipolar permanent, generant petits dipols instantanis que n'indueixen d'altres a les molècules veïnes. Ponts d'hidrogen: interacció electrostàtica intermolecular d'intensitat destacada que es produeix quan un àtom d'hidrogen unit covalentment a un element molt electronegatiu i de mida reduïda (fluor, oxigen o nitrogen) és atret pel parell solitari d'un àtom similar d'una molècula veïna.

CaCl 2 CH 4 H O 2 CO 2 I 2 HCl Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 17 ESQUEMA Classificació de forces intermoleculars ERROR FREQÜENT Confondre el pont d'hidrogen amb un enllaç covalent intramolecular. El pont d'hidrogen és una atracció electrostàtica intermolecular entre molècules diferents (o regions allunyades d'una macromolècula); la seva energia és molt inferior a la de l'enllaç covalent intern H–O o H–N. IDEES CLAU Els quatre nombres quàntics (n, l, m, s) defineixen la mida, la forma, l'orientació espacial de l'orbital i el gir de l'electró.

El principi d'Aufbau, el principi d'exclusió de Pauli i la regla d'ocupació màxima de Hund regeixen la configuració electrònica fonamental. Els subnivells complets o semiplens aporten una estabilitat addicional que explica anomalies de configuració com les del crom i el coure. L'enllaç iònic forma xarxes electrostàtiques, el covalent comparteix parells electrònics i el metàl·lic comparteix un núvol d'electrons deslocalitzat. Els compostos iònics només condueixen el corrent elèctric si estan fosos o dissolts en aigua, mai en estat sòlid. El pont d'hidrogen és una força intermolecular i no s'ha de confondre mai amb un enllaç covalent intramolecular.

Forces de Van der Waals Atraccions electrostàtiques entre dipols Dipol-dipol Entre molècules amb dipol permanent Dipol-dipol induït Molècula polar que indueix dipol en apolar Forces de London Dipols instantanis i transitoris en apolars Ponts d'hidrogen Interacció forta entre H i àtoms molt electronegatius Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 18 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 24. Quina diferència d'espin han de tenir obligatòriament dos electrons que comparteixen un mateix orbital segons el principi d'exclusió de Pauli? 25. Per què el clorur de sodi no condueix el corrent elèctric en estat sòlid però sí en dissolució aquosa? 26.

Quins tres elements afavoreixen la formació d'un pont d'hidrogen intermolecular quan estan enllaçats directament a l'hidrogen? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 27. Quin nombre quàntic determina la forma geomètrica d'un orbital atòmic? 28. Per què la configuració del coure acaba en 3d¹ 4s¹? 29. Com varia el radi atòmic a la taula periòdica? 30. Quina naturalesa té un pont d'hidrogen a l'aigua? 4 Química orgànica: estructura del carboni i isomeria EN ACABAR SABRÀS Explicar la tetravalència i geometria tetraèdrica del carboni mitjançant la promoció electrònica. Identificar els principals grups funcionals oxigenats i nitrogenats d'interès bioquímic.

Classificar els tipus d'estereoisomeria distingint isomeria geomètrica, òptica i conformacional.

El nombre quàntic angular l a) El nombre quàntic principal n b) El nombre quàntic magnètic m c) El nombre quàntic d'espin s d) Perquè el coure és un gas noble a) Perquè l'orbital 4s té menor energia b) Perquè el subnivell d complet és més estable c) Perquè no compleix la regla de Hund d) Augmenta cap a la dreta i amunt a) Augmenta cap a la dreta i avall b) Disminueix cap a l'esquerra i avall c) Disminueix cap a la dreta i amunt d) Enllaç metàl·lic deslocalitzat a) Enllaç iònic d'alta energia b) Força intermolecular electrostàtica c) Enllaç covalent polar intramolecular d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 19 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 31 Per què dues molècules amb exactament la mateixa seqüència d'àtoms poden comportar-se de manera totalment diferent a l'organisme?

La química orgànica és la branca de la química centrada en els compostos basats en el carboni, tant d'origen natural com sintètic (com fàrmacs, plàstics, combustibles o aliments). Aquests compostos superen en nombre els de tots els altres elements de la taula periòdica junts gràcies a la capacitat única del carboni per enllaçar-se amb si mateix i establir cadenes químiques estables. ESQUEMA Química del carboni i isomeria Singularitat i tetravalència de l'àtom de carboni L'oxigen és l'element químic més abundant en el cos humà per percentatge de pes corporal, seguit del carboni, l'hidrogen i el nitrogen. Tot i això, el carboni constitueix l'esquelet fonamental de la matèria viva.

DEFINICIÓ La tetravalència del carboni és la capacitat d'aquest element de formar quatre enllaços covalents estables per assolir l'estabilitat electrònica. En el seu estat fonamental, el carboni presenta la configuració (vegeu «Configuració electrònica, taula periòdica i enllaç químic»). En estat excitat, promociona un electró del subnivell 2s al 2p, assolint quatre electrons desaparellats. Aquesta promoció permet la formació de 4 enllaços covalents equivalents dirigits cap als vèrtexs d'un tetràedre regular amb angles d'enllaç de , com s'observa a la molècula de metà ( ).

Àtom de carboni Tetravalència i geometria tetraèdrica Grups funcionals Centres reactius de molècules orgàniques Oxigenats i nitrogenats Alcohols, àcids, amines i amides Estereoisomeria Disposició espacial diferenciada Isomeria cis-trans Rigidesa de doble enllaç o cicles Isomeria òptica Enantiòmers i centres quirals Isomeria conformacional Rotació al voltant d'enllaços simples 1s 2s 2p 2 2 2 109,5 CH 4 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 20 Diagrama de la capacitat d'enllaç doble covalent de l'oxigen.

Enllaços covalents dels bioelements primaris Per completar la seva capa de valència, el carboni comparteix electrons mitjançant diferents tipus d'enllaços covalents: Quatre enllaços simples: compartició d'un parell d'electrons per enllaç (geometria tetraèdrica). Un enllaç doble i dos simples: compartició de dos parells d'electrons en el doble enllaç. Dos enllaços dobles: com en el diòxid de carboni. Un enllaç triple i un simple: compartició de tres parells d'electrons en el triple enllaç.

Element Electrons de valència Capacitat d'enllaç covalent habitual Hidrogen (H) 1 1 enllaç simple Oxigen (O) 6 2 enllaços simples o 1 enllaç doble Sofre (S) 6 2 enllaços simples o 1 enllaç doble Nitrogen (N) 5 3 enllaços simples, 1 doble i 1 simple, o 1 triple Carboni (C) 4 4 enllaços (simples, dobles o triples) COMPROVA-HO 32 Per quina raó energètica l'àtom de carboni adopta una disposició tetraèdrica quan forma quatre enllaços simples? Grups funcionals d'interès químic DEFINICIÓ Un grup funcional és un àtom o conjunt d'àtoms units d'una manera característica a una molècula orgànica que en determina les propietats químiques i la reactivitat.

Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 21 Taula de les principals famílies i grups funcionals orgànics. Les principals famílies de compostos orgànics i els seus grups funcionals associats inclouen: Alcans, alquens i alquins: cadenes hidrocarbonades amb enllaços simples ( ), dobles ( ) o triples ( ). Alcohols: contenen el grup hidroxil ( ). Exemple: etanol ( ). Halurs d'alquil (haloalcans): contenen un halogen ( , on X = Cl, Br, I). Èters: pont d'oxigen entre dos radicals carbonats ( ). Aldehids i cetones: contenen el grup carbonil ( ). Als aldehids és terminal ( ) i a les cetones és intermedi ( ). Àcids carboxílics: contenen el grup carboxil (-COOH).

Èsters: derivats d'àcids on l'hidrogen de l'hidroxil és substituït per una cadena alquil ( ). Amines i amides: compostos amb nitrogen. Les amines presenten el grup amino ( ) i les amides associen un grup carbonil i un grup amino ( ). Nitrils: compostos amb un triple enllaç entre carboni i nitrogen ( ). Estereoisomeria: isomeria geomètrica, òptica i conformacional Els isòmers són molècules que comparteixen la mateixa fórmula molecular però difereixen en la disposició dels seus àtoms a l'espai.

R R' R CH = CH R' R C C R' OH CH 3 CH 2 OH X R O R' C = O R CHO R CO R' COO R' NR'R" CO NR'R" C N Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 22 Isomeria geomètrica cis-trans La isomeria cis-trans apareix en alquens i compostos cíclics a causa de la rigidesa i la manca de rotació lliure al voltant del doble enllaç carboni-carboni o de l'anell: Isòmer cis: els substituents idèntics o prioritaris es troben orientats cap al mateix costat del pla del doble enllaç. Isòmer trans: els substituents de referència es troben en costats oposats del pla del doble enllaç. Esquema dels isòmers geomètrics cis i trans en un alquè.

Isomeria òptica DEFINICIÓ La isomeria òptica es produeix quan dues molècules són imatges especulars l'una de l'altra però no es poden superposar, fenomen denominat quirilitat. Aquestes parelles de compostos reben el nom d'enantiòmers. La quirilitat requereix habitualment la presència d'un centre asimètric, és a dir, un àtom de carboni unit a quatre substituents químicament diferents. Isomeria conformacional La isomeria conformacional sorgeix gràcies a la lliure rotació al voltant dels enllaços covalents simples.

Els diferents confòrmers (o isòmers conformacionals) són orientacions espacials d'una mateixa molècula que poden intercanviar-se espontàniament a temperatura ambient sense trencar cap enllaç químic (com les conformacions de cadira i de bot en el ciclohexà). ERROR FREQÜENT Confondre la isomeria conformacional amb la isomeria geomètrica cis-trans. Els isòmers conformacionals s'interconverteixen lliurement per gir al voltant d'enllaços senzills a temperatura ambient. En canvi, els isòmers cis-trans no es poden interconvertir sense trencar enllaços perquè el doble enllaç no permet la rotació.

Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 23 COMPROVA-HO 33 Quina diferència mecànica fonamental explica que dos confòrmers s'interconverteixin a temperatura ambient mentre que dos isòmers geomètrics no ho puguin fer? IDEES CLAU L'àtom de carboni promociona un electró del subnivell 2s al 2p per establir quatre enllaços covalents amb geometria tetraèdrica. Els grups funcionals són agrupacions atòmiques específiques que atorguen les propietats químiques i la reactivitat a les molècules orgàniques. La rigidesa del doble enllaç als alquens i cicles impedeix la rotació i produeix estereoisòmers cis i trans.

La isomeria òptica apareix en molècules quirals que constitueixen imatges especulars no superposables (enantiòmers). La rotació lliure al voltant dels enllaços simples permet la interconversió espontània d'isòmers conformacionals a temperatura ambient. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 34. Què requereix estructuralment un àtom de carboni per poder presentar enantiòmers o isomeria òptica? 35. Per què un alcà no presenta isomeria geomètrica cis-trans? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 36. Quina configuració adquireix el carboni en estat excitat abans d'enllaçar-se? 37. Quin angle d'enllaç caracteritza la geometria tetraèdrica del metà? 38.

Quina condició genera estereoisomeria cis-trans en una molècula? Captura dos electrons al subnivell 2p a) Cedeix dos electrons del nivell 2s b) Manté dos electrons aparellats al subnivell 1s c) Promociona un electró del nivell 2s al 2p d) 90,0° a) 180,0° b) 120,0° c) 109,5° d) La formació d'imatges especulars no superposables a) La presència de lliure rotació en enllaços simples b) La impedició de rotació per dobles enllaços o cicles c) La presència d'àtoms d'hidrogen exclusivament terminals d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 24 39. Com s'anomenen dos estereoisòmers que són imatges especulars no superposables?

5 Glúcids: estructura, propietats i identificació EN ACABAR SABRÀS Diferenciar les formes moleculars lineals i cícliques (furans i pirans) dels monosacàrids. Explicar la presència o absència de poder reductor en disacàrids segons el seu enllaç glicosídic. Distinguir el midó, el glicogen i la cel·lulosa en funció de l'enllaç i el seu valor nutricional. Interpretar els resultats pràctics dels assajos diagnòstics de Fehling i Lugol. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 40 Per què el sucre de taula comú (sacarosa) no dóna positiva la prova de Fehling tot i provenir de dos sucres reductors?

Naturalesa química i classificació dels glúcids Els glúcids són biomolècules orgàniques constituïdes fonamentalment per carboni, hidrogen i oxigen. Des del punt de vista de la seva estructura química (vegeu «Química orgànica: estructura del carboni i isomeria»), es defineixen com a polihidroxialdehids o polihidroxicetones, o bé com a substàncies complexes que generen aquests compostos en hidrolitzar-se. Segons el seu grau de polimerització, els glúcids s'ordenen en quatre categories principals: Monosacàrids: unitats elementals formades per una única cadena carbonada no hidrolitzable. Destaquen la glucosa, la fructosa i la galactosa.

Disacàrids: compostos resultants de la unió de dos monosacàrids mitjançant un enllaç covalent. En són exemples la maltosa, la lactosa i la sacarosa. Oligosacàrids: cadenes curtes constituïdes habitualment per un nombre d'entre 2 i 10 residus monomèrics. Polisacàrids: polímers d'alta massa molecular formats per la unió de nombrosos monosacàrids, com el midó, el glicogen i la cel·lulosa.

Isòmers cis-trans a) Enantiòmers b) Confòrmers c) Isòmers de cadena d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 25 ESQUEMA Classificació dels glúcids Monosacàrids: aldoses, cetoses i ciclació en solució aquosa Els monosacàrids es divideixen funcionalment en aldoses, si contenen un grup aldehid terminal ( ), i cetoses, si presenten un grup cetona carbonílic ( ) a l'interior de la cadena. En estat sòlid adopten estructures lineals obertes, però en medi aquós es troben en equilibri intramolecular formant anells tancats. Aquest procés genera un enllaç hemiacetàlic o hemicetàlic intern: Diagrama de la ciclació de la glucosa formant anòmers piranòsics.

Monosacàrids Unitats simples no hidrolitzables Aldoses Glucosa i galactosa Cetoses Fructosa Disacàrids Dues unitats per enllaç glicosídic Reductors Maltosa i lactosa No reductors Sacarosa Polisacàrids Polímers de gran mida Reserva Midó i glicogen Estructural Cel·lulosa CHO C = O Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 26 Furans: anells heterocíclics de 5 vèrtexs. És la forma habitual que adopta la D-fructosa en ciclar-se com a furanosa. Pirans: anells de 6 vèrtexs, característics d'aldohexoses com la D-glucosa i la D-galactosa en convertir-se en piranoses. Esquema dels anòmers de la fructosa en anell de furan.

La ciclació converteix el carboni carbonílic en un nou centre asimètric anomenat carboni anomèric, donant lloc als anòmers (amb el grup hidroxil cap amunt en la projecció estàndard) i (amb l'hidroxil cap avall). DEFINICIÓ El poder reductor és la capacitat que té el grup carbonil lliure d'un glúcid per cedir electrons a una altra espècie química, reduint sals metàl·liques com els ions de coure en solució bàsica. Pel que fa al seu rol biològic, la glucosa és el substrat energètic primari cel·lular. La fructosa, present en la mel i les fruites, es transforma directament en glucosa al teixit hepàtic.

La galactosa és un monosacàrid d'interès biològic que s'associa a la glucosa per formar el disacàrid propi de la llet. COMPROVA-HO 41 Per què una aldohexosa com la glucosa pot existir en formes anomèriques alfa i beta només quan es troba dissolta en aigua? Disacàrids i l'enllaç O-glicosídic Els disacàrids es formen per la condensació de dos monosacàrids mitjançant un enllaç O-glicosídic, amb alliberament d'una molècula d'aigua. Aquest enllaç pot implicar només un carboni anomèric (enllaç monocarbonílic) o tots dos alhora (enllaç dicarbonílic), propietat que determina directament el seu poder reductor.

Disacàrid Monòmers constituents Tipus d'enllaç Poder reductor Distribució natural Maltosa D-glucosa + D-glucosa Sí Hidròlisi del midó i grans de civada germinada β α α(1 4) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 27 Disacàrid Monòmers constituents Tipus d'enllaç Poder reductor Distribució natural Lactosa -D-galactosa + D- glucosa Sí Llet de mamífers Sacarosa -D-glucosa + -D- fructosa No Canya de sucre i remolatxa ERROR FREQÜENT Atribuir poder reductor a la sacarosa perquè està formada per glucosa i fructosa. En la sacarosa, l'enllaç és dicarbonílic: compromet alhora el carboni 1 de la glucosa i el carboni 2 de la fructosa.

En no disposar de cap carbonil anomèric lliure per obrir-se, la sacarosa dóna un resultat negatiu davant la prova de Fehling. COMPROVA-HO 42 Quina diferència estructural explica que la maltosa sigui reductora mentre que la sacarosa no ho és? Polisacàrids: estructura i funció biològica Els polisacàrids consten de centenars o milers d'unitats de monosacàrids enllaçades linealment o amb ramificacions. Segons la seva conformació geomètrica i el tipus d'enllaç glicosídic, exerceixen funcions de reserva energètica o estructurals. β β(1 4) α β α(1 2)β Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 28 Esquema estructural de les ramificacions alfa-1,6 en el glicogen.

Midó: polisacàrid de reserva propi de les cèl·lules vegetals. S'emmagatzema a l'interior dels cloroplasts formant grànuls. Està integrat per milers d'anòmers de glucosa units per enllaços - glicosídics, fàcilment hidrolitzables per l'enzim amilasa digestiu de l'ésser humà. Glicogen: polisacàrid de reserva energètica propi dels animals. Està format per cadenes de glucosa altament ramificades mitjançant enllaços i bifurcacions . És soluble en aigua i abunda especialment al fetge i al teixit muscular esquelètic. Cel·lulosa: biopolímer estructural sintetitzat pels vegetals per conferir rigidesa a la paret cel·lular.

Està constituït per cadenes lineals d'unitats de glucosa unides per enllaços { }(1 4). El sistema digestiu humà no disposa d'enzims capaços d'hidrolitzar aquest enllaç, de manera que no es pot digerir i actua com a fibra dietètica. COMPROVA-HO 43 Per què els humans podem aprofitar metabòlicament el midó però no la cel·lulosa si tots dos estan fets exclusivament de glucosa?

Assajos d'identificació al laboratori Per reconèixer i diferenciar la presència de determinats glúcids en mostres biològiques o aliments, s'utilitzen reaccions colorimètriques clàssiques: α α(1 4) α(1 6) (1 β ˉ 4) β ˉ Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 29 IDEES CLAU Els glúcids són polihidroxialdehids o polihidroxicetones que en medi aquós es troben en equilibri formant anells de furan o de piran. El poder reductor requereix un carboni anomèric lliure capaç d'obrir-se i cedir electrons al licor de Fehling. La sacarosa és un disacàrid no reductor perquè estableix un enllaç dicarbonílic entre el carboni 1 de la glucosa i el carboni 2 de la fructosa.

El midó i el glicogen emmagatzemen energia mitjançant enllaços hidrolitzables -glicosídics a plantes i animals respectivament. La cel·lulosa conté enllaços que l'aparell digestiu humà no pot hidrolitzar enzimàticament. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 44. Quin canvi de color assenyala un resultat positiu en l'assaig del reactiu de Fehling? 45. Per quina raó la maltosa té caràcter reductor si ja conté un enllaç glicosídic? 46. Quin polisacàrid és detectat de manera específica mitjançant el viratge a color violeta amb el reactiu de Lugol? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 47. Com es classifiquen químicament els glúcids monosacàrids segons el seu grup funcional? 48.

Quin d'aquests disacàrids no presenta poder reductor davant del reactiu de Fehling? Prova del licor de Fehling: detecta sucres reductors. El reactiu conté sals de coure(II) en medi bàsic, de color blau intens. En presència d'un carbonil anomèric lliure, el coure es redueix i la solució vira cap a un precipitat de color vermell. Els monosacàrids lliures, la maltosa i la lactosa resulten positius, mentre que la sacarosa manté el color blau invariable. 1 Prova del Lugol: mètode diagnòstic basat en una solució de iode i iodur potàssic. El reactiu s'introdueix en l'estructura helicoïdal del midó formant un complex d'adsorció que genera un viratge característic a color violeta o blau fosc intens.

2 β ˉ β(1 4) Èsters fosfòrics de glicerol a) Àcids carboxílics polimeritzats b) Hidrocarburs acíclics ramificats c) Polihidroxialdehids o polihidroxicetones d) Sacarosa a) Maltosa b) Cel·lobiosa c) Lactosa d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 30 49. Quina característica estructural defineix el glicogen en comparació amb el midó? 50. Quina és la causa per la qual la cel·lulosa no pot ser digerida per l'organisme humà? 6 Lípids i proteïnes: estructura i funcionalitat biològica EN ACABAR SABRÀS Distingir lípids saponificables de no saponificables segons la seva estructura química. Formular les reaccions generals d'esterificació i saponificació d'acilglicèrids.

Explicar l'autoorganització de molècules amfipàtiques en medis aquosos. Diferenciar els quatre nivells estructurals de les proteïnes i les causes de la seva desnaturalització. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 51 Per què l'oli i el vinagre se separen de seguida en una amanida si no s'hi afegeix un agent emulsionant? Naturalesa i classificació dels lípids Els lípids formen un conjunt heterogeni de biomolècules definides principalment pel seu comportament físic de solubilitat: són pràcticament insolubles en aigua o dissolvents polars, però es dissolen fàcilment en dissolvents orgànics apolars com benzè, èter, acetona o cloroform.

Des del punt de vista químic, es divideixen segons si presenten àcids grassos en la seva estructura capaços de produir reaccions d'hidròlisi bàsica: Enllaços beta no digeribles a) Cadenes altament ramificades d'origen animal b) Monòmers exclusius de fructosa c) Absència completa de ramificacions d) El seu elevat poder reductor a) Els enllaços beta-1,4 que resisteixen les amilases b) La presència d'anells de furan c) La insolubilitat per càrrega iònica d) Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 31 Grup de lípids Subtipus principals Característiques estructurals claus Saponificables Àcids grassos, acilglicèrids, ceres, fosfolípids (fosfoglicèrids i esfingolípids) Contenen àcids grassos units per enllaços èster; alliberen sabons en medi alcalí.

No saponificables Esteroides (colesterol) Deriven de l'esterà o ciclopentanoperhidrofenantrè; no tenen àcids grassos ni formen sabons. Els àcids grassos naturals són àcids carboxílics alifàtics lineals no ramificats. Es caracteritzen per contenir un nombre parell d'àtoms de carboni, generalment comprès entre 12 i 22 carbonis. Poden ser àcids grassos saturats, formats exclusivament per enllaços senzills carboni-carboni (com el làuric, mirístic, palmític o esteàric), o insaturats, els quals presenten un o més dobles enllaços que provoquen colzades en la cadena (com l'oleic, linoleic, linolènic o araquidònic).

COMPROVA-HO 52 Quina diferència estructural bàsica distingeix un lípid saponificable d'un de no saponificable? Reactivitat química dels lípids: esterificació i saponificació Els acilglicèrids es formen mitjançant una reacció d'esterificació, en la qual els grups hidroxil ( ) de la glicerina (propanotriol) reaccionen amb el grup carboxil (-COOH) dels àcids grassos, alliberant molècules d'aigua: Esquema estructural d'un triacilglicèrid amb enllaços èster. OH R -COOH + 1 HO-CH -R 2 2 R -COO-CH -R + 1 2 2 H O 2 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 32 Quan aquests èsters es tracten amb bases fortes com hidròxid sòdic (NaOH) o hidròxid potàssic (KOH), té lloc la reacció de saponificació.

Aquesta hidròlisi trenca l'enllaç èster per regenerar el glicerol i produir sals sòdiques o potàssiques d'àcids grassos conegudes com a sabons: A més dels triacilglicèrids, existeixen altres lípids saponificables complexos: Ceres: èsters formats per un monoalcohol lineal de cadena llarga i un àcid gras de cadena llarga. Fosfoglicèrids: derivats del glicerol units a àcids grassos i a un grup fosfat. Esfingolípids: derivats de l'aminoalcohol complex anomenat esfingosina. Els lípids no saponificables comprenen els esteroides, derivats de l'anell hidrocarbonat tetracíclic conegut com a ciclopentanoperhidrofenantrè (esterà).

El colesterol és l'esteroide biològic més rellevant; conté una regió apolar molt extensa de carbonis i hidrògens i un únic grup hidroxil terminal que li confereix un caràcter amfipàtic molt feble. ERROR FREQÜENT Confondre l'esterificació amb la saponificació. L'esterificació sintetitza acilglicèrids unint àcids grassos i glicerol amb pèrdua d'aigua, mentre que la saponificació trenca aquests èsters utilitzant una base forta (NaOH o KOH) per produir glicerina i sabó. Comportament amfipàtic i identificació al laboratori Molts lípids, especialment els fosfolípids, posseeixen caràcter amfipàtic: la seva molècula té un cap polar hidròfil i una o dues cues hidrocarbonades apolars hidròfobes.

En medi aquós, aquestes molècules s'autoorganitzen per protegir les regions hidròfobes del contacte amb l'aigua, formant estructures supramoleculars definides: Micel·les: agregats esfèrics, cilíndrics, laminars o discoïdals on les cues apolars queden orientades cap a l'interior i els caps polars cap a la fase aquosa externa. Monocapes lipídiques: pel·lícules superficials a la interfase aigua-aire on els caps hidròfils s'introdueixen a l'aigua i les cues apolars queden exposades a l'aire. Bicapes lipídiques: dues capes oposades de lípids amb les cues enfrontades cap a l'espai central apolar i els caps en contacte amb els medis aquosos intern i extern.

R-COO-CH -R + 2 NaOH R-COONa + HO-CH -R 2 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 33 Diagrama d'una bicapa lipídica amb cues hidròfobes enfrontades. Al laboratori, els lípids es poden reconèixer mitjançant l'assaig de saponificació (formació de sabó en escalfar la mostra en presència de NaOH) o mitjançant la tinció amb Sudan III, un colorant lipofílic soluble en greixos que tenyeix selectivament les fases lipídiques d'un color vermell intens. COMPROVA-HO 53 Per què els fosfolípids formen espontàniament bicapes en un medi aquós cel·lular?

Aminoàcids: blocs constructors de les proteïnes Les proteïnes són macromolècules polimèriques lineals formades per la unió ordenada d'unitats anomenades aminoàcids. Un -aminoàcid natural conté un carboni central ( o carboni 2) al qual s'uneixen quatre substitutors: un grup carboxil (-COOH), un grup amino ( ), un hidrogen ( ) i una cadena lateral variable (R). Els aminoàcids no només construeixen pèptids i proteïnes, sinó que també actuen com a precursors de molècules clau (oxàcids, amines biògenes, glucosa, nucleòtids, hemo i creatina), neurotransmissors (glutamat, aspartat, glicina) i transportadors de grups amino.

Dels vint aminoàcids estàndard, existeixen 8 aminoàcids essencials en l'adult que el cos humà no pot sintetitzar per si mateix i s'han d'ingerir obligatòriament a través dels aliments: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptòfan i valina (l'arginina i la histidina es consideren essencials en determinades etapes de creixement). DEFINICIÓ L'enllaç peptídic és un enllaç covalent de tipus amida que s'estableix entre el grup carboxil d'un aminoàcid i el grup amino del següent, alliberant una molècula d'aigua.

Organització estructural de les proteïnes i desnaturalització La funcionalitat d'una proteïna depèn directament de la seva arquitectura tridimensional, dividida en quatre nivells jeràrquics: α C α NH 2 H Estructura primària: seqüència lineal dels aminoàcids units per enllaços peptídics covalents. Determina la identitat i l'ordre exacte de la cadena. 1 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 34 Models d'estructura secundària proteica en hèlix alfa i làmina beta.

Quan una proteïna se sotmet a canvis dràstics del medi, pateix una desnaturalització: perd la seva conformació terciària i secundària (i quaternària si en té), conservant intacta només l'estructura primària (els enllaços peptídics no es trenquen). Els agents causants inclouen l'aportació tèrmica (calor), valors extrems de pH (àcids o bases forts), sals inorgàniques concentrades i dissolvents orgànics com l'alcohol o el cloroform. PROCÉS Nivells d'organització estructural de les proteïnes 1 Estructura primària Seqüència lineal d'aminoàcids units per enllaços peptídics. 2 Estructura secundària Plegament local en alfa-hèlix o làmina beta per ponts d'hidrogen.

3 Estructura terciària Conformació tridimensional estabilitzada per dominis i ponts disulfur. 4 Estructura quaternària Unió de diverses cadenes polipeptídiques en un complex funcional. COMPROVA-HO 54 Quins nivells estructurals d'una proteïna es perden durant el procés de desnaturalització i quin es manté? Estructura secundària: plegament espacial regular adoptat per la cadena a causa de la capacitat de gir dels enllaços del i estabilitzat per enllaços d'hidrogen. Els patrons més freqüents són l' -hèlix i la conformació o làmina plegada.

2 C α α β Estructura terciària: disposició tridimensional global en l'espai, especialment evident en proteïnes d'elevat pes molecular formades per dominis (unitats compactes d'entre 50 i 300 aminoàcids) connectades per l'esquelet polipeptídic. Es manté per ponts disulfur, interaccions hidrofòbiques i ponts elèctrics. 3 Estructura quaternària: associació de dues o més subunitats polipeptídiques per constituir la proteïna biològicament activa completa. 4 Apunts de Química Aplicada a la Nutrició Humana 35 IDEES CLAU Els lípids són compostos hidròfobs insolubles en aigua i solubles en dissolvents apolars com…