Bioquímica Fisioteràpia UdG: apunts amb esquemes i tests

Composició química i aigua — Bioelements, enllaços i estructura de l'aigua

Tots els éssers vius comparteixen una organització química fonamentada en regles universals d'estructura molecular i enllaç químic. La matèria viva s'organitza en nivells jeràrquics de complexitat creixent: les unitats monomèriques fonamentals s'uneixen mitjançant enllaços covalents rics en energia per formar macromolècules, les quals s'acoblen mitjançant interaccions febles no covalents per originar complexos supramoleculars i, finalment, la cèl·lula amb els seus orgànuls.

Bioelements i jerarquia química de la matèria viva

Dels elements de la taula periòdica, només una fracció reduïda forma part de la matèria viva; són els anomenats bioelements, que es classifiquen en funció de la seva abundància cel·lular ponderal:

• Bioelements primaris: constitueixen aproximadament el 99 % de la massa cel·lular. Són el carboni (C), l'hidrogen (H), l'oxigen (O) i el nitrogen (N). Destaquen per la seva lleugeresa i per la facilitat de compartir electrons establint enllaços covalents molt estables.
• Bioelements secundaris: representen entre el 2 % i el 3 % del pes dels organismes. Inclouen el fòsfor (P), el sofre (S), el calci (Ca), el sodi (Na), el potassi (K), el clor (Cl) i el magnesi (Mg), presents majoritàriament en forma d'ions fisiològics lliures o associats a molècules complexes.
• Oligoelements: presents en quantitats inferiors al 0,1 %, són imprescindibles per al metabolisme i el desenvolupament. Una carència mínima provoca alteracions greus. Aquest grup inclou el ferro (Fe), coure (Cu), zinc (Zn), manganès (Mn), iode (I), crom (Cr), cobalt (Co), níquel (Ni), seleni (Se) i molibdè (Mo).

Versatilitat de l'àtom de carboni i funció dels grups funcionals

D'acord amb la regla de l'octet de Lewis, els àtoms tendeixen a guanyar, perdre o compartir electrons per aconseguir vuit electrons a la seva capa de valència i assolir la màxima estabilitat electrònica. L'hidrogen disposa d'un únic electró per compartir (monovalent), l'oxigen té dos electrons desaparellats i dos parells lliures (divalent), i el nitrogen té tres electrons desaparellats (trivalent).

L'àtom de carboni presenta quatre electrons a la capa de valència, cosa que li atorga una propietat singular: la tetravalència. El carboni pot establir quatre enllaços covalents simples disposats en una geometria tetraèdrica que gaudeix de lliure rotació al voltant de l'eix de l'enllaç, però també enllaços dobles o triples amb el carboni, l'oxigen o el nitrogen, els quals són rígids i planars.

Aquesta capacitat permet articular esquelets carbonats de gran diversitat: cadenes lineals, ramificades o estructures cícliques. La reactivitat d'aquests esquelets hidrocarbonats s'amplifica per la incorporació de grups funcionals oxigenats, nitrogenats o sulfurats (com l'alcohol o hidroxil $-\text{OH}$, l'aldehid $-\text{CHO}$, la cetona $-\text{CO}-$, el carboxil -COOH, l'amina $-\text{NH}_2$, l'amida $-\text{CONH}_2$ o el tiol $-\text{SH}$), que atorguen polaritat i reactivitat química a les biomolècules.

Estereoisomeria: quiralitat, enantiòmers i diastereoisòmers

Quan un àtom de carboni està unit a quatre substituents químicament diferents, rep el nom de carboni quiral o asimètric. Aquesta asimetria genera estereoisòmers: compostos amb la mateixa connectivitat d'enllaços covalents però amb una ordenació tridimensional no superposable en l'espai.

El nombre màxim de configuracions estereoisomèriques que pot presentar una molècula amb diversos centres asimètrics es dedueix mitjançant la fórmula:

on $n$ correspon al nombre total de carbonis quirals presents a l'estructura.

Dins dels estereoisòmers es distingeixen tres categories fonamentals:

• Enantiòmers: parelles d'estereoisòmers que són imatges especulars no superposables l'una de l'altra, comparables a la relació existent entre les mans humana dreta i esquerra. Tenen propietats físiques idèntiques excepte pel gir que produeixen sobre el pla de la llum polaritzada.
• Diastereoisòmers: estereoisòmers que no són imatges especulars entre si. Això passa quan una molècula té dos o més carbonis asimètrics i només se n'inverteix la configuració en algun d'ells, mantenint els altres intactes. Presenten propietats físiques i químiques clarament diferenciades.
• Isòmers geomètrics (cis/trans): originats per la presència d'un doble enllaç rígid entre carbonis que impedeix la lliure rotació axial. La disposició s'anomena cis si els substituents idèntics o prioritaris queden orientats cap al mateix costat del pla del doble enllaç, i trans si se situen en costats oposats.

Enllaços no covalents i forces intermoleculars

Mentre que els enllaços covalents formen l'esquelet molecular permanent dels monòmers, els enllaços no covalents són forces febles i reversibles que permeten establir conformacions flexibles, ensamblar complexos macromoleculars i catalitzar reaccions biològiques.

Estructura dipolar de l'aigua i ponts d'hidrogen

L'aigua és el dissolvent biològic universal i constitueix aproximadament el 70 % de la massa de la majoria dels organismes vius. L'àtom central d'oxigen comparteix electrons amb dos hidrògens mitjançant enllaços covalents polars. A causa de la gran diferència d'electronegativitat entre ambdós elements i a la geometria angular de la molècula (amb un angle de $104{,}5^\circ$ aproximadament), la densitat electrònica es desplaça cap a l'oxigen. S'origina així un dipol permanent amb una càrrega parcial negativa ($\delta^-$) sobre l'oxigen i càrregues parcials positives ($\delta^+$) sobre cadascun dels hidrògens.

Aquesta asimetria de càrrega permet que cada molècula d'aigua actuï alhora com a donadora d'hidrogen i com a acceptora d'hidrogen a través dels dos parells d'electrons no enllaçants de l'oxigen. Cada molècula pot formar fins a un màxim de 4 ponts d'hidrogen:

• En estat líquid: la xarxa d'enllaços és summament dinàmica; els ponts es formen i es trenquen constantment en fraccions de picosegons, donant lloc a una mitjana d'uns 3,4 ponts d'hidrogen simultanis per molècula.
• En estat sòlid (gel): per sota de 0 °C, l'energia cinètica disminueix prou perquè cada molècula quedi immobilitzada formant els 4 ponts d'hidrogen d'una xarxa cristal·lina tetraèdrica oberta. Aquests espais buits interns provoquen que el gel sigui menys dens que l'aigua líquida, motiu pel qual sura i actua com a aïllant tèrmic de mars i llacs freds.

En medi aquós, l'elevat moment dipolar de l'aigua afavoreix la dissolució de sals i soluts polars mitjançant el fenomen de solvatació o apantallament electroestàtic: les molècules d'aigua s'orienten cobrint cadascun dels ions (els oxígens cap als cations com $\text{Na}^+$ i els hidrògens cap als anions com $\text{Cl}^-$), debilitant la seva atracció mútua i mantenint-los dispersos. Per aprofundir en el comportament de les sals i els fenòmens osmòtics resultants, vegeu «Composició química i aigua — Osmosi, dissolucions tampó i equilibri àcid-base».

Idees clau

• Els bioelements primaris (C, H, O, N) representen el 99 % de la massa cel·lular i formen enllaços covalents curts i estables gràcies al seu baix pes atòmic.
• El carboni és la base de les biomolècules per la seva tetravalència, que permet formar cadenes estables amb enllaços simples, dobles o triples i geometries diverses.
• Un carboni quiral unit a quatre grups diferents genera estereoisòmers ($2^n$ configuracions); els enantiòmers són imatges especulars no superposables, mentre que els diastereoisòmers no ho són.
• Els enllaços no covalents (iònics, ponts d'hidrogen, Van der Waals i interaccions hidrofòbiques) són febles individualment però estabilitzen reversiblement les estructures macromoleculars.
• L'aigua és un dipol permanent que forma fins a 4 ponts d'hidrogen: en estat líquid forma una mitjana de 3,4 ponts dinàmics, i en estat sòlid una xarxa tetraèdrica oberta de menor densitat.

Posa a prova el que has après

1. Quin conjunt d'àtoms constitueix els bioelements primaris de la matèria viva? — C, H, O, N
2. Com s'anomenen dos estereoisòmers que presenten imatges especulars no superposables entre si? — Enantiòmers
3. Quants ponts d'hidrogen simultanis estableix de mitjana una molècula d'aigua en fase líquida? — Aproximadament 3,4
4. Quin tipus d'enllaç no covalent s'estableix per atracció de càrregues netes de signe contrari? — Interacció iònica

Composició química i aigua — Osmosi, dissolucions tampó i equilibri àcid-base

Interacció de l'aigua amb els soluts: solvatació i comportament amfipàtic

L'aigua és el medi en el qual transcorren les reaccions del metabolisme cel·lular. A causa de la seva polaritat elèctrica i de la facilitat per establir ponts d'hidrogen (vegeu «Composició química i aigua — Bioelements, enllaços i estructura de l'aigua»), actua com un dissolvent excel·lent davant de substàncies iòniques i polars. Com s'ha vist en «Composició química i aigua — Bioelements, enllaços i estructura de l'aigua», quan es dissol una sal com el clorur de sodi les molècules d'aigua envolten cada ió (solvatació), cosa que redueix l'atracció entre els ions i n'impedeix la precipitació.

Secció completa amb Premium

Idees clau

• na aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit se
• s nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua
• s nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et
• quat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitat

Estructura i propietats dels glúcids

Els glúcids (també denominats hidrats de carboni o carbohidrats) són biomolècules orgàniques constituïdes fonamentalment per carboni, hidrogen i oxigen, amb la fórmula empírica general $(CH_2O)_n$. Químicament es defineixen com a polihidroxialdehids o polihidroxicetones, és a dir, cadenes carbonades dotades d'un grup carbonil (aldehid o cetona) i múltiples grups hidroxil ($-OH$). La presència massiva d'aquests grups hidroxil els confereix una elevada capacitat per establir enllaços d'hidrogen amb l'aigua, fent que els glúcids de baixa massa molecular siguin altament hidrosolubles.

Secció completa amb Premium

Idees clau

• na aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum d
• s nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing eli
• s nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et do
• quat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut eni
• ctetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitati