Aigua i Biomolècules: Lípids, Glúcids i Sals Minerals en Biologia

L'aigua

L'aigua és la molècula més abundant en els éssers vius; la seva proporció va disminuint amb l'edat. Els organismes l'obtenen directament del medi (exògena) o a partir d'altres molècules orgàniques (endògena).

Característiques

• Està formada per àtoms de 2H i 1O units per enllaços covalents simples.
• És elèctricament neutra, però l'àtom d'O és més electronegatiu que el H, de manera que els electrons es desplacen cap a l'O. Això dona un excés de càrrega negativa sobre l'O i positiva sobre els H; aquest excés rep el nom de densitat de càrrega.
• A causa del caràcter polar, les molècules de H₂O s'interaccionen formant ponts d'hidrogen.

Propietats

• Elevada cohesió molecular: és incompressible, ja que manté el seu volum encara que s'apliquin fortes pressions.
• Elevada tensió superficial.
• Força d'adhesió: té gran capacitat per enganxar-se a parts de conductes estrets i pujar contra la gravetat. Aquest fenomen es coneix com a capil·laritat.
• Calor latent: les molècules absorbeixen o cedeixen calor per canviar d'estat físic (calor latent de fusió: sòlid a líquid; calor latent de vaporització: líquid a gas).
• Calor específica: pot absorbir calor sense pujar de temperatura, ja que la energia es fa servir per trencar ponts d'hidrogen.
• Calor de vaporització: pot eliminar molta calor amb poca pèrdua d'aigua.
• Densitat: l'H₂O és més densa en estat líquid que en sòlid; en estat sòlid té tots els enllaços d'H formant una xarxa cristal·lina.
• Constant dielèctrica: tendència a oposar-se a les atraccions entre ions, afavorint la dissolució de xarxes cristal·lines.
• Baix grau d'ionització: quantitat petita de molècules ionitzades (dissociades en ions).

Producte iònic

El producte iònic és constant: és el producte de les concentracions d'ions en aigua pura a 25 ºC. En dissolució aquosa, també és constant, però pot variar. Pot ser:

• Neutres: concentració d'ions H₃O⁺ = OH^-.
• Àcides: concentració d'H₃O⁺ més gran que la d'OH^-.
• Bàsiques: concentració d'OH^- més gran que la d'H₃O⁺.

Importància biològica

• Principal dissolvent biològic.
• Metabòlica: intervé en reaccions d'hidròlisi; es duu a terme la major part de les reaccions químiques.
• Estructural: dona volum a les cèl·lules, turgència a les plantes, explica les deformacions del citoplasma cel·lular i actua com a esquelet hidrostàtic en els invertebrats.
• Mecànica amortidora en els vertebrats.
• Transport: permet el transport de substàncies i l'ascens de la saba a través dels vasos llenyosos.
• Termoreguladora: l'elevada calor específica permet mantenir constant la temperatura; permet la vida aquàtica en climes freds.

Sals minerals dissoltes

Són molècules inorgàniques presents en tots els éssers vius, dissoltes o en estat sòlid, dissociades en:

• Anions: clorurs, fosfats, fosfats monoàcids, carbonats, bicarbonats, nitrats.
• Cations: Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ o Fe³⁺, K⁺.

Propietats

• Solubles en aigua i dissociades en ions.

Funcions

Col·laboren en el manteniment de l'homeòstasi gràcies a:

• Mantenir el grau de salinitat en els organismes.
• Regular l'activitat enzimàtica.
• Regular la pressió osmòtica i el volum cel·lular.
• Estabilitzar dispersions coloidals.
• Generar potencials elèctrics.
• Regular el pH mitjançant dissolucions amortidores.

Sals minerals precipitades

Propietats

• Insolubles en aigua; estat sòlid.

Funcions

Formen estructures de protecció o sosteniment mitjançant cristal·lització de carbonat càlcic, silicats (esponges) i fosfats (teixit ossi en vertebrats).

• Carbonat càlcic: forma closques de protozous marins; en vertebrats, endureix els ossos; dona rigidesa a les esponges i forma les espines dels eriçons; forma l'esquelet extern de les coralls i l'exoesquelet dels artròpodes.
• Silicats: endureixen estructures de sosteniment vegetals; formen espícules en les esponges; formen closques de protecció en alguns microorganismes.
• Fosfat càlcic: forma la matriu mineral que compon el teixit ossi en vertebrats.

Biomolècules inorgàniques en la matèria viva: dispersions coloidals

Formen part de les fases coloidals: dispersant (aigua) i dispersa (sals minerals i molècules orgàniques). Estat físic: sol i gel.

Propietats de les dispersions coloidals

• Efecte Tyndall: les dispersions coloidals són translúcides.
• Moviment brownià: les partícules coloidals presenten un moviment desordenat.
• Sedimentació: les partícules s'assenten a força de camp gravitatori.
• Elevada viscositat: aquesta augmenta a mesura que augmenta la massa molecular.
• Elevada adsorció: és la capacitat d'atracció superficial d'un sòlid sobre molècules d'un líquid o gas.
• Diàlisi: procés de separació de molècules que integren una dispersió coloidal segons la seva dimensió.

Osmosi

L'osmosi és el fenomen en què es produeix la difusió del dissolvent a través d'una membrana semipermeable des d'una dissolució més diluïda cap a una altra més concentrada. Els medis aquosos tenen diferents concentracions:

• Hipertònics: elevada concentració de soluts.
• Hipotònics: concentració de solut baixa.
• Isotònics: concentració equilibrada.

Les membranes cel·lulars es comporten com a membranes semipermeables:

• Medi extern hipertònic respecte a l'intern: la cèl·lula perd volum i la pressió osmòtica augmenta. En cèl·lules vegetals provoca la ruptura de la cèl·lula (plasmòlisi).
• Medi extern hipotònic respecte a l'intern: la cèl·lula augmenta de volum i la pressió osmòtica interna baixa. En cèl·lules animals pot produir-se hemòlisi (trencament dels glòbuls vermells de la sang).
• Quan el contingut és isotònic, no s'intercanvia aigua.

Lípids

Els lípids són substàncies químiques molt heterogènies estructuralment i funcionalment, compostes per C, H i O.

Propietats físiques

Tots tenen en comú: són untuosos al tacte, són escassament solubles en aigua i són solubles en dissolvents orgànics.

Funcions

• Estructurals: en les cèl·lules són elements majoritaris de les membranes.
• Energètiques: alguns, com els triacilglicèrids, són reserves per emmagatzemar energia.
• Vitamíniques i hormonals: moltes vitamines i hormones que hi ha en els vertebrats són lípids.

Classificació

• Saponificables: contenen en la molècula àcids grassos, que són àcids monocarboxílics i poden tenir dobles enllaços. Formen sabons en la saponificació (greixos com a ceres, fosfolípids i esfingolípids).
• Insaponificables: derivats d'hidrocarburs cíclics insaturats que no contenen àcids grassos i formen associacions moleculars diverses (terpens, esteroides i prostaglandines).

Àcids grassos

Són àcids orgànics monocarboxílics amb nombre parell d'àtoms de C, en els quals n oscil·la entre 10 i 22. Es classifiquen en:

• Saturats: no tenen dobles enllaços i solen ser sòlids. Són més abundants l'àcid palmític (16 àtoms de C, en la mantega de cacau), l'àcid esteàric (18 àtoms de C) i l'àcid decanoic (10 àtoms de C, en la llet dels mamífers).
• Insaturats: tenen la cadena carbonada amb un doble enllaç o més (poliinsaturats). Es diferencien en monoinsaturats (àcid oleic, C18, doble enllaç en 9 i 10) i poliinsaturats (àcid linoleic, C18, dues insaturacions). Cap d'aquests és sintetitzat pels mamífers; per això es consideren essencials i es diuen vitamina F, tot i no ser una vitamina.

Propietats fisicoquímiques

• Són amfipàtics: tenen dues zones: una polar que conté el grup carboxil (caràcter hidròfil) i una apolar que és la cadena carbonada (hidrofòbica). El grup carboxil estableix enllaços amb altres molècules polars, mentre que la cadena alifàtica interacciona mitjançant forces de Van der Waals amb altres cadenes d'àcids grassos adjacents.
• Reaccionen amb alcohols i formen èsters, alliberant aigua.
• El grau d'insaturació de la cadena alifàtica determina el punt de fusió; aquest augmenta amb la longitud de la cadena, ja que les forces de Van der Waals s'incrementen.

Greixos i ceres

Són lípids saponificables, perquè pateixen hidròlisi alcalina o reaccions de saponificació. Ambdós estan formats per àcids grassos de cadena llarga.

Greixos: compostos formats per glicerina amb 1, 2 o 3 molècules d'àcids grassos (monoacilglicèrids, diacilglicèrids i triacilglicèrids; aquests últims són els més abundants). Són molècules apolars i insolubles en aigua. Es classifiquen segons el punt de fusió:

• D'origen vegetal: àcids grassos insaturats, punt de fusió baix i líquids a temperatura ambient (girasol, dacsa).
• D'origen animal: àcids grassos saturats, punt de fusió alt i sòlids a temperatura ambient (mantega).

Funcions: reserva energètica principal, aïllants tèrmics, magatzem d'aliments.

Ceres: èsters d'àcid gras de cadena llarga entre 14 i 36 àtoms de C i un monoalcohol de 16 a 36 àtoms de C.

Propietats: naturalesa hidrofòbica i substàncies insolubles en aigua.

Funció: protecció i revestiment. En animals vertebrats cobreixen la pell, el pèl i les plomes; en insectes, l'exoesquelet; en plantes, les fulles, fruits i flors.

Industrialment se n'extreuen: la lanolina (llana d'ovella) i l'oli de cachalot, per fer suavitzants i lubricants.

Fosfolípids

Són lípids saponificables, també anomenats fosfoglicèrids. Són els principals components de les membranes biològiques. Químicament estan constituïts per glicerina, en C3 un grup fosfat; en C1 hi ha un àcid gras saturat i en C2 un d'insaturat. També són molècules amfipàtiques. Exemple: l'àcid fosfatídic és el més senzill.

Fosfolípids en membranes biològiques:

• Micel·les: forma esfèrica formada per caps polars.
• Bicapes: les cadenes hidrofòbiques s'orienten cap a l'interior.
• Liposomes: formats per bicapes que contenen aigua a l'interior.

Esfingolípids

Són semblants als fosfolípids; són substàncies amfipàtiques i en medi aquós formen bicapes. Químicament estan constituïts per:

• Un aminoalcohol de 18 àtoms de C, normalment l'esfingosina.
• Un àcid gras saturat de cadena llarga de 18 a 26 àtoms de C.
• Un grup de caràcter polar: àcid fosfòric.

L'esfingosina s'uneix pel grup amino a l'àcid gras per formar la ceramida, que es caracteritza per tenir dues cues hidrofòbiques.

Classificació:

• Esfingomielines: el grup polar s'uneix a la ceramida i pot ser fosfocolina o fosfoetanolamina. Es troben en la beina de mielina, formada per cèl·lules de Schwann al voltant de l'axó.
• Esfingoglicolípids: el grup polar que s'uneix a la ceramida és un glúcid monosacàrid o oligosacàrid. Segons la part glucídica es classifiquen en:
  • Cerebròsids: unió de ceramida i un monosacàrid com la glucosa o la galactosa. S'anomenen glucocerebròsids i galactocerebròsids; són abundants a les cèl·lules nervioses dels cervells.
  • Gangliòsids: la ceramida du com a grup polar un oligosacàrid ramificat; es troben a la part externa de les neurones.

Funcions dels esfingoglicolípids:

• Els gangliòsids intervenen en la recepció de l'impuls nerviós a través de la sinapsi.
• Alguns esfingoglicolípids es relacionen amb la especificitat del grup sanguini.
• Alguns gangliòsids actuen com a llocs d'ancoratge de virus i permeten l'entrada d'aquests a la cèl·lula.

Lipoides: terpens, esteroides i prostaglandines

Són lípids insaponificables que no formen sabons, perquè no contenen àcids grassos. Malgrat això, són més abundants que els saponificables i tenen funcions biològiques importants, com vitamines i hormones.

Terpens: unió de 2 unitats d'isoprè; s'anomenen isoprenoides. Classificació:

• Monoterpens: 2 molècules d'isoprè. Es troben en plantes superiors; són volàtils i tenen aroma característic (per exemple: limonè, mentol i geraniol).
• Diterpens: 4 molècules d'isoprè. En plantes són components de pigments; altres són vitamines, com la A, que intervé en processos de divisió, i la E.
• Triterpens: 6 molècules d'isoprè (l'escualè és precursor del colesterol).
• Tetraterpens: 8 molècules d'isoprè. Destaquen els pigments vegetals que col·laboren en la fotosíntesi, com les xantofil·les de color groc.
• Politerpens: múltiples unitats d'isoprè; són cadenes lineals llargues ordenades regularment, com el cautxú que s'extreu del làtex d'una planta.

Esteroides: derivats de compostos cíclics amb el nucli ciclopentanoperhidrofenantrè. Es diferencien entre si per la posició dels dobles enllaços.

• Esterols: contenen un grup hidroxil en C3 i una cadena en C17. El colesterol és un dels més interessants biològicament; manté la fluïdesa cel·lular. La vitamina D regula els processos d'absorció de Ca i P.
• Hormones esteroides: deriven del colesterol i tenen caràcter hidrofòbic. Hormones sexuals: la testosterona (home) i la progesterona (dona). Hormones del ronyó: el cortisol.
• Àcids biliars: més importants en humans, l'àcid còlic i el desoxicòlic componen la bilis i provoquen l'emulsió dels greixos.

Prostaglandines: es formen en teixits animals, independentment del sexe. Funcions:

• Vasodilatadors que regulen la pressió arterial.
• Intervenen en processos inflamatoris, provocant febre.
• Estimulen la producció de mucus.
• Intervenen en els processos de coagulació de la sang.

Glúcids

Els glúcids són biomolècules que contenen àtoms de C, H i O, i excepcionalment N, S o P. També es diuen hidrats de carboni o carbohidrats. Fórmula empírica: C_nH_2nO_n.

Funcions

Estructurals:

• Components de membranes i receptors.
• Nucleòtids.
• Paret vegetal i bacteriana.
• Esquelet extern d'artròpodes.
• Teixits connectius.

Energètiques:

• Nutrient cel·lular.
• Intermediaris metabòlics.
• Reserva energètica.

Altres: defensiva, hormonal, industrial.

Classificació

• Holòsids: glúcids formats només per glúcids:
  • Oligosacàrids: entre 2 i 10 monosacàrids.
  • Polisacàrids: molts monosacàrids. Dins d'aquests: homopolisacàrids (repetició d'un únic monòmer) i heteropolisacàrids (més d'un monòmer).
• Heteròsids: compostos complexos que combinen monosacàrids amb fraccions moleculars no glucídiques.

Monosacàrids

Són el grup funcional d'aldoses i cetoses. Segons el nombre d'àtoms de C es classifiquen en triosses, tetroses, pentoses i hexoses.

Propietats:

• Sòlids cristal·lins, de color blanc.
• Solubles en aigua.
• Sabor dolç.
• Activitat òptica (dextrògirs + i levògirs -).

Tipus d'isomeria:

• Dels grups funcionals: aldoses i cetoses.
• Enantiòmers: formes D i L.
• Epímers: varien la posició del grup -OH.
• Anomeria: forma alfa o trans, i forma beta o cis.

Forma cíclica: aldopentoses formen cicles furà i piranòsics, en configuració de cadira o de bot.

Derivats dels monosacàrids: fosfats de sucres, desoxisucres, polialcohols, sucres àcids i aminosucres.

Oligosacàrids

Cadenes curtes formades per la unió de 2 a 10 monosacàrids. Són especialment importants els disacàrids, formats per la unió de 2 monosacàrids mitjançant un enllaç monocarbonílic o dicarbonílic.

Interès biològic:

• Maltosa: sucre del malt.
• Lactosa: sucre de la llet dels mamífers.
• Sacarosa: sucre comú.
• Cel·lobiosa: no existeix lliure a la natura.
• Agar-agar, gomes, mucílags, peptidoglucans i glucosaminoglucans.

Polisacàrids

Polímers formats per la unió de molts monosacàrids mitjançant enllaços O-glicosídics, que originen llargues cadenes moleculars.

• Homopolisacàrids estructurals: cel·lulosa i quitina (formen l'esquelet dels artròpodes).
• Homopolisacàrids de reserva: midó, glicogen i dextrans.

Propietats:

• No tenen sabor dolç.
• No tenen caràcter reductor.
• Són insolubles en aigua o formen dispersions coloidals.

Heteropolisacàrids: formats per diferents monosacàrids, com les pectines, les hemicel·luloses, l'agar-agar, les gomes, els mucílags, els peptidoglucans i els glucosaminoglucans.

Heteròsids

Són molècules de varietat enorme, formades per un glúcid i una molècula no glucídica anomenada aglicona:

• Glicolípids (glúcid + lípid): gangliòsids i cerebròsids.
• Glicoproteïnes (glúcid + proteïna): protrombina, immunoglobulina i hormones.

Propietats actives: cardiotònics, glicirricina, tanòsids, cianogenètics i antracènics.