diumenge, 22 de setembre del 2013

Biomolècules


En el post anterior vam estar parlant dels bioelements que existeixen en el nostre planeta i quines són les seves funcions principals dins de la matèria viva. Però que passa quan aquests interaccionen entre sí? es formen les biomolècules o Principis immediats.
Aquestes estructures es poden classificar segons sigui la seva complexitat:
Biomolècules simples: fa referència a totes aquells molècules petites i senzilles que són presents a la matèria viva i que estan formades per àtoms del mateix tipus. Com a exemple tenim l'oxigen molecular (O2) o el nitrogen molecular (N2).
Biomolècules compostes: Es refereix a quan s'han format molècules amb més d'un tipus d'àtom i presenten més complexitat. Aquí diferenciem entre les anomenades biomolècules inorgàniques i les biomolècules orgàniques.
  • Inorgàniques: Són aquelles que es poden trobar tant a la matèria viva com a la matèria inerta. Com a exemples tenim l'aigua (H2O), el diòxid de carboni (CO2) i les sals minerals com la sal comuna (NaCl) o el carbonat càlcic (CaCO3).
  • Orgàniques: Són les molècules exclusives de la matèria viva. Estan formades per polímers de carboni i hidrogen. És en aquest grup on trobem els glúcids, el lípids, les proteïnes i els àcids nucleids.

dilluns, 16 de setembre del 2013

Bioelements

Si analitzem els elements químics dels que està constituïda la matèria viva ens adonarem que prop del 97% del total és un grup de sis elements: oxigen (O), carboni (C), hidrogen (H), nitrogen (N), fòsfor (P) i sofre (S). El 3,8% restant són elements secundaris però indispensables que formen part dels prop de setanta elements més estables de la terra. A tots els elements químics que constitueixen la matèria orgànica els anomenem bioelements.
Però perquè es basa en aquests elements i no en altres?
  • Les reaccions químiques que es donen dins les cèl·lules i que impliquen una gran diversitat d'estructures moleculars grans i complexes són viables i estables en un medi aquós, per tant l'hidrogen i l'oxigen són indispensables.
  • Aquests elements (C, N, O, H, P i S) formen enllaços covalents que proporcionen gran estabilitat a les molècules.
  • També poden formar enllaços dobles i triples que donen gran variabilitat a les estructures moleculars.
Algunes de les funcions generals que poden exercir els bioelements en els éssers vius són:
  • Estructural: S'encarreguen d'elaborar les estructures cel·lulars.
  • Catalítica: Faciliten les reaccions químiques.
  • Osmòtica: regulen la distribució de l'aigua entre els compartiments cel·lulars.
  • Elèctrica: Generen el potencial elèctric necessari per a facilitar els impulsos nerviosos.

Els bioelements es poden classificar segons la seva abundància en la matèria viva en bioelements primaris, bioelements secundaris i oligoelements.

Bioelements primaris:
Els bioelements primaris són el carboni (C), el nitrogen (N), l'oxigen (O), l'hidrogen (H), el fosfor (P) i el sofre (S). Aquests són els components fonamentals de la matèria viva, ja que les biomolècules (Lípids, glúcids, proteïnes i àcids nucleids) estan formats per aquestes elements.
Algunes de les seves propietats són:
  • Massa atòmica relativament baixa, això ajuda a que els enllaços covalents siguin molt estables.
  • Característiques de l'àtom de carboni: 
    • Té quatre electrons en la perifèria, aspecte que li permet formar enllaç amb l'hidrogen de manera que constitueix una estructura apolar, és a dir, insoluble en l'aigua. Es capaç de construir cadenes llargues d'hidrocarburs. Així mateix també pot formar enllaços dobles o triples i enllaçar-se amb altres elements que li confereixen altres propietats, com la dipolaritat.
  • L'àtom d'hidrogen: La seva presència es indispensable doncs forma part de la molècula d'aigua.
  • L'àtom d'oxigen: Gràcies a que aquest element és molt electronegatiu, quan s'enllaça amb estructures apolars formades per hidrogen i carboni incorpora pols elèctrics a la molècula i per tant pot aportar solubilitat a la molècula.
  • L'àtom de nitrogen: Es troba formant els grups amino (-NH2) dels aminoàcids i les bases nitrogenades dels àcids nucleics.
  • L'àtom de sofre: forma el radical sulfhidril (-SH) indispensable en moltes proteïnes ja que manté la seva estructura.
  • L'àtom de fòsfor: Es troba constituint el grup fosfat (PO4)3- component principal del cicle de l'ATP i per tant de necessari per a emmagatzemar i alliberar energia d'ús immediat.
Bioelements secundaris:
La seva abundància es inferior al 1% i la seva funció es regular els processos fisiològics. Són presents en tots els éssers vius principalment en forma d'ió. Són els:
  • Sodi (Na+) i el potassi (K+). Són fonamentals en la transmissió de l'impuls nerviós.
  • Magnesi (Mg 2+) es fonamental en molts enzims i indispensable en la clorofil·la.
  • Calci (Ca) es present en totes les estructures òssies i en les les closques dels mol·luscos. Així mateix també es present en forma d'ió (Ca 2+), indispensable en moltes reaccions.
  • Clor (Cl): intervé en el manteniment del grau de salinitat dins de les cèl·lules i en l'equilibri de les càrregues elèctriques.
Oligoelements:
L'abundància dels oligoelements es inferior al 0,1% en la matèria viva i inclou gran quantitat d'elements diferents. Alguns, com són el ferro, el coure, el zinc, el manganès i el cobalt són presents en tots els éssers vius. La resta, fins a setanta elements, tenen una presència variable en funció dels grups taxonòmics. Tot i així són imprescindibles en gran quantitat de processos fisiològics.
Les funcions d'alguns oligoelements importants són:
  • Ferro (Fe): intervé en el transport de l'oxigen formant part de l'hemoglobina, es necessari per a que els neutròfils matin els bacteris amb la fagotització i es imprescindible en la fosforilació.
  • Coure (Cu): es requereix per a la formació de l'hemocianina, el pigment respiratori de molts invertebrats aquàtics. També intervé en la transformació dels ions del ferro, per tant la seva carència pot produir anèmia.
  • Seleni (Se): destrueix els peròxids i per tant en redueix la seva toxicitat.
  • Zinc (Zn): s'associa a la formació de la insulina. Així mateix es present en l'ARN i ADN polimerasa. La seva carència produeix mala cicatrització en les ferides, disminució en la percepció dels sabors, i en els nens deficiències en el desenvolupament sexual.
  • Crom (Cr): La seva carència origina una disminució de l'efectivitat de la insulina.
  • Fluor (F): es present en l'esmalt de les dents.
  • Bor (B): present en la formació dels ossos.
  • Iode (I): indispensable per a la formació de l'hormona Tiroxina, responsable del metabolisme energètic.
  • Manganès (Mn): actua com a factor de creixement.
  • Liti (Li): intervé en la secreció de neurotransmissors.
  • Silici (Si): dóna rigidesa a les tiges de les gramínies.

diumenge, 15 de setembre del 2013

Enllaços químics d'importància biològica

Un enllaç químic és la unió entre un o més àtoms per tal de formar una substància nova amb propietats diferenciades.
Es coneixen tres tipus d'enllaços diferents, però tan sols dos d'ells tenen una importància biològica remarcable: l'enllaç iònic i l'enllaç covalent. Així mateix, entre les molècules, ha d'existir algun tipus d'enllaç que permeti la formació d'estructures més complexes com són les forces de Van der Walls i l'enllaç de pont d'hidrogen.
Abans de començar a descriure en què consisteixen cadascun d'aquests enllaços val la pena esmentar alguns aspectes sobre la configuració electrònica bàsica que permetin comprendre perquè els àtoms actuen d'aquesta manera.
Com ja sabeu els àtoms posseeixen electrons, que tenen càrrega negativa, protons que tenen càrrega positiva i neutrons que no tenen càrrega. Normalment els àtoms tenen sempre la mateixa quantitat de protons que d'electrons, això fa que tinguin una càrrega elèctrica neutra. Però es pot donar el cas que un àtom perdi o guanyi electrons. Mai perdrà o guanyarà protons mantenint el número d'electrons estable. Les forces que mantenen el nucli unit són molt més intenses que les que mantenen els electrons orbitant al seu voltant.
Així doncs, suposem que tenim un àtom d'hidrogen:
Té un protó al nucli i un electró orbitant. Si per algun motiu perdés aquest electró, es quedaria el protó sol i per tant ens trobaríem amb un àtom amb càrrega positiva, és a dir, un catió.
Aquest electró pot anar a parar a un element que necessiti aquest protó per a completar la seva última capa. Com a exemple tenim el fluor que té 7 electrons en la última capa. Hem de pensar que els àtoms tendeixen sempre a omplir aquesta última capa amb 8 electrons. És en aquesta situació quan els àtoms són més estables.
Si l'electró de l'hidrogen anés a parar a un àtom de fluor, aquest tindria més electrons que protons per tant quedaria amb càrrega negativa, és a dir, un anió.


Aquests dos ions que resulten: el catió hidrogen i l'anió fluor com tenen càrregues contraries s'atrauran, és a dir, formaran un enllaç degut a la diferencia de càrregues. Aquest és l'enllaç iònic.
  • Enllaç iònic: és l'enllaç que resulta de l'atracció de ions de càrregues contraries degut a que un àtom ha cedit un electró a l'altre àtom.
Aquest enllaç només es possible si un dels dos àtoms té un o dos electrons a l'última capa i l'altre àtom en necessita un o dos electrons per completar l'orbital. Aquestes molècules tindrien carregues elèctriques localitzades a l'espai, cosa que afavoreix que la molècula sigui dipolar, és a dir, tenir dos pols elèctrics. Aquest fet dóna certes propietats a la matèria com es la solubilitat en aigua, una propietat molt interessant des del punt de vista de la matèria orgànica.

L'altre enllaç de gran interès biològic és l'anomenat enllaç covalent.
Hem comentat que per a formar un enllaç iònic cal un àtom tingui disponibles electrons per cedir i l'altre espai a l'orbital per acollir aquests electrons, però que passa quan l'àtom no es vol desempallegar d'electrons?
És el cas d'elements que tot i no tenir complerta la última capa, hi ha encara prou electrons com per a que l'àtom no els pugui, o vulgui deixar-los anar. És el cas del Carboni o l'Oxigen. En aquestes situacions en lloc de cedir electrons aquests es comparteixen:
D'aquesta manera tots dos àtoms tindrien complerta la última capa i per tant serien molt més estables.

Aquestes molècules no presentarien carregues elèctriques diferenciades i per tant no serien solubles en aigua, és el que anomenem substàncies apolars.

Perquè diem que una molècula dipolar es soluble en aigua i una molècula apolar no ho és? Això té a veure amb l'estructura molecular de l'aigua:
Si observem la molècula, veiem que s'han format dos enllaços covalents amb l'oxigen però que l'atracció de l'oxigen respecte els electrons és tan forta que aquests tendeixen a estar més aprop de l'oxigen que no pas dels hidrògens. Això fa que la molècula d'aigua tendeixi a acumular càrregues negatives en una banda i càrregues positives en un altre. Com la molècula es dipolar, la part negativa atraurà la part positiva d'una altre molècula i part positiva atraurà la part negativa d'una altre molècula. Així doncs, quan una molècula dipolar entra en contacte amb aigua, aquesta tendeix a barrejar-se a nivell molecular amb el dipol i per tant en canvia les seves propietats. És a dir, es dissol. I la solubilitat és una propietat molt i molt important en la química de la vida.
A més de tot això, es important comentar que l'enllaç covalent permet una gran variabilitat de molècules i una gran estabilitat en molècules grans i complexes pròpies dels éssers vius.

Bé, per finalitzar el post, val a dir que les molècules ja siguin formades per enllaç iònic o enllaç covalent, s'han d'unir entre sí per formar una matèria tangible. Són els anomenats enllaços intermoleculars:
Enllaç de pont d'hidrogen: Aquest enllaç està relacionat de forma directa amb la polaritat de la molècula de l'aigua. Com l'aigua té càrregues positives i negatives si aquesta molècula s'apropa a un altre molècula d'aigua, aquestes dues es situaran de forma que les càrregues positives i negatives de les dos molècules s'atreguin entre sí. Així doncs, les molècules d'aigua s'atreuen dèbilment però suficient per dotar d'integritat a la matèria aigua.

Forces de Van der Walls: Aquest enllaç es forma entre molècules apolars, és a dir, sense pols elèctrics. La idea és que en una massa de molècules apolars es poden formar de forma espontània dipols instantanis. Aquests dipols s'atrauran entre sí i mantindrà la integritat de la matèria. Si la molècula es molt gran, la quantitat de dipols serà superior per tant l'enllaç serà encara més fort. Per tant com més gran sigui la molècula més fort es l'enllaç de Van der Walls.

Bé, amb això finalitzem el post dedicat als enllaços. Ara ja estem en disposició de profunditzar en les biomolècules.


Les característiques del éssers vius

En el post anterior vam estar parlant sobre el marc d'estudi de la biologia i vam elaborar una primera definició de vida, però quines són les característiques dels éssers vius?
Observem la definició que vam fer:
"Un ésser viu és una estructura química complexa que es relaciona amb el seu entorn intercanviant matèria i energia per tal de modificar la seva estructura interna i reproduir-se"
D'una banda tenim el fet que ha de tractar-se d'una estructura complexa. A nivell químic, els éssers vius han d'estar constituïts per múltiples molècules ja que aquests interactuen amb l'exterior mitjançant reaccions químiques diferents i a la vegada regulen el seu funcionament químic intern. Aquesta característica està íntimament lligada amb la funció de nutrició pròpia dels éssers vius. Nodrir-se vol dir ser capaç d'intercanviar matèria i energia amb l'exterior per tal d'utilitzar-la en benefici propi.
La següent característica de la que parlem en la definició és que un ésser viu ha de ser capaç de relacionar-se amb l'exterior, és a dir, captar estímuls i emetre respostes adequades.
El últim aspecte del que es parla en la definició es la reproducció. Un ésser viu aprofita part de la matèria i energia que intercanvia amb l'exterior per tal d'originar nous individus iguals o molt semblants als seus progenitors.
Amb això ja hem comentat quatre de les característiques dels éssers vius. Les tres funcions vitals que ja coneixíem i el fet de ser una estructura complexa. Però encara faltarien més aspectes a tenir en compte.
Segons la definició actual d'ésser viu, aquest ha de ser un ésser cel·lular, és a dir, han d'estar constituïts per una cèl·lula, éssers unicel·lulars, o més cèl·lules, éssers pluricel·lulars. Per això es considera que el nivell cel·lular és el primer nivell biòtic.
Bé, ja tenim cinc característiques dels éssers vius:
  • Éssers complexos
  • Éssers cel·lulars
  • Es nodreixen
  • Es relacionen 
  • Es reprodueixen.
En relació a aquestes cinc característiques ja podem definir tres conceptes propis de tots els éssers vius:
Un ésser viu posseeix metabolisme: El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que es donen a l'interior d'un ésser viu i que li permeten obtenir energia i construir les seves pròpies estructures moleculars a partir de la matèria que aconsegueix de l'exterior.
Així mateix, ha de posseir informació biològica que codifica la seva estructura i que ha de ser possible transmetre-la als seus descendents. A aquesta informació li anomenem gen.
Per últim un ésser viu ha de poder mantenir el seu medi intern relativament estable, és a dir, independentment de les variacions que es donin en l'exterior, l'ésser viu ha de poder continuar amb les seves funcions vitals. És el que anomenem homeòstasi.

dissabte, 14 de setembre del 2013

Biologia: nivells d'organització de la matèria

La biologia és la ciència que estudia els éssers vius. La paraula prové del grec "bios" vol dir vida mentre que "logos" vol dir estudi.
Quan parlem de vida hem de tenir en compte que no sols parlem d'éssers pluricel·lulars com les plantes i els animals, si no que quan parlem de vida estem parlant de "tota aquella estructura química complexa que es relaciona amb el seu entorn intercanviant matèria i energia per tal de modificar la seva estructura interna i reproduir-se". És a dir, un ésser viu és una estructura química capaç d'executar les tres funcions vitals: relació, nutrició i reproducció.
Si fem una mirada als nivells d'organització de la matèria, des de l'estructura més simple que coneixem, ens adonem que en principi, la biologia tindria un marc d'estudi relativament limitat:
  • Partícules elementals: Són aquelles partícules de les que no es coneixen components i que la unió de les mateixes dóna lloc a les partícules subatòmiques. Alguns exemples són: quarks, leptons, neutrins i bosons.(L'estudi d'aquestes partícules correspon al camp de la física quàntica)
  • Nivell subatòmic: Està constituït per les partícules subatòmiques que són aquelles partícules que componen l'àtom i que estan formades per les partícules elementals. Són els neutrons, els protons i els electrons.
  • Nivell atòmic: Està format pels àtoms que són una estructura formada per la unió de les partícules subatòmiques en una proporció concreta per tal de donar lloc als anomenats elements químics. Recordem que els elements químics són aquelles substàncies que no es poden descompondre en altres més senzilles ja que deixarien de ser aquella substància. A la Terra s'han trobat un centenar d'àtoms amb diferents característiques i propietats, i per tant un centenar d'elements químics diferents.
  • Nivell molecular: Les propietats electròniques de les partícules subatòmiques confereixen als àtoms una sèrie de propietats que els hi permeten establir unions entre ells per tal de formar diferents estructures més o menys complexes anomenades molècules. La força que manté units els àtoms entre sí s'anomena enllaç químic del qual hi ha diferents tipus (iònic, metàl·lic, covalent, forces de Van Der Waals, ...) Depenent de quins siguin els elements que constitueixen aquests enllaços i quina sigui la seva complexitat trobem dos tipus de molècules:
    •  Orgàniques: Tota la matèria orgànica ja siguin éssers vius o no, està constituïda per molècules de tipus orgànic. A la Terra aquestes molècules es basen principalment en estructures complexes i grans formades per la unió d'àtoms de Carboni i Hidrogen amb altres elements. Com a exemple tenim la Glucosa (C6H12O6).
    • Inorgàniques: La major part de les molècules que trobem al nostre planeta són d'aquest tipus. Solen ser estructures senzilles que poden incloure de dos a quatre àtoms diferents. alguns exemples són l'aigua (H2O) o la sal comuna (NaCl). Algunes d'aquestes molècules interactuen amb la matèria vida i per tant són també anomenades biomolècules inorgàniques.
  • Nivell de macromolècules i complexos supramoleculars: Les molècules orgàniques relativament senzilles, anomenades monòmers, poden unir-se entre sí per tal de formar molècules més complexes, generalment allargades i en forma de cadena anomenades polímers o macromolècules. Per exemple, el midó és el polímer resultant de la unió de moltes molècules de glucosa. D'altra banda els complexos supramoleculars són el resultat de la unió de diverses macromolècules.
  • Nivell d'orgànuls cel·lulars: Quan diverses macromolècules i complexos supramoleculars s'uneixen entre sí poden arribar a formar estructures anomenats orgànuls cel·lulars. Aquestes estructures són capaces d'executar diverses funcions dins de la cèl·lula que li permeten realitzar les funcions vitals.
  • Nivell cèl·lular: Les cèl·lules són les unitats funcionals i estructurals dels éssers vius. A nivell funcional es tracta de la unitat autònoma més petita dels éssers vius, és a dir, capaç d'executar les tres funcions vitals: reproduir-se, nodrir-se i relacionar-se i per tant es considera que és el primer nivell biòtic ja que existeixen éssers vius unicel·lulars. A nivell estructural està formada principalment per una membrana, un citoplasma i un material genètic. Existeixen principalment dos tipus:
    • Cèl·lula procariota: Són aquelles que tenen el material genètic escampat per el citoplasma cel·lular. Són les cèl·lules més primitives.
    • Cèl·lula eucariota: Són aquelles que tenen el material genètic tancat dintre d'una estructura cel·lular anomenada nucli i delimitat per una membrana.
  • Nivell de teixit: Les agrupacions de cèl·lules del mateix tipus que executen una funció comuna dintre de l'ésser viu pluricel·lular s'anomena Teixit. Exemple el teixit ossi, el teixit nerviós o el teixit muscular.
  • Nivell d'òrgan: La unió de diversos teixits per tal de formar una estructura complexa, pròpia dels éssers vius superiors i amb una funció concreta anomenada acte són els òrgans. Exemple: el cor, un múscul o un ull.
  • Nivell de sistema: El conjunt d'òrgans semblants formats, generalment, pel mateix tipus de teixit però que poden executar accions diferents s'anomenen sistemes. Exemple: Sistema nerviós o sistema muscular.
  • Nivell d'aparell: Un aparell agrupa sistemes o òrgans amb teixits diferents que tenen funcions diferents però que actuen de forma coordinada per executar una funció concreta.
  • Nivell d'organisme pluricel·lular: Són els éssers vius formats per moltes cèl·lules i constituïts per teixits, òrgans i aparells. Solen tenir propietats biològiques complexes que poden implicar, instint, sentits i intel·ligència.
  • Nivell de població: S'anomena població al conjunt d'éssers vius de la mateixa espècie que viuen en un àrea determinada i en un període concret.
  • Nivell de comunitat: Una comunitat es un conjunt de poblacions de diferents tipus que coexisteixen en el mateix medi i interaccionen entre ells.
  • Nivell d'ecosistema: Consisteix en la interacció entre diverses comunitats d'individus amb els factors abiòtics del medi.
  • Nivell de biosfera: Estudia la relació entre tots els éssers vius que viuen en la superfície de la terra.
Bé, des del punt de vista de la biologia, en principi només hauria de ser objecte d'estudi des del primer nivell biòtic, és a dir, des del nivell cel·lular, però això limitaria molt el camp d'estudi doncs no tindria en compte les interaccions de matèria i energia amb el medi. Així doncs, sempre que es parla de molècules orgàniques o biomolècules es parla de biologia.
D'altra banda, com la biologia no és immutable en el temps també cal tenir en compte aquest factor.
Per tant, la biologia s'encarrega d'estudiar l'origen i evolució de la vida, a més de la seva estructura química i la seva interacció amb el medi.