TEMA 1 Biologia PDF

TEMA 1 Organització dels éssers vius. Els bioelements. Les biomolècules inorgàniques. Inmaculada Martínez Ramos - Departament de Biologia 1. Característiques dels éssers vius La immensa diversitat de formes de vida existents en el nostre planeta presenta una gran coincidència en les se...

TEMA 1 Organització dels éssers vius. Els bioelements. Les biomolècules inorgàniques. Inmaculada Martínez Ramos - Departament de Biologia 1. Característiques dels éssers vius La immensa diversitat de formes de vida existents en el nostre planeta presenta una gran coincidència en les seves característiques bàsiques, la qual cosa constitueix una prova important del seu origen comú. Aquestes característiques comunes dels éssers vius són: Presentar una composició química molt semblant, ja que són formats per les mateixes molècules orgàniques i inorgàniques. Estar formats per cèl·lules, amb una estructura molt organitzada. Alguns organismes són unicel·lulars i altres presenten nivells d’organització superiors com els teixits, òrgans… Fer les 3 funcions vitals: 1. Nutrició: capacitat per aconseguir matèria i energia de l’entorn, transformar-les, incorporar-les a les seves estructures i eliminar les substàncies de rebuig. 2. Relació: capacitat per donar-se conta del que passa al seu voltant i donar una resposta. 3. Reproducció: capacitat de formar nous individus idèntics o similars al/s progenitor/s. Capacitat d’evolucionar: a cada generació apareixen canvis que poden seleccionar-se, passar a la descendència i fer variar les característiques principals d’una espècie. Presència de metabolisme: conjunt de reaccions químiques controlades que ocorren a l’interior d’un organisme. 2. Nivells d’organització de la matèria viva 2. Nivells d’organització de la matèria viva 5. Nivell pluricel·lular  3. Els bioelements: primaris, secundaris i oligoelements Són els elements químics que formen part de la matèria viva. Són uns 70 diferents i també reben el nom d’elements biogènics o bioelements. Aquests elements s’uneixen entre ells mitjançant enllaços per formar biomolècules. Aquests bioelements i les biomolècules també es troben formant el nostre planeta, encara que en proporcions molt diferents. La matèria viva no es va originar a partir dels elements més abundants a la Terra, sinó a partir dels més adequats i disponibles pels éssers vius per formar les estructures i dur a terme les seves funcions. Dos elements molt abundants a la Terra són el Ferro i el Silici, però aquests són minoritaris en la composició dels éssers vius. Passa el contrari amb el carboni, molt abundant a la matèria viva i molt escàs al planeta. Els bioelements es classifiquen en tres grups segons la seva abundància: Bioelements primaris: Són el C, H, O, N, P i S. Constitueixen més del 95% de la matèria viva. Són indispensables per formar les biomolècules orgàniques. CHONPS Bioelements secundaris: Cada un d’ells suposa entre el 0,1% i l’1% del total. Desenvolupen funcions diverses i són indispensables pel funcionament de les cèl·lules. Són: Na, K, Mg, Ca i Cl. KNaCa Oligoelements: Són aquells bioelements que es troben als éssers vius en una proporció menor al 0'1%, encara que són indispensables per a la vida, ja que molts d'ells presenten una funció catalítica (activadors de les reaccions químiques). Els més rellevants són: Fe, Mn, Co, Cu i Zn. CoCuFe  3.1 Els bioelements primaris Són el C, H, O, N, P i S. Constitueixen el 96,3% del cos humà i són indispensables per formar les biomolècules orgàniques. Per això es diu que tenen funció estructural o plàstica. C, H i O (92%): Formen part de totes les biomolècules orgàniques. Nitrogen: Component fonamental de les proteïnes, els àcids nucleics, els nucleòtids i de molts glúcids i lípids. Fòsfor: Forma part dels àcids nucleics, dels fosfolípids de la membrana plasmàtica i d’alguns coenzims de gran importància biològica (NADPH). Permet establir enllaços rics en energia (ATP). Sofre: Es troba en algunes proteïnes, enzims i vitamines de gran importància biològica. Propietats físico-químiques dels bioelements primaris Són relativament abundants en l'atmosfera, la hidrosfera i en grau més baix a la litosfera, allà on es troben els éssers vius. Formen entre ells enllaços covalents, compartint electrons, que donen lloc a estructures molt estables. La química orgànica s'anomena també la química del carboni perquè és aquest element el que forma l’estructura de les molècules orgàniques. L’àtom de carboni És un bioelement fonamental per a la formació de les biomolècules orgàniques. Element no-metàl·lic, de nombre atòmic 6, tetravalent (amb 4 electrons de valència). Forma fàcilment enllaços covalents amb C, H, O, N. Els quatre enllaços covalents que pot formar són dirigits en l’espai cap als quatre vèrtexs d’un tetraedre imaginari. Això li permet formar estructures tridimensionals diferents amb els mateixos àtoms, amb noms i propietats diferents (estereoisòmers). El carboni té quatre electrons a l'últim orbital, el que fa que tingui gran capacitat per a formar enllaços covalents estables amb altres carbonis; els enllaços poden ser simples (C-C) i dobles (C=C). Rarament són triples a la matèria viva. Formen anells o llargues cadenes estables, ramificades o no (macromolècules). El carboni també pot unir-se a altres elements químics creant nous grups funcionals. Per tant, té una gran versatilitat per formar compostos químics diferents. Els compostos formats per C, H, O i N es troben reduïts en diferent grau en els éssers vius. La seva degradació per oxidació (en presència d’O2) els transforma en compostos més senzills, i l'energia alliberada és aprofitada per a fer les funcions vitals. Els àtoms de carboni units entre si poden formar cadenes lineals o cícliques i estan units per enllaços simples o dobles. Formes de reducció i d’oxidació de l’àtom de carboni (de menys oxidat: alcohol, a més oxidat: èster).  3.2 Els bioelements secundaris Són: Na, K, Mg, Ca i Cl. Algunes fonts inclouen el P i el S. En conjunt, formen aproximadament el 3,5% de la matèria viva. Desenvolupen funcions diverses i són indispensables pel funcionament de les cèl·lules i la seva homeòstasi. Ca: forma part de closques i d’esquelets (carbonat i fosfat de calci: CaCO3, CaHPO4); i en forma iònica estabilitza estructures cel·lulars i actua en diversos processos fisiològics, com la contracció muscular, la coagulació de la sang, etc. Mg: forma part de la clorofil·la, actua com a catalitzador a moltes reaccions químiques i també és estabilitzador d’estructures cel·lulars. Na, K, i Cl: intervenen en molts de processos fisiològics, com per exemple la transmissió de l'impuls nerviós, el batec del cor, obertura i tancament d’estomes, etc  3.3 Els oligoelements Quan un element es presenta en proporció molt petita o “traça”, inferior a 0,1%, es diu que és un oligoelement (del grec oligo = escàs). En contra del que pot semblar, són imprescindibles per a la vida malgrat la seva escassa abundància. La seva manca en els éssers vius provoca greus trastorns i fins i tot la mort. Hi ha oligoelements que apareixen en tots els organismes (universals) i són: Mn, Fe, Co, Cu i Zn. Altres oligoelements només estan presents en determinats grups d’organismes: B, F, Si, V, Cr, As, Se, Mo, Sn, I. Funcions d’alguns oligoelements: Manganès Activador de molts enzims. Iode És necessari per a sintetitzar les hormones tiroidals, que regulen el metabolisme. Fluor Forma l'esmalt dentari. Silici Dona resistència a les tiges de les gramínies i al teixit conjuntiu dels animals. Zinc Component de molts enzims diferents, com les ADN i ARN -polimerases. Coure Forma part de l'hemocianina, l'equivalent de l'hemoglobina en alguns invertebrats. Cobalt Forma part de la vitamina B12, necessària per a la síntesi d'hemoglobina. És necessari per a molts microorganismes. Ferro Component de l'hemoglobina, una proteïna que transporta oxigen gràcies a la seva unió al ferro.  4. Les biomolècules. Definició general Són les molècules constituents dels éssers vius, també s’anomenen principis immediats. Es poden extreure de la matèria viva per mètodes físics: trituració, dissolució, filtració, evaporació, decantació, centrifugació... Es classifiquen de la següent manera:  4.1 Biomolècules inorgàniques Les biomolècules inorgàniques són aquelles que podem trobar formant part de la matèria inerta i també dels éssers vius. Són: l'aigua, alguns gasos i les sals minerals. El seu pes molecular sol ser baix.  4.1.1 Biomolècules inorgàniques: l’aigua L'aigua és la biomolècula més abundant en la matèria viva. L’aigua es troba en la matèria viva en tres formes: – Com a aigua circulant; per exemple, a la sang, la limfa o a la saba. – Com a aigua intersticial; entre les cèl·lules de la majoria de teixits. – Com a aigua intracel·lular, formant el citosol i a l’interior dels orgànuls cel·lulars. És el medi on es realitzen les reaccions químiques que formen el metabolisme i a través del qual es transporten els nutrients i altres substàncies. El contingut hídric dels éssers vius varia en funció de l'activitat metabòlica que desenvolupin les seves cèl·lules. Estructura molecular de l’aigua La molècula d'aigua està formada per dos àtoms d'hidrogen units a un àtom d'oxigen mitjançant enllaços covalents. Tot i que la molècula d'aigua és elèctricament neutra, la distribució interna de càrregues no és regular, és asimètrica. L'oxigen és més electronegatiu que l'hidrogen i atreu cap a si els electrons compartits amb l'hidrogen. Aquesta distribució de càrregues provoca que: - L'hidrogen tingui un excés o densitat de càrrega positiva (δ+) - L'oxigen tingui un excés o densitat de càrrega negativa (δ -) Per això l'aigua és una substància polar. La seva molècula es comporta com un dipol, amb un extrem lleugerament positiu i l’altre negatiu. Tot i que la molècula d'aigua és plana, els parells d'electrons de la molècula es disposen formant un tetraedre. Entre els dipols de l’aigua s’estableixen forces d’atracció anomenades ponts d’hidrogen (enllaç feble, explicat a la diapositiva 59). Cada molècula d'aigua pot establir 4 ponts d'hidrogen amb altres molècules d'aigua. Propietats físico-químiques de l’aigua A conseqüència de la seva estructura molecular, l’aigua presenta unes propietats físico-químiques úniques en relació amb altres molècules de la seva mida: 1. Elevada calor específica: És la quantitat d’energia necessària per a elevar 1 °C la temperatura d’1g d’aigua. La calor específica de l’aigua és d'1 cal, valor elevat, ja que implica trencar molts ponts d'hidrogen. 2. Elevada calor de vaporització: Es necessiten 580 cal per a evaporar 1 g d’aigua, cosa que implica també trencar tots els ponts d'hidrogen que mantenen unides les seves molècules. Aquestes dues propietats molt relacionades de l’aigua, la converteixen en un bon estabilitzador tèrmic de l’organisme davant dels canvis bruscos de temperatura de l’ambient. 3. Densitat més elevada en estat líquid que en estat sòlid. La densitat màxima de l'aigua líquida s'obté a 4 °C. A l’aigua líquida, cada molècula pot estar unida a altres 4, 3, 2 o 1. Els ponts d'hidrogen es fan i es desfan contínuament, no són estables. En estat sòlid, cada molècula d'aigua està unida a altres 4, formant una xarxa fixa que ocupa més espai que la mateixa quantitat de molècules en estat líquid. Per tant, el gel (fase sòlida de l’aigua) és menys dens que l'aigua líquida. Aquesta és una propietat que no passa a altres substàncies semblants a l’aigua. Es diu que és una propietat anòmala de l’aigua (i molt rellevant!). Això explica, per exemple, el fet que el gel sura dins l'aigua, i què en zones polars i en llacs d’alta muntanya formi una capa superficial termoaïllant que permet la vida a l’aigua de sota. Si el gel fos més dens que l'aigua, es congelaria tota l'aigua fins al fons, impossibilitant la vida aquàtica. Aigua en estat sòlid Aigua en estat líquid 4. Constant dielèctrica elevada: Pel fet de tenir les molècules dipolars, l’aigua és un gran dissolvent de compostos iònics, com les sals minerals, i de compostos neutres polars, com els glúcids, alcohols, moltes proteïnes, vitamines, etc. a - Dissol els compostos iònics; les regions de l’aigua amb densitat de càrrega negativa (δ-) interaccionen amb els cations; i les regions amb densitat de càrrega positiva (δ+) ho fan amb els anions. Així, els ions queden envoltats per molècules d'aigua formant una capa d’hidratació. b - Dissol els compostos polars; els ponts d'hidrogen entre l’aigua i la molècula polar formen una capa d’hidratació al voltant d’aquesta i causen la seva dissolució. Els soluts poden canviar també algunes propietats de l'aigua. Aquesta capacitat dissolvent de l’aigua i la seva abundància en el medi natural expliquen que sigui el vehicle de transport habitual i el medi on es produeixen totes les reaccions químiques en els organismes. Diem que és el dissolvent universal. a- Dissolució de substàncies iòniques: formació de la capa d'hidratació. b- L'aigua també dissol molècules polars. La urea, per exemple, és un compost polar, per tant, les molècules de l'aigua s'orienten per formar ponts d'hidrogen al seu voltant, es forma una capa d'hidratació, i la dissolen. 5. Elevada força de cohesió interna entre les molècules d'aigua. Aquesta elevada cohesió interna és deguda als ponts d’hidrogen que mantenen les Xeringa molècules fortament unides, i pot explicar: Capil·lar Paper a) Que l’aigua sigui un líquid gairebé incompressible i que doni volum i turgència als éssers vius. b) Que faciliti l’ascens per capil·laritat i els fenòmens relacionats (ascens de la saba bruta, etc.). c) Que tingui una elevada tensió superficial: la seva superfície oposa una gran resistència a trencar-se, i permet que molts organismes visquin associats a aquesta pel·lícula superficial. 6. Baix grau de dissociació de l'aigua. Per això en condicions normals la concentració d’ions H3O+ (o H+) i OH- és molt baixa, d’1 molècula de cada 107. Si s’afegeix un àcid o una base, encara que sigui en poca quantitat, aquests nivells varien bruscament, fent pujar el grau d’acidesa o d’alcalinitat del conjunt. El pH d’un medi líquid es defineix així: pH = - log (H+) En el cas de l’aigua pura: pH = - log (107) = 7 Per això, els valors de pH oscil·len entre 0 i 14, i 7 és el valor de la neutralitat química d’un medi aquós. Llimona Llet Aigua Lleixiu Funcions biològiques de l’aigua 1. És el dissolvent universal en els éssers vius: L’aigua és bàsica per a la vida, forma els líquids del medi intern i gairebé totes les reaccions biològiques tenen lloc en el medi aquós. 2. Agent transportador: L’aigua és el mitjà de transport de totes les substàncies tant per l’interior dels organismes com en el seu intercanvi amb el medi extern. 3. Estructural: El volum i la forma de les cèl·lules es mantenen gràcies a la pressió que exerceix l’aigua interna. Quan les cèl·lules perden aigua, perden la turgència natural, s’arruguen i fins i tot es poden trencar (hemòlisi). 4. Lubricant i amortidora de friccions: Per exemple en els vertebrats, les càmeres de líquid sinovial a les articulacions eviten el fregament entre ossos i cartílags. En general, l’aigua actua evitant la fricció entre els diferents òrgans i teixits. 5. Termoreguladora: A causa de la seva elevada calor específica i a la seva elevada calor de vaporització, l’aigua és un bon refrigerant. L’evaporació de la suor, per exemple, refreda l’interior del cos. 6. Vehicle d’excreció: Facilita l’excreció de les substàncies procedents del metabolisme o de la ingesta que podrien resultar tòxiques per a l’organisme: amoníac, urea, àcid úric, etc. 7. Reaccions químiques d’hidròlisi: L’aigua intervé en nombroses reaccions químiques, per exemple, en la hidròlisi (ruptura d’enllaços amb la intervenció de l’aigua) que es dona durant la digestió dels aliments, o bé com a font d’H+ i d’electrons en la fotosíntesi, etc.  4.1.2 Biomolècules inorgàniques: sals minerals Les sals minerals es poden trobar en els éssers vius en tres formes: - Precipitades: constitueixen estructures sòlides insolubles. Formen els esquelets dels vertebrats i les closques d’alguns grups d’invertebrats. - Dissoltes: en forma d’anions i cations. Els més importants són: Cations: Na+, K+, Ca2+ i Mg2+ Anions: Cl-, SO42-, HPO42-, HCO3- i NO3- Intervenen en nombroses reaccions del metabolisme i ajuden a regular el pH i l'equilibri osmòtic. - Associades a substàncies orgàniques: se solen trobar formant proteïnes (fosfoproteïnes); formant lípids (fosfolípids), també glúcids, com l’agar o unit a àcids nucleics com ATP, ADN… Funcions de les sals minerals Les funcions principals de les sals minerals són: a) Forma estructures esquelètiques: Formen tant exoesquelets com endoesquelets (carbonat càlcic, fosfat càlcic, etc.). b) Regulació dels fenòmens osmòtics. c) Regulació del pH: Sistemes tampó o amortidors pH.  a)- Forma estructures esquelètiques. Closques de mol·luscs o esquelets d’equinoderms formats per CaCO3 Valves de diatomees formades per sílice (SiO2) Ossos dels vertebrats formats principalment per CaHPO4  Regulació de fenòmens osmòtics La membrana citoplasmàtica és una membrana semipermeable i dona lloc a tres situacions diferents segons com siguin les concentracions de soluts dels medis extern i intern, i la pressió osmòtica que ha de suportar la membrana. a) Si els dos medis són isotònics, és a dir, tenen la mateixa concentració, el pas d’aigua està equilibrat i la cèl·lula no es deforma. b) Si el medi extern és hipotònic (menys concentrat), la cèl·lula s’infla perquè hi entra aigua. Aquest fenomen s’anomena turgescència. c) Si el medi extern és hipertònic (més concentrat), la cèl·lula perd aigua i s’arrua, així té lloc un fenomen de deshidratació que pot acabar en la ruptura de la membrana (lisi) Fenòmens osmòtics a la cèl·lula animal: eritròcits - En medi hipertònic, la cèl·lula perd aigua i es contrau. Pot morir per crenació. - En medi hipotònic, la cèl·lula s’infla i pot rebentar (lisi cel·lular o hemòlisi) Fenòmens osmòtics a la cèl·lula vegetal. - Al medi hipertònic, el vacúol perd aigua i el citoplasma es contrau, la membrana plasmàtica se separa de la paret (plasmòlisi). - Al medi hipotònic, la cèl·lula experimenta turgescència, però no arriba a rebentar gràcies a l’oposició que fa la paret.  Regulació del pH. A les cèl·lules es produeixen contínuament substàncies àcides o bàsiques que poden modificar els valors de pH normals. Aquestes fluctuacions del pH poden alterar l’estructura de moltes biomolècules i impedir el desenvolupament correcte de moltes reaccions químiques. Per a compensar aquestes variacions del pH, els organismes han desenvolupat els sistemes tampó o amortidors de pH, formats per un àcid dèbil i una base conjugada. Els tampons més comuns en els éssers vius són el tampó bicarbonat i el tampó fosfat. Tampó bicarbonat: El bicarbonat manté el pH en el medi extracel·lular a 7,4. Tampó fosfat: Es troba als líquids intracel·lulars i manté el pH a 6,8. Acció amortidora del pH del tampó bicarbonat a la sang.  4.2 Biomolècules orgàniques. Conceptes generals. 4.2.1 Construcció de les biomolècules orgàniques. Les biomolècules orgàniques estan estructurades a partir de cadenes hidrocarbonades: amb els àtoms de C units entre si amb enllaços covalents formant la bastida, al voltant dels quals es disposen àtoms d’H. Les biomolècules orgàniques poden presentar formes lineals o bé cícliques, ramificades o no. Les posicions dels H poden ser ocupades també per grups d’àtoms característics (grups funcionals) que proporcionen a les molècules les seves propietats físiques i químiques. Principals grups funcionals: Les molècules orgàniques més senzilles poden unir-se a través d’enllaços covalents característics per formar macromolècules d’elevat pes molecular (PM). 4.2.2 Les dispersions col·loidals. En els teixits i a l’interior de les cèl·lules, l’aigua sempre actua com a dissolvent (és la fase dispersant), i les altres biomolècules solubles són els soluts (o fase dispersa). Els soluts de mida petita o mitjana formen dissolucions vertaderes, però la majoria de biomolècules orgàniques són de gran mida, entre 2 x 10-5 i 10-7 cm, i formen dispersions col·loidals. Segons les condicions ambientals, el nivell d’agregació d’aquests soluts grans pot variar, i les dispersions col·loidals es poden presentar en dos estats reversibles: Estat de sol (o estat líquid fluid) Estat de gel (gelatinós o semipastós, com la gelatina) Propietats de les dispersions col·loidals 1- Elevada viscositat: és la resistència interna que presenta un líquid al moviment relatiu de les seves molècules. Les dispersions col·loidals són molt viscoses perquè les seves molècules són molt grans. 2- Elevat poder d’adsorció: És l’adhesió de les molècules d’un fluid a una superfície sense penetrar-la. No s’ha de confondre amb l’absorció, que és la penetració de la superfície. 3- Capacitat de sedimentació: Les dispersions col·loidals són estables en condicions normals, però si se sotmeten a forts camps gravitatoris, es pot aconseguir que sedimentin les seves partícules. Això és el que passa quan una mostra se sotmet a una ultracentrifugació. 4- Diàlisi. És la separació de les partícules disperses d’elevat pes molecular (col·loides) de les de baix pes molecular (cristal·loides) gràcies a una membrana dialítica que tan sols deixa passar les molècules petites (aigua i petits soluts), però no les grans. Una aplicació clínica és l’hemodiàlisi, que és la separació de la urea de la sang en pacients amb deficiència renal gràcies al filtratge de tota la seva sang a través de membranes dialítiques. 5- Efecte Tyndall. Les dispersions col·loidals, igual que les dissolucions veritables, són transparents i clares. Però si s’il·luminen lateralment i sobre fons fosc, s’hi observa una certa opalescència provocada per la reflexió dels raigs de llum. És una cosa semblant al que passa quan un raig de llum lateral il·lumina un bosc o la pols d’una habitació que està en penombra. Si la il·luminació és frontal, la pols ja no resulta apreciable. 4.2.3 Enllaç químic i forces intermoleculars. Els àtoms que formen les biomolècules orgàniques s’uneixen a través d’enllaços covalents. Entre aquestes molècules s’estableixen forces d’interacció degudes a atraccions/repulsions electroestàtiques. Aquestes forces intermoleculars són: a) Pont d’hidrogen. (diapositiva següent) b) Forces de Van der Waals. Forces d’atracció entre molècules polars. Algunes molècules no polars poden esdevenir dipols instantanis i establir interaccions curtes, que es diuen forces de London. c) Interaccions hidrofòbiques. Forces d’atracció mútua entre molècules apolars hidrofòbiques quan es troben en contacte amb l’aigua. Pont d’hidrogen, exemples Aquest enllaç feble es produeix entre un àtom d’hidrogen que es troba unit a un àtom electronegatiu per enllaç covalent, i un altre àtom electronegatiu d’una molècula propera que l’atreu. El pont d’hidrogen és més fort quan els tres àtoms estan en línia recta. És més fort que les forces de Van der Waals, però més feble que l’enllaç covalent o el iònic. Ja s’han vist els ponts d’hidrogen en el cas de l’aigua, però també són molt importants en proteïnes i àcids nucleics. Exemples de grups polars, apolars i de molècules amfipàtiques. - En color blau: grups funcionals que poden establir ponts d’hidrogen o forces de Van der Waals amb altres molècules. - En color groc: zones moleculars apolars, poden establir interaccions hidrofòbiques amb altres molècules també apolars. Les molècules amfipàtiques tenen les dues capacitats a la vegada. 4.2.4 Evolució molecular Etapes del procés d'evolució química de les molècules orgàniques fins a arribar a les actuals, més complexes, com el DNA. Experiència feta a 1953 per Stanley Miller per sintetitzar algunes molècules orgàniques a partir de les molècules inorgàniques que se suposa que formaven l'atmosfera primitiva sense oxigen. Estromatòlits, roques que en l'actualitat es formen a Austràlia a causa de l’activitat de cianobacteris. També es varen formar fa 3.500 milions d'anys. Són les restes fòssils més antigues mai trobades, i ens permeten datar l’origen de la vida sobre la Terra. Fi del tema 1