TEMA 1: Bioelements i biomolècules (i 3)
Apendix
Si la química no és el teu fort, ací tens una pàgina molt senzilla que t'ajudarà a recordar els conceptes més bàsics
Enllaços químics
- Covalents: forts i estables. Uneixen els àtoms que formen part de les biomolècules.
- No covalents : Es tracta d'enllaços febles. La seua funció és la d'estabilitzar les estructures moleculars i intervenir en les reaccions específiques que tenen lloc entre les molècules. En tenim:
* Ponts d'hidrogen
* Enllaços iònics (veure la nota posterior)
* Forces de Van der Waals
* Interacions hidrofòbiques
Enllaç covalent
En aquest tipus d'enllaç, els nuclis de tots dos àtoms resten estretament junts, ja que els seus electrons més externs circulen en orbitals compartits per ambdós àtoms. Això permet els dos àtoms de completar la seua última capa d'electrons. Quan dos o més àtoms formen enllaços covalents amb un altre àtom central, els enllaços establerts s'orienten els uns respecte als altres , segons angles precisos.
Els enllaços dobles són rígids , és a dir , els àtoms no poden girar lliurement al voltant de l'eix de l'enllaç. Com a conseqüència apareixen les formes estereoisòmeres que presenten conformacions espacials diferents, tot i tenir la mateixa fòrmula química
Electronegativitat : És la capacitat d'un àtom d'atraure electrons cap a ell.
F (4,0) --- O (3,5) -- Cl (3) -- N (3) -- C (2,5) -- H (2,1) -- Na (0,9)
(+) major _______________electronegativitat_________________ menor (-)
Tipus d'enllaç covalent
Entre àtoms que tenen una electronegativitat idèntica o semblant. Els electrons es reparteixen uniformement
Es dóna entre àtoms amb diferent electronegativitat: un dels dos àtoms atrau més fortament els electrons. El resultat és la creació d'un dipol, una estructura que té un excés de càrrega negativa (?-) en un extrem i un excés de càrrega positiva (?+) a l'altre extrem
Exemple d'enllaç covalent polar: els enllaços o-H de l'aigua, del que parlarem més endavant. En la molècula del metà (veure més amunt) els enllaços covalents són no polars
* Enllaç no covalent
Es tracta d'enllaços febles (1-5 Kcal/mol) però tenen una gran importància en biologia, ja que són els responsables d'estabilitzar l'estructura tridimensional de les grans molècules biològiques (ex: proteïnes). A temperatura ambient (25ºC), l'energia cinètica mitjana de les molècules és de 0,6 Kcal/mol, per la qual cosa, algunes molècules tenen prou energia per trencar aquest tipus d'enllaços. Així doncs, a temperatura fisiològica (37ºC) els enllaços febles tenen una existència transitòria, tot i que l'elevadíssim nombre d'aquests enllaços que s'estableixen alhora, pot assegurar estructures molt estables.
A) Ponts d'hidrogen
Normalment, un àtom de H tan sols pot formar al mateix temps un enllaç covalent amb un altre àtom; tanmateix, pot formar un enllaç adicional: un pont (enllaç) d'hidrogen és una associació feble entre un àtom electronegatiu (àtom acceptador) i un àtom d’ H unit covalentment a un altre àtom (àtom donador). L'àtom d’H es troba més a prop del donador que no de l'acceptador.
Aquest tipus d'enllaç és el responsable de la conformació tridimensional de proteïnes i àcids nucleics, així com de les propietats de l'aigua. Als sistemes biològics, els grups hidroxil (-OH) i amino (-NH2) són els que més sovint es troben implicats en la formació de ponts d'hidrogen. Aquests grups fan que moltes molècules siguen solubles en aigua.
B) Enllaç iònic (forces electrostàtiques)
Apareix entre molècules orgàniques que presenten grups amb diferent càrrega iònica a la seua superfície. Les càrregues de diferent signe s'atrauen, mentre que hi ha repulsió entre càrregues del mateix signe. L'energia d'enllaç és d'uns 5 Kcal/mol.
Nota: Als sistemes biològics, aquests grups carregats iònicament es troben envoltats de molècules d'aigua, cosa que afebleix la seua força d'atracció. En aquestat sòlid, l'enllaç iònic és considerat com a fort (E=80 Kcal/mol).
C) Forces de Van der Waals
Es tracta d'un enllaç feble (E=1 Kcal/mol), a penes superior a la pròpia energia cinètica de la molècula. Aquesta força es genera en apropar-se dos molècules, a causa de fluctuacions momentànies de la distribució dels electrons (dipols efímers) Existeix una distància òptima d'enllaç per a cada tipus d'àtom. Si hi té lloc un major apropament, apareixen forces de repulsió. Aquest tipus d'enllaç és molt inestable; el gran nombre d'interaccions existents, però, té com a resultat una forta atracció, sobre tot si les dues superfícies encaixen tridimensionalment, com és el cas de les unions enzim-substrat o antígen-anticós.
D) Interacions hidrofòbiques
Les molècules no polars (hidrofobes) no poden hidratar-se ja que no presenten enllaços dipolars ni grups carregats electricament i, per tant, no poden establir unions amb les molècules d'aigua. Són, doncs, insolubles. Els enllaços apolars més comuns són C-C i C-H; aquest tipus d'enllaç feble és generat per aquestes molècules hidròfobes (o les seues parts no polars) en un medi aquós. L'atracció es produeix per defecte; en apropar-se exclouen l'aigua que hi havia entre elles alhora que assoleixen una situació més estable.
A continuació teniu unes imatges que us ajudaran a entendre millor els diferents tipus d'enllaços febles, preses del llibre "Biologia molecular de la cèl·lula" d'Alberts et al.
Grups funcionals dels compostos orgànics
Malgrat l'il·limitat nombre de compostos orgànics diferents que poden existir, l'estudi de les seues propietats físico-químiques pot dur-se a term, d'una manera sistemàtica, a partir dels anomenats radicals orgànics o grups funcionals, conjunt d'àtoms que tenen unes propietats químiques especials i reaccionen en conjunt com un bloc. La presència de determinats grups funcionals a les biomolècules decideix, en gran mesura, la seua activitat biològica, essent de menys importància altres factors com la llargària i forma de la molècula.
Les molècules orgàniques deriven principalment d'unes estructures hidrocarbonades, anomenades hidrocarburs, cadenes lineals o cícliques , formades per carboni i hidrogen, que poden ser saturats (únicament tenen enllaços simples) o insaturats (amb presència d'enllaços dobles o triples)
Hidrocarbur saturat : butà (4C) CH3-CH2-CH2-CH3
Hidrocarbur insaturat: 2 pentè (5C) CH2=CH-CH2-CH2-CH3
PRINCIPALS GRUPS FUNCIONALS
Teniu imatges de tots aquests grups en aquesta pàgina
* Alcohols: S'obtenen de la substitució d'un hidrogen d'un hidrocarbur per un grup hidroxil -OH Exemples: glicerina (polialcohol) (Veure tema 3 )
* Aldehids i cetones. Són compostos orgànics que contenen en les seues molècules el grup carbonil C=O. Els aldehids provenen de la substitució en un carboni primari d'un parell d'hidrògens per un oxigen unit per un doble enllaç (grup carbonil). Ex: el carboni 1 de la glucosa.(Veure tema 3) Les cetones són semblants als aldehids, però l'oxigen és substituït en un carboni secundari). Ex: el carboni 2 de la fructosa.(Veure tema 3)
* Àcids carboxílics R-COOH. Resulten de la substitució en un carboni primari, de dos hidrògens per un oxigen unit per un doble enllaç i d'un tercer hidrogen per un grup hidroxil (-OH). Aquest grup -COOH rep el nom de carboxil.Ex: àcids grassos (Veure tema 4 )
* Esters (R-CO-O-CH2-R'). es formen per la combinació d'un àcid (R-COOH) i un alcohol (R'-CH2OH). Ex: els triglicèrids.(Veure tema 4)
* Amines. (R-NH2). Provenen de la substitució d'un hidrogen d'un hidrocarbur per un radical -NH2. Ex: els aminoàcids de les proteïnes.(Veure tema 5)
* Amides (R-CO-NH-R'). Es formen per la combinació entre un àcid (RCOOH) i una amina (R'-NH2). Ex: un polipèptid.(Veure tema 5)
A més a més ens trobarem amb altre compostos com els anells aromàtics, derivats del benzè com el conegut colesterol (Veure tema 4) i els heterocicles, formats per anells amb carboni i altres elements amb l'oxigen i nitrogen) i que es presenten a les bases nitrogenades dels àcids nucleics (Veure tema 7 )
QÜESTIONS DE REPÀS
1 * Busca el significat de la paraula vida en diferents diccionaris. Compara els resultats. Fes un breu comentari
2 * Comenta els següents textos que parlen de la vida.
a) " Fa quatre mil milions d'anis la Terra era un paradís molecular. Encara no hi havia predadors. Algunes molècules es reproduien d'una manera ineficaç, competien en la recerca de blocs constructius i deixaven còpies bastes d'elles mateixes. L'evolució ja havia començat definitivament, fins i tot al nivell molecular, gràcies a la reproducció, la mutació i l'eliminació selectiva de les varietats menys eficients. A mesura que anava passant el temps aconseguien de reproduir-se millor. Van arribar a unir-se entre elles molècules amb funcions especialitzades i a constituir una espècie de col·lectiu molecular: La primera cèl·lula..."
Carl Sagan. Cosmos.
b) " Els éssers vius som màquines de supervivència, autòmats programats a cegues amb la finalitat de perpetuar l'existència dels gens egoistes que tenim a l'interior de les nostres cèl·lules...".
Richard Dawkins: El gen egoista
3 * Quina diferència hi ha, pel que fa a l'estructura, matèria i organització, entre un animal viu i un altre que acaba de morir ?
4* Explica amb les teues paraules l'esquema dels nivells d'organització de la matèria viva. Si no coneixes el significat d'alguna de les paraules que hi són presents, busca-la en qualsevol diccionari.
5 * Explica les conseqüències del pas a la pluricel·lularitat.
6 * Explica la següent frase:
"L'actual jerarquia de la matèria és el resultat directe i silenciós testimoni del seu propi desenvolupament històric" .
(Paul Weisz)
7 *Explica la taula de percentatges d'aparició dels diferents bioelements que tens als apunts. Caldrà fer algunes senzilles operacions matemàtiques
8* Per què el C és un element majoritari en la composició química de la matèria viva , i no ho és el Si , que és 146 vegades més abundant a l'escorça terrestre
9* Explica amb les teues paraules els criteris van decidir la selecció dels elements químics que formen la matèria viva?
10* Explica els conceptes de dissolució, decantació, filtració, destil·lació
11* Inventa una estructura hidrocarbonatada lineal, ramificada, cíclica; amb enllaços simples, dobles, triples. (No cal fer la més senzilla !)
12 * Dibuixa una fòrmula inventada per tu d'un alcohol, aldehid, cetona, àcid carboxílic, ester i amina (No cal fer la més senzilla, ni copiar de qualsevol libre!)
13 * Repassa al llibre de química els conceptes d'electronegativitat i enllaç químic.
