LLIURAMENT 1: La química del carboni

1. Nivells d'organització

S’anomenen nivells d’organització cadascun dels diferents graus de complexitat en què s’organitza la matèria.

Pel primer bloc de "Biologia I" ens interessen especialment els nivells subatòmic, atòmic i molecular i pel  segon bloc el molecular i cel·lular. Els altres nivells s'estudiaran a Biologia II.

NIVELLS D'ORGANITZACIÓ [Viquipèdia]

NIVELLS D'ORGANITZACIÓ [vegeu l'esquema]

2. L'àtom de carboni i els enllaços covalents

Si descompten l'oxigen i l'hidrogen de l'aigua, el carboni és l'element més abundant als éssers vius.

L'àtom de carboni (C) és el protagonista de la majoria de molècules que formen els éssers vius.

L'aigua és la molècula més important, però la resta de molècules -glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics- dels éssers vius estan formades bàsicament per àtoms de carboni units a àtoms d'hidrogen (H), oxigen (O) o nitrogen (N).

El motiu pel qual és el carboni i no un altre àtom el que està en l'estructura de totes aquestes molècules és que té gran facilitat per establir quatre enllaços covalents amb altres àtoms.

Això és degut a que té 4 electrons a la darrera capa i pot fer enllaços covalents amb altres àtoms:

• poden ser senzills, dobles o triples
• poden fer llargues cadenes lineals o amb ramificacions o en forma d'anell

Però què és un enllaç covalent? A l'enllaç covalent dos àtoms comparteixen un o més electrons per tal de tenir una estructura més estable que és la que s'aconsegueix amb 8 electrons a la darrera capa.

EXEMPLE:

(a) L'àtom d'hidrogen té un electró, per tenir una estructura més estable, n'ha de tenir 2. L'àtom de carboni té 4 electrons a la capa més externa, per a tenir una estructura més estable, n'ha de tenir 8.	(b) L'àtom de carboni comparteix 4 electrons amb 4 àtoms d'hidrogen. Així els àtoms d'hidrogen en tenen 2 cadascun i l'àtom de carboni en té 8	(c) Aquest enllaç el representarem així. Cada "guionet" equival a 2 electrons que es comparteixen: un és de l'àtom de carboni i l'altre és de l'hidrogen.

Podeu comprovar si ho heu entès bé aquí

Llegiu aquests articles per acabar de consolidar aquesta importància del carboni:

• article de l'ABC
  
• ¿PODRÍA EXISTIR VIDA QUE NO ESTÉ BASADA EN EL CARBONO?
• Apunts de la UNED

2.1. La fórmula dels compostos de carboni

Un àtom de carboni es pot enllaçar, mitjançant enllaços covalents, que són molt estables, amb altres àtoms de carboni o d'altres elements.

Pot fer:

• quatre enllaços senzills
• dos enllaços senzills i un doble
• dos enllaços dobles
• un enllaç senzill i un enllaç triple

D'aquesta manera es poden formar molècules:

lineals	ramificades	cicles

Podem escriure les fórmules de diferents maneres:

• MOLECULAR: Mostra el nombre d'àtoms de cada element que hi ha a la molècula
• SEMIDESENVOLUPADA: Mostra només els enllaços entre els àtoms de Carboni
• DESENVOLUPADA: Mostra tots els enllaços entre tots els àtoms de la molècula

Aquí en teniu dos exemples:

3. Grups funcionals

MOLT IMPORTANT: NO HEU DE CONFONDRE GRUP FUNCIONAL AMB FUNCIÓ DE LA MOLÈCULA

4. Classificació de les biomolècules

Les biomolècules són les molècules que formen part dels éssers vius.

Les classifiquem en:

• Biomolècules INORGÀNIQUES:
• l'aigua i les sals minerals. Les estudiarem al 2n lliurament
• Biomolècules ORGÀNIQUES:
• glícids. Les estudiarem en aquest 1r lliurament, però s'amplien a Biologia II.
• lípids. Les estudiarem en aquest 1r lliurament, però s'amplien a Biologia II.
• proteïnes. Les estudiarem al 3r i i 4t lliurament
• àcids nucleics. Els estudiarem al 5è lliurament

5. Els glícids

• Els glícids (o glúcids) són biomolècules formades per carboni, hidrogen i oxigen.
• En tots els glícids sempre hi ha un grup carbonil (un carboni unit a un oxigen mitjançant un doble enllaç) que pot ser un grup aldehid o un grup cetona.
• Hi ha glícids amb funció energètica i altres amb funció estructural. Ho teniu explicat al capítol 7.
  
• Els glícids o glúcids també es coneixen amb altres noms que no són tan adequats:
• hidrats de carboni. Per entendre el motiu d'aquest nom fixeu-vos en la fórmula:
  



• Compteu quants àtoms de carboni hi ha en aquest monosacàrid (glícid senzill)
• Compteu quants hidrògens
• Compteu quants oxígens
• Veieu que la proporció d'H i O és la mateixa que a la molècula d'aigua?
• És per això que es va suposar els monosacàrids eren àtoms de carboni units a molècules d'aigua:
• "carboni hidratat"
• per això es van anomenar hidrats de carboni o carbohidrats
• Però aquest model no és vàlid per a tots els glícids, la seva composició i les seves propietats no corresponguin en absolut amb aquesta definició
• Malgrat que des fa temps se sap que això no és cert, se segueixen utilitzant aquests noms per designar-los

• sucres. Es fa servir aquest nom per a designar als monosacàrids i a alguns disacàrids perquè tenen gust dolç, són blancs i solubles en aigua.
  Però sovint, per exemple a la composició de les etiquetes dels aliments, s'utilitza aquest nom per a tots els glícids en general i no tots tenen aquestes propietats organolèptiques.

• Podem classificar els glícids en:
• MONOSACÀRIDS.
• Els més senzills
  
• Segons el nombre de carbonis que tenen poden ser:
• trioses = 3 C
• tetroses = 4C
• pentoses = 5C
• hexoses = 6C
  
• Són de color blanc, dolços i solubles en aigua
• Exemples: glucosa. Teniu les funcions al capítol 7.
  
• [Els heu de saber reconèixer, tant en la seva representació lineal com cíclica, però no cal que en recordeu els noms concrets. Ho estudiareu a Biologia II. També heu de saber trobar i identificar els grups funcionals].

• DISACÀRIDS.
• Formats per la unió de dos monosacàrids mitjançant un enllaç glicosídic.
  
• [Els heu de saber reconèixer, però no cal que recordeu els noms concrets. També heu de saber localitzar l'enllaç glicosídic i trobar i identificar els grups funcionals]

   

• POLISACÀRIDS.
• Són polímers de molt monosacàrids units mitjançant enllaços glicosídics.
• Exemples: midó, glicogen, cel·lulosa. Teniu les funcions al capítol 7.
  
• [Els heu de saber reconèixer, però no cal que recordeu els noms concrets]

6. Els lípids

• Els lípids comprenen un grup de molècules amb estructures diferents, però que tenen en comú que són insolubles en aigua i solubles en dissolvents orgànics com són l'èter, l'acetona o el cloroform
• Hi ha lípids amb funció energètica i altres amb funció estructural. Ho teniu explicat al capítol 7 (7.1. Estructural  7.3. Energètica)
  
• Els grups principals de lípids són:

+ Àcids grassos

• Són molècules formades per una llarga cadena hidrocarbonada -hidrògens i carbonis- amb un grup carboxil (COOH) a l’extrem.

• Tenen comportament amfipàtic:
• una part de la molècula és hidròfila -soluble en aigua-
  
• una part de la molècula és hidròfoba -insoluble en aigua
• aquest fet fa que siguin molècules molt importants per mantenir l'estructura de les cèl·lules. Ho teniu explicat al capítol 7.1. Estructural d'aquest llibre.
  

CLASSIFICACIÓ

Els àcids grassos poden ser:

• Saturats. Només hi ha enllaços simples entre els carbonis.
• Insaturats. Tenen algun enllaç doble entre els carbonis de la cadena.
• Tenen punt de fusió més baix que els saturats.
• La molècula fa un "colze" on hi ha el doble enllaç

Font de la imatge

+ Fosfolípids

• Tenen una funció estructural molt important ja que formen les membranes de les cèl·lules. Ho teniu explicat al capítol 7.1. Estructural
  
• Són molècules formades per:
• (a) una molècula de tipus bàsic
• (b )grup fosfat
• (c) glicerol
• (d) (e) dos àcids grassos:
• en aquest cas el (d) és saturat i l' (e) és insaturat)
• Les representem amb un "cap" i dues "cues":

• Són molècules amfipàtiques perquè s'hi distingeixen dues zones:
• "cap": hidroflic, es queda en contacte amb l'aigua a la part exterior
  
• "cues": hidrofòbic, es queda a la part interior i no està en contacte amb l'aigua
• Llavors, quan estan en contacte amb l'aigua, es formen aquestes estructures:
  

+ Colesterol

• Reconeixereu la seva molècula perquè té 4 anells
  
• És una molècula amfipàtica:
• el grup hidroxil -OH- és la zona hidròfila -soluble en aigua-
  
• la resta de la molècula és hidròfoba -insoluble en aigua
• Té funció estructural perquè forma part de les membranes de les cèl·lules:
• Es posa entremig de les molècules de fosfolípids i fa que la membrana sigui menys fluida
• Ho teniu explicat al capítol 7.1. Estructural
  
• També és una molècula precursora d'altres molècules com la vitamina D i algunes hormones
  

+ Acilglicèrids

• Són molècules formades per una molècula de glicerol i 1, 2 o 3 molècules d'àcids grassos:
• monoacilglicèrids: si tenen 1 àcid gras
• diacilglicèrids: si tenen 2 àcids grassos
• triacilglicèrids: si tenen 3 àcids grassos
  

      

• Tenen funció energètica, concretament de reserva d'energia. Ho teniu explicat al capítol 7. 7.3. Energètica
• Exemples d'acilglicèrids són l'oli d'oliva, l'oli de gira-sol, la mantega, el llard...
  

7. Funcions de les biomolècules

Les funcions de les biomolècules són:

• funció estructural
• funció reguladora
• funció energètica
• funció portadora d'informació

7.1. Estructural

Fan aquesta funció les molècules que mantenen l'estructura dels éssers vius.

• el diòxid de silici que recobreix externament les diatomees
  

• el carbonat de calci i fosfat de calci de les closques dels mol·luscs i els equinoderms
  

• fan aquesta funció els lípids de membrana, és a dir, els que formen part de les membranes de les cèl·lules
• la membrana de les cèl·lules les aïlla del medi extern i està formada per una doble capa de lípids, els fosfolípids.

• També trobem a les membranes un altre lípid, el colesterol, que es situa entremig dels fosfolípids, fent que la membrana sigui menys fluida:

• fan aquesta funció les proteïnes de membrana, és a dir, les que formen part de les membranes de les cèl·lules
• aquestes proteïnes travessen parcial o totalment la membrana i permeten el transport, el pas de molècules que no poden passar per altres zones que són impermeables
• estudiarem les proteïnes més endavant, però podem avançar que són polímers -molècules complexes- formades per monòmers que, en aquest cas, són els aminoàcids.

• és un polisacàrid format per milers de glucoses enllaçades
• es troba a la paret cel·lular que només tenen les cèl·lules vegetals
• els hi dona molta resistència i per això diem que és funció estructural
• Digestió ( trencament) de la molècula de cel·lulosa:
• els humans no disposem dels enzims necessaris per a digerir la cel·lulosa (també sa'nomena fibra). Amplieu la informació aquí.
• els corcs i els remugants sí que poden digerir-la. Al seu tub digestiu hi tenen microorganismes simbionts que produeixen l'enzim que pot trencar aquest enllaç, d'aquesta manera obtenen glucoses que s'oxidaran alliberant energia que serà recollida pels ATP per portar-la allà on faci falta.

7.2. Reguladora

Totes les reaccions químiques que tenen lloc als organismes formen el metabolisme (vegeu la informació del darrer capítol d'aquest llibre).

Les biomolècules que s'encarreguen de regular tots aquests processos són:

7.2.1. AIGUA:

• té gran poder de dissolució i facilita que les molècules puguin reaccionar entre elles

• quan estan en dissolució, es troben en forma d'ions que són necessaris per algunes reaccions:

• els enzims són el tipus de proteïnes que s'encarreguen d'aquesta funció.
• els estudiarem a fons al 4t lliurament
• són catalitzadors, això vol dir que acceleren les reaccions químiques

7.3. Energètica

• Totes les biomolècules acumulen energia, l'energia que és necessària per sintetitzar-les (vegeu el capítol Metabolisme: anabolisme i catabolisme.
• Però com a exemple més important destaca la glucosa que és la principal font d'energia de moltes cèl·lules.
• Estudiareu aquest procés a Biologia II, però la reacció química global d'obtenció d'energia és la següent:
  C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energia (ATP)
  La glucosa s'oxida i s'obté diòxid de carboni, aigua i energia.
• Aquesta energia obtinguda serà:
• transportada cap als processos que la necessitin
• emmagatzemada fins que calgui
  

• ATP o ADENOSINA TRIFOSFAT
• és un mononucleòtid que estudiarem al lliurament del àcids nucleics
• transporta l'energia des d'on s'emmagatzema i fins on es necessita
• molècula senzilla que conté dos enllaços molt rics en energia i quan es trenquen, aquesta s'allibera (s'ampliarà al 5è lliurament)

7.3.3. MOLÈCULES QUE EMMAGATZEMEN ENERGIA

Aquesta funció la fan:

• TRIACILGLICÈRIDS (del grup dels LÍPIDS): formats per la unió de la glicerina o glicerol i tres àcids grassos. per obtenir l'energia, primer es separa el glicerol i després es van oxidan els àcids grassos (vegeu el capítol del Metabolisme: anabolisme i catabolisme):

• MIDÓ (als vegetals) i GLICOGEN (als animals) , ambdós són polisacàrids del grup dels GLÍCIDS):
• formats per centenars o milers de molècules de glucosa
• per obtenir l'energia, primer es separen les glucoses i després la glucosa s'oxida alliberant energia que serà recollida pels ATP i la portaran allà on es necessiti.
  

7.4. Portadora d'informació

Aquesta funció la duen a terme els àcids nucleics:

• ADN (o DNA): àcid desoxirribonucleic
• ARN (o RNA): àcid ribonucleic

Com a portadores de la informació emmagatzemen la informació de com ha de ser l'estructura i organització dels éssers vius.

Són molècules molt complexes, són polímers i, en aquest cas, els monòmers són els nucleòtids.

8. Monòmers i polímers (aclariment)

Un MONÒMER és una molècula petita que s'uneix a altres monòmers (desenes, centenars, milers...) amb enllaços químics i formen una macromolècula (molècula gran) anomenada POLÍMER.

9. Metabolisme: anabolisme i catabolisme

El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc en un organisme per a mantenir-lo viu.

Aquests processos permeten als organismes créixer i reproduir-se, mantenir les estructures i respondre al seu medi.

El metabolisme es subdivideix en dues categories:

• el catabolisme: s'encarrega de descompondre la matèria orgànica en molècules més senzilles, és un procés que allibera energia

• l'anabolisme: utilitza energia per construir components de les cèl·lules -molècules complexes- a partir de molècules senzilles

Com a resum:

10. Així doncs, què cal saber?

Els continguts principals que haureu d'aprendre en aquest lliurament són:

• Saber descriure i posar exemples dels nivells d'organització: subatòmic, atòmic i molecular
• Entendre perquè és important el carboni en la composició dels organismes
• Saber localitzar i identificar en una molècula els grups funcionals: hidroxil -alcohol-, carbonil -aldehid i cetona-, carboxil -àcid carboxílic, amino i fosfat
• Saber quines són biomolècules inorgàniques i orgàniques.
• Conèixer els tipus de biomolècules orgàniques: glícids, lípids, proteïnes, àcids nucleics
• Saber identificar aquestes biomolècules (de forma genèrica, no noms concrets):
  
• Glícids: monosacàrids, disacàrids, polisacàrids i enllaç glicosídic
• Lípids: àcids grassos (saturats i insaturats), fosfolípids, colesterol, acilglicèrids o greixos
• Interpretar la relació estructura-funció dels glícids i lípids anteriors
  
• Saber quines biomolècules fan les funcions estructural - reguladora - energètica - portadora d’informació als organismes
  
• Entendre què són els monòmers i els polímers pel que fa als glícids, proteïnes i àcids nucleics
• Entendre què és el concepte de metabolisme
• Entendre els conceptes de metabolisme, anabolisme i catabolisme