QUINA ÉS LA COMPOSICIÓ QUÍMICA DELS ÉSSERS VIUS? - BIOLOGIA - 2025

La composició química dels éssers vius es basa en molècules orgàniques i alguns elements inorgànics, més o menys en les mateixes proporcions i que exerceixen funcions similars en tots ells.

Els organismes vius estan compostos per cèl·lules i aquestes cèl·lules presenten diferents graus de complexitat en la seva organització. Algunes són relativament senzilles, com els bacteris, i altres es caracteritzen per patrons d'organització més complexos, amb molts més elements en la seva organització interna, tal com és el cas de la major part de les cèl·lules eucariotes.

Fotografia de «oblako3011» a www.pixabay.com

Els elements estructurals de la matèria viva estan conformats per biomolècules i els constituents principals de la major part d'aquestes biomolècules són, en el cas de l'ésser humà, per exemple, carboni (50%), oxigen (20%), hidrogen (10%), nitrogen (8.5%), calci (4%) i fòsfor (2.5%) (tots valors relatius a l'pes sec).

Aquests sis elements representen aproximadament el 95% de l'total de la composició de la matèria orgànica, el 5% restant correspon a altres elements com ara: potassi, sofre, sodi, clor, magnesi, ferro, manganès i iode.

Cal destacar que la major part de la composició dels organismes (més de l'60% de l'pes corporal) és aigua en estat líquid, que és un element fonamental per a la vida ja que en ell es troben immerses tant les estructures intracel·lulars com les cèl·lules mateixes.

Aquest mitjà líquid els aporta a les cèl·lules les condicions necessàries més importants i en ell es desenvolupen totes les reaccions bioquímiques rellevants per a la supervivència.

Composició química dels éssers vius

- Biomolècules complexes

Diversos dels elements principals que entren en la composició de la matèria viva es combinen en proporcions diverses per formar diferents conjunts de molècules orgàniques petites, que serveixen al seu torn com a elements estructurals per a la formació de biomolècules més complexes.

La relació entre aquests elements estructurals i les biomolècules complexes principals dels organismes és com segueix:

- desoxirribonucleótidos i àcid desoxiribonucleic (ADN)

- ribonucleòtids i àcid ribonucleic (ARN)

- Aminoàcids i proteïnes

- Monosacàrids i polisacàrids

- Àcids grassos i lípids

Desoxirribonucleótidos i àcid desoxiribonucleic

L'àcid desoxiribonucleic o ADN conté la informació hereditària de tots els éssers vius, procariotes i eucariotes. Aquesta important biomolècula, a més, determina les principals característiques d'una cèl·lula, tant des del punt de vista morfològic com metabòlic, estructural i del seu desenvolupament.

L'ADN codifica la informació necessària per a la síntesi proteica, així com també la que es requereix per sintetitzar l'ARN, que és una altra important molècula orgànica necessària per a la síntesi i el control de molts processos cel·lulars.

És un polímer compost per dos brins de subunitats denominades nucleòtids, les estructures estan formades per una molècula de desoxirribosa (un monosacàrid de 5 àtoms de carboni), un o més grups fosfat i una base nitrogenada d'un o dos anells (purina o pirimidina, respectivament).

Les bases púriques de l'ADN són l'adenina (A) i la guanina (G), mentre que les bases pirimidíniques són la timina (T) i la citosina (C).

Linealment, els nucleòtids d'una mateixa cadena d'ADN s'uneixen uns amb els altres a través d'enllaços fosfodiéster, que consisteixen en els grups fosfat i els sucres als quals aquests estan units covalentment.

Les bases presents en una de les fibres s'uneixen complementàriament amb les que es troben enfrontades a aquestes en l'altre bri mitjançant ponts d'hidrogen, sempre de la mateixa manera: l'adenina amb la timina (AT) i la guanina amb la citosina (GC).

Diferents bases nitrogenades en l'ADN i l'ARN.

Font User: Sponktranslation: User: Jcfidy

Ribonucleòtids i àcid ribonucleic

Així com l'ADN, l'àcid ribonucleic és una biomolècula i és la que s'encarrega de l'procés d'unió dels aminoàcids que conformen a les proteïnes, així com en altres processos més complexos de regulació i control de l'expressió gènica.

És també un biopolímer, però els nucleòtids que el formen reben el nom de ribonucleòtids, ja que el monosacàrid que els estructura no és una desoxiribosa, com en l'ADN, sinó una ribosa. També posseeixen un o més grups fosfat i les seves bases nitrogenades difereixen respecte a les de l'ADN en què no està present la guanina, sinó l'uracil (U).

Aminoàcids i proteïnes

Les proteïnes són biomolècules que poden arribar diferents graus de complexitat i són significativament versàtils pel que fa a estructura i funció. Aquestes no només donen estructura i forma a les cèl·lules, sinó que també poden tenir activitats que permeten el desenvolupament ràpid de reaccions bioquímiques essencials (els enzims).

Sigui quin sigui el tipus de proteïna que es parli, totes estan formades per uns "blocs" bàsics anomenats aminoàcids, que són molècules que posseeixen un àtom de carboni "asimètric" unit a un grup amino (-NH2), a un grup carboxil (-COOH), a un àtom d'hidrogen (-H) ia un grup R que els diferencia.

Representació gràfica de l'estructura d'una proteïna ribosomal (Font: Jawahar Swaminathan and MSD staff at the European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Els aminoàcids més comuns en la naturalesa són 20 i es classifiquen respecte a la identitat de el grup R; aquests són:

- asparagina, glutamina, tirosina, serina, treonina (els polars)

- àcid aspàrtic, àcid glutàmic, arginina, lisina, histidina (els que tenen càrrega) i

- glicina, alanina, valina, leucina, isoleucina, triptòfan, prolina, cisteïna, metionina i fenilalanina (els apolars).

Un cop l'ADN és traduït a una molècula d'ARN, cada triplet de nucleòtids representa un codi que li indica a l'estructura que sintetitza les proteïnes (els ribosomes) quin tipus d'aminoàcid ha d'incorporar a la cadena peptídica en creixement.

Els polipèptids que formen les proteïnes es produeixen, llavors, gràcies a la unió entre els seus aminoàcids, que consisteix en l'establiment d'un enllaç peptídic entre el carboni de el grup carboxil d'un aminoàcid i el nitrogen de el grup amino de l'aminoàcid adjacent.

Monosacàrids i polisacàrids

Els carbohidrats són de les biomolècules més abundants en els éssers vius. Compleixen funcions bàsiques com a elements estructurals, nutricionals, senyalitzadors, etc. Estan formades per complexos químics de carboni, hidrogen i oxigen en diferents proporcions.

Les plantes són dels principals éssers vius productors naturals de carbohidrats i la major part dels animals depenen d'aquests per subsistir, ja que d'aquests extreuen energia, aigua i carboni.

La cel·lulosa, un biopolímer estructural (Font: Vicente Net via Wikimedia Commons)

Els carbohidrats estructurals dels vegetals (cel·lulosa, lignina, etc.), així com els de reserva de les plantes (midó) i de molts animals (glucogen), són polisacàrids més o menys complexos que consisteixen en polímers d'unitats de sucres simples o monosacàrids (principalment glucosa).

Àcids grassos i lípids

Els lípids són compostos insolubles en aigua que constitueixen la substància fonamental de les membranes biològiques, elementals des del punt de vista funcional i estructural de totes les cèl·lules vives.

Són molècules anfipáticas, és a dir, molècules que tenen un extrem hidrofílic i un altre hidrofòbic. Estan formats per cadenes d'àcids grassos unides a un esquelet carbonat, generalment glicerol, el tercer àtom de carboni "lliure" està unit a un substituent particular que li dóna la identitat a cada molècula.

Alguns dels lípids més comuns (Font: The original uploader was Lmaps at English Wikipedia. Via Wikimedia Commons)

Els àcids grassos són hidrocarburs, és a dir, compostos únicament per àtoms de carboni i hidrogen units entre si.

L'associació de múltiples lípids en forma de bicapa és la que fa possible la formació d'una membrana i les característiques d'hidrofobicitat d'aquesta estructura, així com la presència de proteïnes integrals i perifèriques, fan d'aquesta una estructura semipermeable.

- Aigua

Fotografia de José Manuel Suárez, via Wikimedia Commons

L'aigua (H2O) és un dels elements químics més importants per als éssers vius i les cèl·lules que els conformen. Gran part de l'pes corporal dels animals i de les plantes està format per aquest líquid incolor.

Per mitjà de la fotosíntesi que realitzen les plantes, l'aigua és la principal font de l'oxigen que respiren els animals i també dels àtoms d'hidrogen que formen part dels compostos orgànics.

És considerada com el solvent universal i les seves propietats la fan especialment important per al desenvolupament de virtualment totes les reaccions bioquímiques que caracteritzen els organismes vius.

Si es contempla des del punt de vista cel·lular, l'aigua està dividida en "compartiments":

• L'espai intracel·lular, on el citosol està format per aigua amb altres substàncies barrejades, fluït en el qual estan suspesos els orgànuls de les cèl·lules eucariotes.
• L'espai extracel·lular, que consisteix en el medi que envolta les cèl·lules, bé sigui en un teixit o en un ambient natural (organismes unicel·lulars).

- Ions

Gran part dels elements químics en les cèl·lules es troba en forma de les biomolècules esmentades anteriorment i de moltes altres omeses en aquest text. No obstant això, altres elements químics importants es troben en forma d'ions.

Les membranes cel·lulars són, generalment, impermeables als ions dissolts en el medi intern o extern de les cèl·lules, de manera que aquests poden entrar o sortir d'aquestes a través de transportadors o canals especials.

La concentració iònica de l'medi extracel·lular o de l'citosol influeix sobre les característiques osmòtiques i elèctriques de les cèl·lules, així com en diferents processos de senyalització cel·lular que depenen d'aquests.

Entre els ions més importants per als teixits animals i vegetals es troben el calci, el potassi i el sodi, el clor i el magnesi.

referències

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002. The Chemical Components of a Cell. Disponible from: ncbi.nlm.nih.gov
2. Gladyshev, GP, Kitaeva, DK, & Ovcharenko, A (1996). Why does the chemical composition of living things adapt to the environment? Journal of Biological Systems, 4 (04), 555-564.
3. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, PA, & Rodwell, VW (2014). Harper 's illustrated biochemistry. Mcgraw-hill.
4. Nelson, DL, Lehninger, A EL, & Cox, MM (2008). Lehninger principles of biochemistry. Macmillan.
5. Prescher, JA, & Bertozzi, CR (2005). Chemistry in living systems. Nature chemical biology, 1 (1), 13-21.
6. Solomon, EP, Berg, LR, & Martin, DW (2011). Biology (9th edn). Brooks / Cole, Cengage Learning: USA.