Molekulen arteko indarrak eta biomolekulak: ezaugarriak, ura eta gluzidoak

1.4. Molekulen arteko indarrak

Van der Waals-en indarrak

Sakabanatze-indarrak: dipolo iraunkorrik gabeko molekulen artean sortzen diren une batean dipolo induzituak.

Dipolo-dipolo indarrak: dipolo iraunkorren karga partzialen arteko erakarpen elektrostatikoak.

Hidrogeno-zubiak: erakarpen dipolo-dipolo berezia eta sendoa; H atomo baten eta oso atomo elektronegatibo eta txikien (O, N, F) artean gertatzen da.

2. Biomolekulak

2.1. Ezaugarri orokorrak

Bioelementuak izaki bizidunetan dauden elementu kimikoak dira. Ezagutzen diren elementu kimiko guztietatik, gutxi gorabehera 70 daude izaki bizidunetan, baina 25 inguru baino ez dira izaki bizidun guztietan aurkitzen. Bioelementu horiek elkartuta izaki bizidunen molekulak sortzen dira, hau da, biomolekulak.

2.2. Lehen mailako bioelementuak

Biomolekulak osatzen dituzten elementu nagusiak C, H, O, N, P eta S dira. Horien artean, karbonoa (C) oso garrantzitsua da, tetrabalentea baita, hau da, lau lotura kobalente sendo egiteko gai da, eta horri esker kate luzeak, adarkatuak edo ziklikoak sor ditzake. Beste elementuek ere funtzio garrantzitsuak dituzte: oxigenoak (O) erredox erreakzioetan parte hartzen du, nitrogenoak (N) proteinak eta azido nukleikoak osatzen ditu, fosforoak (P) ATPn eta fosfolipidoetan dago, eta sufreak (S) proteinetako disulfuro-zubiak eratzen laguntzen du.

2.3. Bigarren mailako bioelementuak

Na+, K+, Mg2+, Ca2+ eta Cl- dira. Gorputzean funtzio garrantzitsuak betetzen dituzte, hala nola nerbio-bulkadaren transmisioa, muskuluen uzkurdura eta oreka osmotikoa mantentzea.

2.4. Oligoelementuak

Oligoelementuak izaki bizidunetan oso kantitate txikitan agertzen diren baina organismoaren funtzionamendurako ezinbestekoak diren elementu kimikoak dira. Askok biomolekulen osagai edo erreakzio kimikoen katalizatzaile gisa jarduten dute. Adibidez, Fe-k O₂ garraiatzen laguntzen du, Cu eta Zn kofaktoreak dira, eta I-ak hormona tiroideen sintesian parte hartzen du. Oso gutxi edo gehiegi izatea kaltegarria izan daiteke.

Karbonoaren ezaugarriak

Tamaina txikia du eta azken geruzan 4 elektroi ditu; beraz, beste 4 atomorekin lotura kobalentea sortzeko aukera dauka. Horrek egonkortasuna ematen die molekulei. Egitura tetraedrikoak sortzen ditu. Molekula bakoitza hiru dimentsioko egitura da; talde funtzionalak eratu eta talde funtzionalekin erreakzionatu daitezke. Karbono atomoak lotura bakunak, bikoitzak edo hirukoitzak sor ditzake. Kateak eratzen ditu: kate adarkatuak, linealak eta ziklikoak.

3. Biomolekulak eta konposatu ez-organikoak

Biomolekula organikoak: izaki bizidunek sortzen dituzte bioelementuak konbinatuz. Kate hidrokarbonatuak eratzen dituzte.

Konposatu ez-organikoak: materia bizian zein bizigabeetan aurkitzen dira (ura, gatz mineralak, gas batzuk). Egitura kimiko sinplea dute.

3.1. Biomolekula organikoen ezaugarriak

Lau mota daude: gluzidoak, lipidoak, proteinak eta azido nukleikoak. Lehen mailako bioelementuz osatuta daude gehienbat (eta bigarren mailakoak eta oligoelementuak ere badituzte). Oinarri kimikoa C da, molekularen hezurdura osatzen duena. Tamaina eta konplexutasun handiko makromolekulak dira, eta askok polimeroak osatzen dituzte (lipidoak izan ezik). Adibidez, aminoazidoak proteinen monomeroak dira, nukleotidoak azido nukleikoen monomeroak, eta glukosa gluzidoen monomeroa. Egitura tridimentsionala dute eta, gehienetan, funtzio biologikorako funtsezkoak dira. Aldakortasun molekular handia dute, monomeroen konbinazioagatik eta C-ak beste elementuekin lotura ugari egiteko duen ahalmenagatik. Funtzio-talde ezberdinak eratzen dituzte, eta propietate horiek erreakzio kimiko anitzetan parte hartzea ahalbidetzen dute.

Isomeroak: formula molekular bera duten molekulak, baina antolaketa ezberdinarekin. Zelulentzat oso garrantzitsuak dira; substantzia baten isomeroetako bat baita forma biologikoki aktibo bakarra. Adibidez: glukosa (karbonilo aldehidoa du) eta fruktosa (karbonilo zetona).

5.2. Gatz disolbatuak

1. Tanpoi-sistemak: pH-aren aldaketak kontrolatzen dituzte eta oreka osmotikoari eusten diote.
2. Prozesu fisiologikoak: entzimen aktibazioan, nerbio-bulkadan, muskulu-uzkurduran eta mintz-potentzialaren eraketan parte hartzen dute.

4. Ura

4.1. Uraren egitura

Ur molekulak portaera bitxia du, eta horrek urari propietate fisiko-kimiko bereziak ematen dizkio. Oso erreaktiboa da, eta horregatik urak garrantzi biologiko handia du.

Oxigeno atomo bat eta bi hidrogeno atomo lotura kobalenteen bidez lotuta daude, 104,5º-ko angeluan antolatuta. Molekulak karga neutroa du (protoi eta elektroi kopuru bera), baina izaera dipolarra: oxigenoa elektronegatiboagoa da eta elektroiak indar handiagoz erakartzen ditu, karga-dentsitate negatiboa (δ⁻) eratuz O-ren inguruan, eta karga-dentsitate positiboa (δ⁺) H-en inguruan. Ondorioz, dipolo moduan jokatzen du, eta hidrogeno-zubiak sor ditzake beste molekulekin. Horrek egitura erretikularra ematen dio urari, eta likido egoera ahalbidetzen du.

Lotura ahulak dira, baina masa molekular handiagoko multzoak eratu ditzakete: ur molekula bakoitza beste lau ur molekularekin hidrogeno-zubien bidez inguratuta dago, likido zein solido egoeran. Horrela, barne-kohesio handiko sare-egitura garatzen da, eta horrek urari propietate bereziak ematen dizkio. Beste substantzia polar batzuekin ere hidrogeno-zubiak eratzen ditu.

4.2. Ur molekularen propietateak

• Disolbatzaile ahalmen handia: uraren polaritateari esker, substantzia polar eta ioi asko disolbatzen ditu. Hidrofiloak urarekin erraz nahasten dira; hidrofoboak, berriz, ura baztertzen dute.
• Bero espezifiko altua: tenperatura-aldaketak murrizten ditu, bero asko xurgatu edo askatu dezakeelako.
• Kohesio-indar handia: hidrogeno-zubiek ur molekulak elkartuta mantentzen dituzte eta gainazal-tentsio handia sortzen dute.
• Lurruntze- eta urtze-bero altua: egoera aldatzeko, hidrogeno-zubiak hautsi behar dira, eta horretarako energia asko behar da.
• Atxikidura-indar handia: urak beste molekula polarrei itsatsi ohi zaizkie. Kohesioarekin batera, kapilaritatea ahalbidetzen du.
• Gardentasun nabarmena: argiak uretan zehar igarotzea ahalbidetzen du, eta horri esker organismo fotosintetikoak bizi daitezke.
• Ezohiko dilatazioa: izotzak ur likidoa baino dentsitate txikiagoa du, eta, horregatik, flotatu egiten du. Horrela, ur azpian bizia mantentzen da.

4.3. Uraren garrantzia izaki bizidunentzat

• Garraio-funtzioa: substantziak organismoan zehar garraiatzen ditu, disolbatzaile ona baita.
• Funtzio metabolikoa: metabolismoko erreakzio kimiko gehienak ur-ingurunean gertatzen dira.
• Termoerregulazio-funtzioa: tenperatura-aldaketetatik babesten du eta gorputzaren tenperatura erregulatzen laguntzen du.
• Hozte-funtzioa: uraren lurruntzeak beroa kentzen du eta organismoa hozten du, adibidez izerdiaren bidez.
• Egitura-funtzioa: zelulei bolumena ematen die eta egitura mantentzen laguntzen du.
• Indargetze-funtzioa: marruskadura murrizten du eta organoak eta artikulazioak lubrifikatzen laguntzen du.
• Kapilaritatea: kohesio eta atxikidura indarrei esker, ura sustraietatik hostoetara igotzen da.
• Funtzio bero-isolatzailea: izotzak flotatu egiten du eta azpiko ur likidoa babesten du; horrela, uretako bizia mantentzen da.
• Fotosintesia uretan: uraren gardentasunari esker, argia ur azpira sartzen da eta organismo fotosintetikoak bizi daitezke.

5. Gatz mineralak

Konposatu ez-organikoak dira, eta bizidunetan era askotako funtzioak betetzen dituzte. Solido egoeran edo uretan disolbatuta aurkitzen dira; gatz mineralen ioiak beste konposatu batzuei lotuta ere egon daitezke.

5.1. Gatz mineralak solido egoeran

Funtzio eskeletikoa betetzen dute, sostengua eta babesa emanez eskeleto-egiturei. Garrantzitsuenak:

• Kaltzio karbonatoa (CaCO₃): ornogabe askoren oskolak eta hezurdurak eratzen ditu, adibidez moluskuenak. Ornodunen hezur batzuen parte da, eta zenbait narrastien arrautzen kanpo estalkian dago.
• Kaltzio fosfatoa (Ca₃(PO₄)₂): ornodunen hezurren eta hortzen osagaia da.
• Silizea (SiO₂): belakien eskeletoa osatzen duten espikuletan aurkitzen da, eta diatomeoen (alga zelulabakarrak) babes-oskoletan. Landareetan, zelula-paretetan metatzen da, babes-funtzioa betez.

5.2. Gatz disolbatuak

Zeluletan, gatz mineralak uretan disolbatuta egon daitezke, gatzen osagai diren atomoen ioietan disoziatuta. Anioiak: kloruroak (Cl-), fosfatoak ([HPO₄]²-), karbonatoak ([CO₃]²-), bikarbonatoak (HCO₃-) eta nitratoak (NO₃-). Katioiak: kaltzioa (Ca²⁺), magnesioa (Mg²⁺), burdina (Fe³⁺), sodioa (Na⁺) eta potasioa (K⁺). Ioi horiek funtzio erregulatzaileak eta espezifikoak betetzen dituzte organismo bizietan.

Gatz mineralen funtzio erregulatzaileak

• pH-a mantentzea zelulen barruan eta gorputzeko jariagaietan. Gatz mineral asko sistema indargetzaileak dira, eta metabolismoaren ondoriozko pH-aldaketak arintzen dituzte.
• Entzimen aktibitatea erregulatzea. Inguruneko pH-ak duen eraginaz gain, entzima batzuek ioi jakin batzuk behar dituzte erreakzioa gauzatzeko.
• Presio osmotikoa erregulatzea. Zeluletako eta jariagai organikoetako gazitasunari eusten diote. Parametro hori funtsezkoa da presio osmotikoa ez ezik, zelulen bolumena erregulatzeko ere.

Presio osmotikoa: mintz erdiragazkor batek banatutako bi disoluzioen arteko kontzentrazio-diferentziak sortutako presioa; uraren fluxua gelditzeko aplikatu beharrekoa.

Gatz mineralen funtzio espezifikoak

Gatz disoluziotik sortutako ioi batzuek garrantzi handiko prozesu fisiologikoetan esku hartzen dute:

• Muskuluen uzkurdura: Na⁺, K⁺ eta Mg²⁺.
• Odolaren koagulazioa: Ca²⁺.
• Nerbio-bulkadaren transmisioa: Na⁺, K⁺, Ca²⁺.

5.3. Beste biomolekula batzuekin lotutako gatz mineralen ioiak

Ioi batzuk (katioiak eta anioiak) beste biomolekula batzuen egituraren parte dira, eta funtsezko eginkizuna dute biomolekula horien funtzioan:

• Burdina (Fe²⁺): hemoglobinaren egituraren osagaia da; oxigenoa odolean zehar garraiatzen du. Hemo-talde bati lotuta dago.
• Kobrea (Cu²⁺): hemozianinaren parte da.
• Iodoa (I⁻): hormona tiroideen osagaia da.
• Magnesioa (Mg²⁺): klorofilaren egituraren parte da.

6. Zelularen barne-ingurunearen erregulazioa

Zelularen barne-ingurunea zitosolak edo hialoplasmak osatzen du, batez ere urez (%70) eta bertan disolbatutako hainbat substantziaz. Bertan gertatzen dira prozesu zelular eta erreakzio kimiko guztiak.

Homeostasia zelularen barne-ingurunearen parametro fisiko-kimikoak muga egonkor batzuen barruan mantentzea da. Erregulazio-mekanismoek metabolismoak eta kanpo-ingurunearen aldaketek eragindako gorabeherak kontrolatzen dituzte.

Homeostasiaren mekanismo nagusiak: pH-aren erregulazioa, presio osmotikoaren erregulazioa eta substantzien garraioa mintz plasmatikoan.

6.1. Zelula barruko pH-aren erregulazioa

Zelulen barneko erreakzio kimiko gehienak entzimek katalizatzen dituzte. Entzimen aktibitatea optimoa da pH-aren tarte jakin batzuetan, neutraltasunetik gertu daudenetan. Funtsezkoa da parametro hori mantentzea zelularen barne-ingurunean. Izaki bizidunek sistema indargetzaileak dituzte pH-aren gora-beherak kontrolatzeko.

Bikarbonato sistema indargetzailea: H₃O⁺ + HCO₃⁻ ⇌ H₂CO₃ + H₂O ⇌ CO₂ + 2H₂O

• Neutralizazioa: odolean [H⁺] gehiegi badago (azidoa), erreakzioa eskuinerantz doa. Azido karbonikoaren (H₂CO₃) kontzentrazioa handitzen da, eta hori CO₂ eta H₂O bihurtzen da; biriketatik CO₂ gehiegia kanporatzen da.
• Azidifikazioa: [H⁺] txikiegia bada, erreakzio-sistema ezkerrerantz doa; horretarako, kanpoko CO₂ sartu behar da, eta H₂O-arekin konbinatuta, H₂CO₃-ren galerak zuzentzen dira.

Hau odolean gertatzen da batez ere.

Fosfato sistema indargetzailea: H₂O + H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺

• Neutralizazioa: azido bat gehitzean [H⁺] handitzen denez, erreakzioa ezkerrerantz doa oreka mantentzeko. pH-a ez da asko jaisten.
• Azidifikazioa: base bat gehitzean, [H⁺] txikitzen da, eta erreakzioa eskuinerantz doa. pH-a ez da asko igotzen.

Zelularen barruan batez ere gertatzen da.

6.2. Presio osmotikoaren erregulazioa

Substantziak bi eratara garraiatzen dira mintz batean zehar: difusioz eta osmosiz.

Difusioa: substantzia batek mintz plasmatikoa zeharkatu dezakeenean gertatzen da. Kontzentrazio handieneko lekutik kontzentrazio txikienekora garraiatzen da, bi kontzentrazioak berdindu arte.

Osmosia: kontzentrazio ezberdina duten bi disoluzioen arteko disolbatzailea mintz erdiragazkor batetik igarotzea da. Substantziak mintza zeharkatu ezin duenean gertatzen den garraio-mota da; aldea zelularen barruko eta zelulaz kanpoko ingurunearen kontzentrazioan dago. Osmosian disolbatzailea ura da, eta urak mintza zeharkatzeko ahalmena du. Ura substantzia kontzentrazio txikiena duen lekutik handiena duen lekurantz mugitzen da, bi kontzentrazioak berdindu arte.

Presio osmotikoa: ur-fluxu hori geldiarazteko behar den presioa; bi disoluzioen arteko kontzentrazio-desberdintasuna handitu ahala, presioa ere handitzen da.

• Ingurune isotonikoa: ingurunearen eta zelula barruaren kontzentrazioak berdinak dira.
• Ingurune hipertonikoa: ingurunearen kontzentrazioa zelula barrukoa baino altuagoa da. Hau orekatzeko, zelulatik ura aterako da eta zelula zimurtu egiten da. Plasmolisia deritzo.
• Ingurune hipotonikoa: ingurunearen kontzentrazioa zelula barrukoa baino txikiagoa da. Hau orekatzeko, zelulan ura sartzen da eta zelula puztu egiten da. Turgentzia deritzo.

1. Gluzidoen ezaugarriak

Biomolekula organikoak dira, karbonoz, hidrogenoz eta oxigenoz osatuak. Formula orokorra CnH2nOn da. Karbohidratoak ere esaten zaie. Ezaugarriak:

• C, H eta O-z osatuta daude, eta batzuetan P, N eta S ere izan ditzakete.
• Monomeroz osatzen dira, eta monomeroek 3 eta 7 karbono atomo artean dituzte, hidroxilo talde batzuk eta karbonilo talde bat.
• Monosakaridoek monomero bakarra dute, eta polisakaridoek milaka.
• Hidroxilo taldeek polaritatea eta disolbagarritasuna ematen dizkiete.
• Gluzido askok ahalmen erreduzitzailea dute, beste molekula batzuk erreduzitzen dituzte eta beraiek oxidatzen dira.
• Azukreak ere deitzen zaie, askok zapore gozoa dutelako; oxidatzean energia askatzen dute.

1.2. Gluzidoen sailkapena

Bi taldetan sailkatzen dira: osak (monomero bakarra) eta osidoak (monomero bat baino gehiago).

• Monosakaridoak edo osak: gluzido bakunagoetan deskonposatu ezin diren monomeroak. Aldosak edo triosak.
• Osidoak: gluzido bakunagoetan deskonposatu daitezkeen polimeroak. Bi talde daude: holosidoak, monosakaridoz soilik osatuak (oligosakaridoak, 2-10 monosakarido, eta polisakaridoak, 10 baino gehiago); eta heterosidoak, gluzidoez gain zati ez-gluzidikoa dutenak (lipidoa edo proteina), adibidez glukolipidoak eta glukoproteidoak.

2. Monosakaridoak

2.1. Monosakaridoen konposizioa, egitura eta sailkapena

Monosakaridoak polialkoholak, polihidroxialdehidoak edo polihidroxizetonak dira. Oinarrizko egitura:

• Adarkadurarik gabeko kate lineal bat, hiru eta zazpi karbono atomo artekoa, lotura bakunez lotuta.
• Karbonilo talde funtzional bat (C=O). Katearen muturrean, 1. karbonoan (C1), aldehido taldea badago; muturreko karbonotik gertuen dagoen karbonoan (C2), zetona taldea.
• Zenbait hidroxilo talde. Gainerako karbono atomo bakoitza hidroxilo talde batekin (-OH) eta hidrogeno batekin (-H) lotuta dago.

Monosakaridoen sailkapena bi irizpideren arabera egiten da:

• Talde funtzionalaren arabera: aldosak, aldehido talde funtzionala dutenak (adibidez, glukosa sei karbono atomo dituen aldosa da); zetosak, zetona talde funtzionala dutenak (adibidez, fruktosa sei karbono atomo dituen zetosa da).
• Karbono atomoen kopuruaren arabera: triosak (3), tetrosak (4), pentosak (5) edo hexosak (6). Monosakaridorik sinpleenak hiru karbono atomo ditu: glizeraldehidoa (aldosa) eta dihidroxiazetona (zetosa). Haietatik abiatuta, gainerako aldosak eta zetosak lor daitezke, katean karbono atomoak gehituz.

Nola irudikatu monosakaridoak

• Formula molekularrak: atomo mota bakoitzetik zenbat dauden adierazten dute. Adibidez, C₃H₆O₃. Ez dute adierazten aldehidoa edo zetona den.
• Formula garatuak: atomoen arteko loturak ikusten dira, eta horrek talde funtzionalei eta haien posizioari buruzko informazioa ematen du.
  • Linealak: karbono kate bertikal bat irudikatzen da, lotura bakunak lerro bakarrez (-) eta lotura bikoitzak bi lerroz (=).
  • Ziklikoak: ur-disoluzioetan, bost karbono atomo edo gehiagoko monosakaridoak itxi eta bost edo sei aldeko egiturak sortzen dituzte, eraztun itxurakoak: furanoak (5) eta piranoak (6).

2.2. Monosakaridoen propietateak

• Uretan disolbagarriak: hidroxilo taldeak (-OH) polarrak dira, eta ur molekulekin hidrogeno-zubiak finkatzen dituzte.
• Ahalmen erreduzitzailea: karbonilo taldeari esker, kobrea erreduzitu dezakete hainbat konposatutan. Adibidez, Fehling-en likorean: Cu²⁺ + 1e⁻ → Cu⁺.
• Karamelizazioa: beroarekin, zuriak diren kristalak urtu eta ohiko kolore marroia hartzen dute.
• Isomeria: molekula berdina duten baina egitura ezberdina duten konposatuak daude.

Funtzio-isomeria: formula molekular bera baina funtzio talde ezberdina dutenean. Adibidez, glukosa eta fruktosa.

Estereoisomeroak: formula kimiko bera baina egitura espaziala ezberdina dutenak. Atomoen espazio-banaketan bereizten dira. Estereoisomero kopurua karbono asimetrikoen kopuruaren araberakoa da: 2ⁿ (2 n-ren berretura).

Enantiomeroak: karbono asimetriko guztien -OH taldeak aldatzen dituzte, eta ispilu-irudiak dira. Azken karbono asimetrikoaren -OH taldearen arabera bi serie bereizten dira: D seriea (-OH eskuinera) eta L seriea (-OH ezkerrera).