La vida al planeta està determinada per un conjunt de relacions en què s'evidencia un extraordinari flux d'informació i un intercanvi continu de matèria i energia. La matèria és tot allò que té massa i ocupa un lloc a l'espai, està formada per àtoms, que són les unitats mínimes que la constitueixen. Els éssers vius, l'aigua, les estrelles i tot allò que ens envolta està format per àtoms.
La diversitat d'elements químics ve donada per la varietat de tipus d'àtoms. Cada tipus d'àtom és un element químic diferent. Actualment se'n coneixen més d'un centenar d'elements químics, i tradicionalment se'n citava l'existència de 105 elements, dels quals 84 es troben en forma natural i la resta han estat sintetitzats a laboratoris. Des del punt de vista biològic, l'essencial és que només uns quants elements participen de manera massiva en la constitució dels éssers vius.
A la constitució de la matèria viva podem trobar, a més, almenys 70 elements químics estables, és a dir, la majoria dels elements presents a la natura participen en major o menor mesura en els processos biològics (llevat, en general, dels gasos nobles). No obstant això, no tots intervenen en la mateixa proporció.
Com ja hem dit, la naturalesa està constituïda per matèria, i tota la matèria viva per tant també està constituïda per àtoms, que alhora s'organitzen en elements. Als elements que constitueixen la matèria viva se'ls coneix amb el nom de bioelements. Aquests, al seu torn, es classifiquen segons siguin essencials o no per a la vida a: bioelements primaris, bioelements secundaris i oligoelements (o elements traça). En aquest contingut ens centrarem de manera especial en els bioelements primaris en la matèria viva, sense deixar de banda la importància de la resta.
Elements essencials per a la vida
Els bioelements primaris són aquells elements químics essencials, presents en la matèria viva, a les cèl·lules, teixits, òrgans i sistemes que els conformen des dels organismes més simples fins als més complexos. Representen el nucli químic de la vida perquè formen les biomolècules orgàniques fonamentals: glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics.
Prop del noranta-nou per cent de tota la matèria viva existent està constituïda, majoritàriament, per les cèl·lules formades per sis elements bàsics: Carboni (C), Hidrogen (H), Oxigen (O), Nitrogen (N), Fòsfor (P) i Sofre (S). Aquests són els elements més abundants en la matèria viva que trobem a la superfície terrestre. Se'ls denomina bioelements primaris per formar part essencial de la constitució bàsica o primària dels éssers vius.
La raó que aquests sis elements dominin en la matèria viva és als seus propietats químiques particulars. Presenten masses atòmiques relativament petites, cosa que afavoreix la formació de enllaços covalents molt estables, però prou versàtils per trencar-se i reformar-se en les reaccions bioquímiques. A més, elements com l'oxigen i el nitrogen són molt electronegatius i permeten la formació de molècules polars, solubles en aigua, una cosa imprescindible per a la química de la vida.
Tipus de bioelements
Segons formen o no part de la constitució essencial de les biomolècules de la matèria viva, els bioelements es poden classificar en tres grans grups: bioelements primaris, bioelements secundaris i oligoelements.
Aquesta classificació es basa en la proporció en què es troben en els éssers vius i en les funcions que exerceixen:
- Bioelements primaris: constitueixen aproximadament entre el 95% i el 96% de la matèria viva. Són el carboni (C), l'hidrogen (H), l'oxigen (O), el nitrogen (N), el fòsfor (P) i el sofre (S). Formen l'esquelet de les molècules orgàniques.
- Bioelements secundaris: es troben en menor proporció, al voltant d'un 3% a 4%, però són presents en tots els éssers vius. Solen aparèixer en forma iònica o formant sals minerals. Entre aquests s'inclouen el calci (Ca), el magnesi (Mg), el sodi (Na), el potassi (K) i el clor (Cl), entre d'altres.
- Oligoelements o elements traça: es troben en percentatges inferiors al 0,1%, però són imprescindibles per al funcionament correcte de l'organisme. Alguns exemples són el ferro (Fe), el manganès (Mn), el coure (Cu), el zinc (Zn), el fluor (F), el iode (I), el bor (B), el silici (Si), el cobalt (Co), el seleni (Se) o el molibdè (Mo).
Els bioelements, en combinar-se entre si mitjançant enllaços químics, donen lloc a les biomolècules, els autèntics pilars estructurals i funcionals de la vida. Així, de la interacció entre aquests àtoms sorgeixen l'aigua, les sals minerals, els glúcids, els lípids, les proteïnes i els àcids nucleics.
Bioelements primaris
Són tots aquells bioelements que formen part de la constitució essencial de la matèria viva, ja que són indispensables en la formació de les biomolècules orgàniques: proteïnes, glúcids, lípids i àcids nucleics. Ells constitueixen la matèria viva neta i són: carboni (C), hidrogen (H), oxigen (O), nitrogen (N), fòsfor (P) i sofre (S).
Les seves propietats més importants, preses en conjunt, expliquen el seu paper central a la biologia:
- Tenen baixa massa atòmica, la qual cosa afavoreix la formació denllaços covalents forts i estables.
- Poden establir-ne diversos enllaços covalents simultanis, facilitant la formació de cadenes i estructures tridimensionals complexes.
- L'oxigen i el nitrogen presenten alta electronegativitat, permetent laparició de molècules dipolars i enllaços polars que es dissolen en aigua.
- La seva combinació dóna lloc a una immensa diversitat de molècules amb funcions energètiques, estructurals, reguladores i de reserva.
Tot seguit es descriu, amb detall, el paper de cadascun d'aquests bioelements primaris en la matèria viva.
Carboni (C)
El carboni és el component bàsic essencial de totes les molècules orgàniques. Apareix a totes les cadenes com l'esquelet que dóna forma i funció a les biomolècules orgàniques. Tots els compostos orgànics estan formats per cadenes carbonades que formen enllaços amb altres elements o compostos.
Té quatre electrons a la seva capa més externa i pot formar quatre enllaços covalents amb altres àtoms de carboni o amb altres elements. Aquesta característica us permet constituir llargues cadenes d'àtoms (macromolècules) i estructures cícliques molt estables. Aquests enllaços poden ser simples, dobles o triples, cosa que incrementa encara més la diversitat d'estructures possibles.
El carboni també es pot unir a diferents grups funcionals o radicals formats per altres elements (-H, =O, -OH, -NH2, -SH, H2PO4, etc.), cosa que possibilita la formació d'un gran nombre de molècules diferents que intervenen en multitud de reaccions químiques. Gràcies a això, els éssers vius poden aprofitar l'enorme diversitat de recursos químics presents a l'entorn.
A l'espai, els quatre enllaços covalents del carboni formen els vèrtexs d'un tetraedre imaginari. Aquesta disposició geomètrica permet la formació d'estructures tridimensionals complexes, com les que presenten les membranes plasmàtiques, moltes proteïnes i altres orgànuls cel·lulars.
El carboni és un component essencial per als animals i vegetals. Forma part indispensable de la molècula de glucosa, un carbohidrat fonamental per a la respiració cel·lular; també intervé en la fotosíntesi, sota la forma de diòxid de carboni (CO2). A més, el carboni és present en una altra macromolècula essencial per a la vida: el ADN, que conté la informació genètica que confereix a cada individu les seves característiques pròpies i que l'organisme utilitza per replicar-se i transmetre aquesta informació als seus descendents.
L'hidrogen (H)
L´hidrogen, juntament amb l´oxigen, forma part essencial de la matèria orgànica. De fet, la matèria orgànica es defineix, en bona mesura, com la matèria constituïda bàsicament per carboni i hidrogen. En alguns lípids, per exemple, només s'observen en la constitució àtoms de carboni i hidrogen, igual que en molts hidrocarburs com el petroli i els seus derivats.
L'únic electró que té àtom d'hidrogen a la seva última capa li permet establir unions amb facilitat amb qualsevol dels bioelements primaris. L'enllaç covalent que es forma entre el carboni i l'hidrogen és prou fort per ser estable, però no tant per impedir que es trenqui quan cal, permetent així la síntesi d'altres molècules.
Les molècules formades només per hidrogen i carboni són covalents apolars (insolubles en aigua), propietat que explica el comportament hidrofòbic de molts lípids i substàncies energètiques de reserva. Aquesta insolubilitat és clau per a la formació de bicapes lipídiques a les membranes cel·lulars, on la part hidrocarbonada evita el pas lliure de substàncies polars.
A més, l'hidrogen participa en la formació de ponts d'hidrogen quan s'uneix a elements electronegatius com ara l'oxigen o el nitrogen. Aquests ponts d'hidrogen tenen una energia menor que un enllaç covalent, però són fonamentals per mantenir l'estructura tridimensional de l'ADN, de moltes proteïnes i de multitud de molècules biològiques.
L'oxigen (O)
L'oxigen és, de tots els bioelements primaris, el més electronegatiu. Quan s'uneix covalentment amb l'hidrogen, atrau amb força el seu únic electró, originant-se pols elèctrics. Per això, els radicals -OH, -CHO i -COOH són radicals polars. Quan aquests radicals substitueixen alguns hidrògens de la cadena de carbonis i hidrògens, com en el cas de la glucosa (C6H12O6), originen molècules solubles en líquids polars com l'aigua.
A causa de la seva elevada electronegativitat, l'oxigen té la capacitat de atraure electrons altres àtoms. Aquest procés comporta la ruptura denllaços i lalliberament de grans quantitats denergia. La reacció dels compostos de carboni amb l'oxigen, coneguda com respiració aeròbica, és la forma més comuna i eficient dobtenció denergia en la majoria dels éssers vius. En aquesta reacció general, la glucosa s'oxida totalment:
C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6 h2O + energia
L'altra via per obtenir energia és la fermentació, un procés menys eficient i que no requereix oxigen molecular. Aquesta via ha anat perdent rellevància ecològica des que les algues i les plantes, mitjançant la fotosíntesi, van començar a enriquir l'atmosfera primitiva amb oxigen, fent possible l'expansió d'organismes aerobis.
Els processos de oxidació de compostos biològics es duen a terme, en gran mesura, a través de la sostracció d'àtoms d'hidrogen als àtoms de carboni. L'oxigen, per ser més electronegatiu, exerceix una força d'atracció més gran sobre l'electró de l'hidrogen que sobre el del carboni i aconsegueix arrencar-lo. Així, es forma aigua (hidrogen més oxigen) i s'allibera gran quantitat d'energia que aprofiten els éssers vius.
Quan l'àtom de carboni deixa de compartir un electró amb l'hidrogen i passa a compartir menys electrons amb l'oxigen, experimenta una pèrdua d'electrons, és a dir, s'oxida. Aquesta dinàmica redox és la base de moltes rutes metabòliques i de la producció d'ATP als mitocondris.
El nitrogen (N)
El nitrogen és un element que forma part de l'atmosfera en un percentatge molt elevat (aproximadament el 78% de l'aire sec). A més, és un component essencial de les proteïnes i dels àcids nucleics com l'ADN i l'ARN, responsables de transmetre els caràcters hereditaris de pares a fills. L'ADN és present a totes les cèl·lules del cos, cosa que subratlla l'enorme importància del nitrogen per als éssers vius.
En general, el nitrogen gasós (N2) no pot ser absorbit directament per la majoria dels organismes, sinó formant part d'altres compostos com nitrats, nitrits o compostos d'amoni que el contenen. Abans de ser aprofitat pels éssers vius, el nitrogen atmosfèric necessita passar per diverses etapes dins de l'anomenat cicle de l'nitrogen:
- amonificació, procés pel qual el nitrogen orgànic (restes d'éssers vius o excretes) és transformat en amoníac (NH3) que en solució aquosa es troba en equilibri amb l'ió amoni (NH4+).
- Nitrificació, que consisteix en l'oxidació de l'amoni (NH4+) a nitrit (NO2-) i posteriorment a nitrat (NO3-) mitjançant bacteris nitrificants del sòl.
- Fixació del nitrogen, procés a través del qual el nitrogen atmosfèric (N2) es converteix en compostos nitrogenats com a amoni o compostos orgànics aprofitables pels éssers vius. Aquesta fixació la realitzen principalment bacteris lliures del sòl o bacteris simbiòtics associats a arrels de plantes lleguminoses, i també es pot produir mitjançant descàrregues elèctriques (raigs).
Gairebé la totalitat del nitrogen incorporat a la matèria viva per les algues i les plantes és absorbit en forma de ió nitrat (NO3-) o en forma de ió amoni (NH4+). Aquest nitrogen passa després a la cadena tròfica quan els animals consumeixen teixits vegetals o altres animals.
El nitrogen es troba als aminoàcids, és a dir, en les molècules que constitueixen les proteïnes, formant grups amino (-NH2). També és present a les bases nitrogenades dels àcids nucleics (adenina, guanina, citosina, timina i uracil). Tot i que el nitrogen és el gas més abundant a l'atmosfera, molt pocs organismes són capaços d'utilitzar-lo de manera directa, per la qual cosa el paper dels bacteris fixadors és crucial.
El nitrogen té una gran facilitat per formar compostos tant amb l'hidrogen (NH3, N.H.4+) com amb l'oxigen (NO2-, NO3-), cosa que li permet passar d'una forma a l'altra alliberant energia i participant en processos metabòlics de transferència d'energia i electrons a les cèl·lules.
El sofre (S)
El sofre és un element que, com a component de determinades proteïnes, aminoàcids essencials, vitamines i hormones importants, resulta essencial tant per als éssers humans com per als animals. Es troba, per exemple, als aminoàcids cisteïna i metionina. En forma de radical sulfhidril (-SH), aquests aminoàcids poden establir entre si enllaços covalents forts anomenats ponts disulfur (-SS-), que contribueixen de manera decisiva a mantenir l'estructura tridimensional de moltes proteïnes estructurals, com el col·lagen i la queratina.
El sofre representa aproximadament el 0,25% del pes corporal; això significa que un cos adult mitjà conté al voltant de 170 g de sofre, gran part dels quals es troba en els aminoàcids i proteïnes. El sofre forma part dels àcids biliars, essencials per a la digestió i l'absorció de greixos, i participa en reaccions de detoxificació en el fill.
A més, aquest bioelement ajuda a mantenir la pell, el cabell i les ungles en bon estat i té un paper fonamental en la formació i la reparació de teixits. Generalment, el sofre és present en verdures com el rave o la pastanaga i en productes d'origen animal com la llet, el formatge, els mariscs i la carn. Una dieta equilibrada garanteix l'aportació necessària de sofre per sostenir aquestes funcions biològiques.
El fòsfor (P)
La quantitat de fòsfor present a l'atmosfera és insignificant. La major reserva de fòsfor es troba als sediments marins ia les roques fosfatades de l'escorça terrestre. Els sòls constitueixen, en ordre d'importància, el segon gran magatzem de fòsfor de la natura. Per efecte de la meteorització química, els fosfats s'alliberen del mineral, es dissolen i són transportats per les aigües superficials i subterrànies.
Una part del fosfat es precipita, fonamentalment en forma de fosfat de calci, i una altra part arriba als mars, on s'acumulen grans quantitats de fòsfor, que constitueixen les trucades trampes de fòsfor. El cicle del fòsfor és, per això, relativament lent però fonamental per als ecosistemes, ja que aquest element no té fase gasosa rellevant.
El fòsfor, en forma de fosfat orgànic, és summament important per a la matèria vivent, ja que:
- És un dels components dels àcids nucleics (ARN i ADN), que constitueixen el material genètic dels organismes.
- Es troba com a component del adenosí trifosfat (ATP), que és una font d'energia cel·lular gairebé universal en la matèria vivent. Als enllaços entre els seus grups fosfat s'emmagatzema l'energia alliberada en altres reaccions, com les oxidacions de la respiració.
- És un dels components dels fosfolípids, molècules essencials que formen les membranes cel·lulars, i de les estructures esquelètiques com ossos i dents en vertebrats.
A més de la seva funció estructural i energètica, el fòsfor participa en la regulació del equilibri àcid-base de l'organisme, actuant com a sistema tampó per mantenir estable el pH als mitjans interns. La dieta habitual sol aportar les quantitats necessàries de fòsfor a través de lactis, carns, ous, peixos, fruits secs i cereals.
Bioelements secundaris i oligoelements
Encara que el focus principal daquest contingut són els bioelements primaris en la matèria viva, és important entendre que sense els bioelements secundaris i als oligoelements la vida tampoc no es podria mantenir. Aquests elements, encara que presents en menor quantitat, són indispensables per a una enorme varietat de processos biològics.
Bioelements secundaris
Els bioelements secundaris es troben en una proporció menor que els primaris, però són presents en tots els éssers vius i, en molts casos, en forma iònica. Alguns dels més importants són:
- Calci (Ca): molt abundant en forma de carbonat càlcic (CaCO3) com a component d'estructures esquelètiques, com els ossos en vertebrats o les closques de molts invertebrats. En forma d'ió Ca2+ intervé en processos com la contracció muscular, l' coagulació sanguínia i la regulació de la permeabilitat de la membrana cel·lular.
- Magnesi (Mg): present en moltes enzims i, de forma destacada, a la clorofil·la, el pigment essencial de la fotosíntesi en plantes i algues.
- Sodi (Na) i potassi (K): fonamentals per al manteniment de la polaritat elèctrica a banda i banda de la membrana cel·lular i per a la transmissió de l'impuls nerviós. Regulen l'equilibri hídric i osmòtic a les cèl·lules.
- Clor (Cl): sol trobar-se en forma d'ió clorur (Cl-) i participa en l'equilibri osmòtic i en la formació del àcid clorhídric del suc gàstric, essencial per a la digestió.
Oligoelements o elements traça
Els oligoelements es troben en proporcions ínfimes (menys del 0,1%), però la seva absència o desequilibri pot causar greus trastorns. Alguns dels més destacats són:
- Ferro (Fe): forma part de proteïnes transportadores d'oxigen com l'hemoglobina i la mioglobina, així com de múltiples citocroms implicats en la respiració cel·lular.
- Coure (Cu): component de l'hemocianina, pigment respiratori de molts invertebrats, i d'enzims redox.
- Iode (I): imprescindible per a la síntesi de la tiroxina, hormona tiroïdal que regula el metabolisme energètic.
- Fluor (F): fonamental per a la formació del esmalt dental; la carència afavoreix l'aparició de càries.
- Zinc (Zn), manganès (Mn), cobalt (Co), seleni (Se), molibdè (Mo) i altres: participen com a cofactors enzimàtics, regulant múltiples rutes metabòliques i processos antioxidants.
Dels bioelements a les biomolècules
Quan els bioelements es combinen entre si mitjançant diferents tipus de enllaços químics, donen lloc a les biomolècules, que són els constituents fonamentals de les cèl·lules i, per tant, de tots els éssers vius. Aquestes biomolècules poden organitzar-se des de nivells molt senzills fins a estructures tridimensionals complexes, el plegament de les quals determina la seva funció biològica.
A les cèl·lules, els enllaços químics més importants són:
- Enllaços covalents: enllaços forts que mantenen units principalment els àtoms de carboni a les molècules orgàniques. Permeten la formació de cadenes i anells estables.
- Enllaços iònics: es formen entre àtoms amb càrrega oposada (ions). En medis aquosos, com l'interior de les cèl·lules, són més febles que en substàncies sòlides, però són crucials en fenòmens de reconeixement molecular.
- Ponts d'hidrogen i forces febles: mantenen l'estructura secundària i terciària de proteïnes i àcids nucleics i condicionen propietats com la solubilitat i el punt de fusió de les substàncies.
Les biomolècules es divideixen, de manera general, en inorgàniques (com l'aigua i les sals minerals) i orgàniques (glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics). Aquestes darreres estan compostes principalment per bioelements primaris i són les responsables de les funcions essencials dels éssers vius.
Glúcids o hidrats de carboni
Els glúcids són biomolècules molt abundants, la unitat bàsica dels quals són els monosacàrids (com la glucosa i la fructosa). Presenten sabor dolç i solen ser solubles en aigua. Quan dos monosacàrids s'uneixen, es formen disacàrids com la lactosa o la sacarosa; si s'uneixen molts monosacàrids, s'originen polisacàrids com el glucogen, el midó o la cel·lulosa.
Compleixen funcions principalment energètiques (glucogen en animals i midó en plantes) i estructurals (cel·lulosa a la paret vegetal, polisacàrids a la membrana cel·lular i esquelet dels àcids nucleics en forma de sucres desoxiribosa i ribosa).
lípids
Els lípids constitueixen un grup molt heterogeni de biomolècules, de naturalesa fonamentalment hidròfob. Poden estar formats per llargues cadenes hidrocarbonades senzilles, com els àcids grassos, o presentar estructures més complexes com les ceres, els triglicèrids, els fosfolípids o els esteroides (entre ells, el colesterol).
En general, són insolubles en aigua i exerceixen funcions de reserva energètica de aïllament tèrmic, de protecció mecànica i, sobretot, estructurals, ja que els fosfolípids són components essencials de les membranes cel·lulars (bicapes lipídiques).
Proteïnes
Les proteïnes estan formades per monòmers anomenats aminoàcids, que es disposen en llargues cadenes. Hi ha vint aminoàcids diferents que, combinats en longituds i seqüències variables, originen una enorme diversitat de proteïnes. La cadena d'aminoàcids adquireix una estructura tridimensional concreta que li confereix una funció específica.
Les proteïnes exerceixen funcions estructurals (queratina, col·lagen, tubulina), transportadores (hemoglobina), hormonals (insulina), contràctils (actina, miosina), immunològiques (immunoglobulines), de reserva (albúmina) i catalítiques (enzims), entre moltes altres. Canvis bruscos de temperatura o de pH poden desnaturalitzar-ne l'estructura, fent-los perdre la funció.
àcids nucleics
Els àcids nucleics són biomolècules orgàniques formades per la unió de nucleòtids. Cada nucleòtid està compost per un sucre, un grup fosfat (on intervé el fòsfor) i una base nitrogenada (en què intervenen carboni i nitrogen).
Hi ha dos tipus principals d'àcids nucleics:
- ADN (àcid desoxirribonucleic), encarregat demmagatzemar la informació hereditària que es transmet de generació en generació.
- ARN (àcid ribonucleic), del qual hi ha diversos tipus amb funcions relacionades amb la síntesi de proteïnes i la regulació de l'expressió gènica.
En tots dos casos, els bioelements primaris (C, H, O, N, P) són la base de la seva estructura, cosa que torna a posar en relleu la importància d'aquests elements en la matèria viva.
La vida, doncs, es recolza en un petit conjunt d'elements químics capaços de formar enllaços estables, versàtils i funcionals. Comprendre les característiques dels bioelements primaris en la matèria viva permet entendre per què les cèl·lules s'organitzen com ho fan, com s'emmagatzema i transmet la informació genètica i de quina manera s'obté i s'utilitza l'energia necessària per mantenir els processos vitals.