Context
L’origen estel·lar del fòsfor sembla que és dubtós encara avui dia. És, però un dels elements fonamentals per a la formació de la vida i els organismes donat que, entre altres funcions, és el protagonista de les reaccions de fosforilació de proteïnes i altres molècules amb el resultat de produir en elles un canvi de configuració que activa, inhibeix o modula la seva funció. En aquest capítol valorarem el rol i importància dels fosfolípids que són les molècules fonamentals per a la construcció de les membranes cel·lulars.
Origen del nostre fòsfor
Uns pocs elements químics, carboni, nitrogen, oxigen, sofre i fòsfor, són fonamentals per a la vida, tal com la coneixem en la Terra. De fet, tots els elements químics de l’univers (excepte H i la major part del He) tenen el seu origen en l’interior de les estrelles. L’origen estel·lar del fòsfor (P, figura 21) però, no acaba de quedar clar per què els models teòrics d’evolució química estel·lar sembla que no l’expliquen tan clarament com si que ho fan en relació amb altres elements. Per exemple, la formació del carboni dins del nucli d’una estrella gegant, seguint l’anomenat procés triple alfa que hem comentat en un capítol anterior, sembla ben definida.
Figura 21. Àtom de fòsfor amb 15 protons, 16 neutrons i 15 electrons.
S’han identificat estrelles molt riques en fòsfor. No sols riques en fòsfor, sinó també en magnesi, silici, oxigen, alumini i elements més pesants, però la teoria explicativa d’un patró de nucleosíntesi com aquest, que inclogui tots aquests elements, no sembla fàcil de descriure.
Una teoria suggereix un tipus d’explosió estel·lar coneguda com a supernova d’oxigen-neó (ONe novae) com a font principal de fòsfor. Una nova ONe es produeix quan la matèria acumulada en la superfície d’una estrella nana blanca rica en oxigen i neó i potser magnesi ferro i clor, s’escalfa fins al punt de desencadenar una fusió nuclear explosiva amb fusions productores de fòsfor (i també silici i sofre) a partir de l’oxigen (Quadre V).
Quadre V. Síntesi del fòsfor, sofre i silici a partir de l’oxigen.
16O + 16O = 28Si + 4He
16O + 16O = 31P + 1H
16O + 16O = 32P + γ
Sembla també que algunes molècules amb fòsfor es podrien crear a mesura que es formen estrelles de grans dimensions on els fluxos de gas que emanen d’aquests astres en desenvolupament dipositen molècules de monòxid de fòsfor en els núvols interestel·lars veïns. Aquesta forma molecular de fòsfor quedaria atrapada en els grans de pols gelada formant roques i, en última instància, cometes transportadors de monòxid de fòsfor. Això podria haver passat en la formació del sistema solar, ja que un objecte del nostre sistema, el cometa Churyumov-Gerasimenko, on va aterrar la sonda Rosetta per a estudiar la seva composició, sembla contenir monòxid de fòsfor.
El fòsfor es troba en la natura combinat en forma de fosfats inorgànics i en organismes vius, però mai en estat natiu. És poc abundant en la natura (l’escorça terrestre en conté només un 0,1%), és essencial, però, en la formació dels àcids nucleics (ADN i ARN), i també de l’ATP, de moltes proteïnes, fosfolípids i, en forma de fosfats en els ossos.
Fosfolípids i membranes cel·lulars
Entre tots els rols fonamentals que juga el fòsfor en l’organització de la vida, quina primera funció important podríem descriure aquí com a exemple? Segurament, començar per la contribució a la formació de les membranes cel·lulars posaria d’acord a molts investigadors.
En la sopa primordial plena d’ions i molècules orgàniques es varen formar les primeres cèl·lules. Les cèl·lules actuals estan individualitzades per membranes lipídiques que a la vegada formen també compartiments intracel·lulars especialitzats per fer diverses funcions. Les membranes hidròfugues aïllen compartiments, garantint un confinament i concentració suficient de molècules implicades en les reaccions de la vida. En els primers moments en l’evolució de la vida cel·lular, la importància de membranes lipídiques per separar compartiments i permetre també la formació de gradients iònics, químics (de concentració) i elèctrics entre els dos costats de les membranes va ser fonamental sense dubte. El perquè els gradients varen representar un avantatje evolutiu important ho veiem actualment en comprovar on hem arribat gràcies al paper de bombes, canals iònics i els consegüents gradients iònics que permeten, per exemple, la comunicació neuronal i les seves manifestacions com la memòria i pensament.
Des de l’inici de l’evolució es va necessitar disposar de membranes capaces d’allotjar proteïnes diverses com les esmentades bombes i canals i també filtrar nutrients i expel·lir residus formant vesícules esfèriques. En algun moment es varen formar grans vesícules multilaminars d’àcids grassos i posteriorment, les dobles membranes de fosfolípids que trobem en l’actualitat i que, a diferència d’altres greixos, poden formar dobles capes lipídiques (vegeu més endavant). Avui trobem vesícules multilaminars (que podrien ser semblants a les primitives) en els pneumòcits tipus II, que les produeixen i secreten amb el nom de surfactant en els alvèols pulmonars per controlar la tensió superficial d’aquests i garantir que es mantinguin expandits i no col·lapsin (vegeu uns capítols més endevant). També en els queratinòcits troben membranes multilaminars que secreten i treuen a l’exterior per segellar l’espai intercel·lular amb una substància hidròfoba en l’epidermis protectora. Segurament les primeres molècules lipídiques no eren massa adequades per formar membranes eficients com podria haver estat el cas d’algunes formes d’àcids grassos.
Què és un lípid, però? En general, els lípids són biomolècules hidròfugues, insolubles en aigua, perquè les seves estructures químiques estan formades per llargues cadenes de carboni que són apolars, sense o amb molt poques càrregues elèctriques exposades en la superfície de la molècula (en grec lipos significa greix). Aquesta propietat els diferencia dels glúcids i les proteïnes que són molècules hidròfiles i solubles en aigua. Així doncs, la presència de llargues cadenes hidrocarbonades en la molècula dels lípids els confereix la propietat de ser insolubles en aigua. Un exemple de lípids són els àcids grassos i els mono-, di- i triglicèrids (figura 22) que estan emmagatzemats en les cèl·lules del teixit adipós dels animals (vegeu també el capítol 6 de la Secció I) i en les llavors dels vegetals, en forma de material de reserva energètica.
Figura 22. Exemple d’un àcid gras i un monoglicèrid. La lletra n representa un valor numèric per fer més llarga la cadena. Els mono, di i triglicèrids estan formats per una molècula de glicerina (que és un tri alcohol amb 3 grups OH). En aquest cas el monoglicèrid té esterificat un radical OH amb un àcid gras, amb pèrdua d’una molècula d’aigua H2O.
Tanmateix, els lípids són molècules variades i a més dels àcids grassos i els mono-, di- i triglicèrids ho són també les vitamines A, D, E, i K (anomenades liposolubles), i els fosfolípids entre d’altres. Aquests darrers són amfofílics (vegeu capítol 5 de la Secció V). Les molècules amfofíliques, anomenades també amfipàtiques, posseeixen un extrem hidrofílic, és a dir, que és soluble en aigua, i un altre que és hidròfob, la qual cosa significa que rebutja l’aigua. D’aquesta manera poden formar dobles capes moleculars lipídiques amb els extrems hidròfugs encarats cap a l’interior, relacionant-se entre ells en el mig de la membrana i els hidròfils dirigits cap a l’exterior de la membrana resultant i en contacte amb el mitjà aquós dels dos costats.
Figura 23. Fosfolípid. També en el capítol 5 de la Secció V.
De fet, les membranes cel·lulars modernes estan formades per fosfolípids constituïts especialment per dos àcids grassos (hidròfugs) lligats al glicerol (formant un diglicèrid, vegeu figura 23) mentre que el tercer grup hidroxil del glicerol està esterificat amb un grup fosfat (extrem hidròfil). Addicionalment, el grup fosfat pot estar lligat a una molècula de colina formant fosfatidilcolina (lecitina).
El fòsfor, doncs, en forma de fosfat, és un element vital en la formació de les membranes cel·lulars modernes.