Proteine, glucidi, lipidi, dna, biochimica

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Biochimica: atomi, legami chimici e molecole della materia vivente
I tipi di atomi che costituiscono tutta la materia esistente nell'universo sono un centinaio. Solo quattro di essi costituiscono più del 99% della materia vivente: l'idrogeno (H), l'ossigeno (O), l'azoto (N) il carbonio (C) (figura 33.10.). Questi atomi si possono rappresentare, oltre che con il simbolo chimico, con sferette di diverso colore: bianco per l'idrogeno, rosso per l'ossigeno, blu per l'azoto e nero per il carbonio (cfr. § 33.2.). Molti altri atomi sono presenti negli organismi e nel corso della trattazione scopriremo che hanno funzioni importantissime, ma dal punto di vista quantitativo la loro presenza è trascurabile.
Ioni e composti ionici hanno un ruolo non trascurabile nelle reazioni biochimiche, ma i legami chimici che determinano la formazione delle biomolecole sono esclusivamente legami covalenti puri e polari. Tra questi sono di fondamentale importanza i legami covalenti puri tra atomi di C, che permettono la formazione di lunghe catene; infatti, come vedremo, tutte le biomolecole hanno uno «scheletro», più o meno lungo e più o meno ramificato, costituito da catene di atomi di carbonio. Il carbonio possiede quattro elettroni di legame e perciò forma quattro legami con altri atomi. È anche possibile che gli atomi di carbonio formino legami doppi.
Il legame doppio si ha quando due atomi mettono
in comune due coppie di elettroni.
Le biomolecole sono generalmente molto grandi. Alle lunghe catene di C che ne costituiscono l'ossatura sono legati gli altri atomi che conferiscono alle diverse macromolecole biologiche specifiche proprietà. Le macromolecole che costituiscono gli esseri viventi sono zuccheri, grassi, proteine e acidi nucleici. I primi tre tipi di molecole sono sostanze a noi familiari, perché costituiscono gli alimenti. Gli acidi nucleici sono la categoria di composti alla quale appartiene il DNA. Il DNA ha funzioni così importanti nel «dirigere» le reazioni chimiche della cellula e nella
trasmissione dei caratteri ereditari da essere considerata la molecola dalla quale dipendono la presenza e il funzionamento di tutte le altre. Nella nomenclatura chimica gli zuccheri vengono anche chiamati glucidi, i grassi lipidi e le proteine protidi.
C'è un'altra molecola che, pur non essendo una biomolecola, ha una preminente importanza nella composizione degli esseri viventi: la molecola di acqua. L'acqua è infatti il composto più abbondante nella composizione degli esseri viventi, con percentuali che vanno dal 40 al 99%.
Le proprietà della molecola di acqua la rendono indispensabile per lo svolgimento delle funzioni vitali. Sulla Terra l'acqua è abbondante e, nelle condizioni climatiche prevalenti sulla superficie del pianeta, si presenta allo stato liquido. Oltre il 70% della superficie terrestre è coperta di acqua allo stato liquido, nei mari soprattutto, ma anche nei laghi e nei fiumi. Le molecole di acqua, grazie alla polarità, sono in grado di sciogliere una grande quantità di sostanze, facilitando così molte reazioni chimiche che avvengono in soluzione.
Glucidi, alimenti di pronto impiego
Le biomolecole hanno generalmente struttura polimerica. Un polimero è una molecola ottenuta dall'unione di molte molecole uguali o simili, che prendono il nome di monomeri.
I glucidi a struttura polimerica sono chiamati polisaccaridi; i monomeri dei polisaccaridi si chiamano monosaccaridi.
Il monosaccaride più importante, sia per diffusione sia per le reazioni a cui partecipa, è il glucosio. La formula bruta del glucosio è C6H1206; nella formula di struttura ogni lato dell'esagono rappresenta un legame chimico e ogni vertice un atomo di carbonio. Il ribosio e il deossiribosio sono due monosaccaridi a 5 atomi di C che entrano nella struttura degli acidi nucleici.
Un monosaccaride può legarsi con un altro monosaccaride e dare origine a un disaccaride. Oltre al disaccaride si forma una molecola di acqua. Questa reazione prende il nome di condensazione. Il saccarosio è il disaccaride più conosciuto, il comune zucchero di canna e di barbabietola.
Nei sistemi viventi tutti i polimeri si formano mediante reazioni di condensazione. La reazione inversa rispetto alla condensazione porta alla scissione dei monomeri: il nome di questa reazione è idrolisi (cioè «rottura mediante acqua»), perché richiede l'intervento di una molecola d'acqua.
Se la condensazione è ripetuta per un grande numero di monomeri, si ottiene un polisaccaride. Il glicogeno è il polisaccaride degli animali; si trova nel fegato e nei muscoli ed è un deposito di energia. L'amido è il polisaccaride dei vegetali; la patata e la farina sono in gran parte fatte di amido. La cellulosa è il polisaccaride che forma le strutture di sostegno delle cellule delle piante e più in generale delle fibre vegetali.
Un organismo vivente, per poter sostenere le migliaia di reazioni chimiche che gli permettono di sopravvivere, accrescersi e moltiplicarsi, ha la necessità di rifornirsi di energia dall'ambiente esterno,
i monosaccaridi, in particolare il glucosio, sono la fonte energetica immediata per la cellula, quella cioè che si rende disponibile, istante per istante, per assicurare lo svolgimento delle funzioni vitali.
Poiché un essere umano, ad esempio, si nutre mediamente tre volte al giorno, ma le cellule del nostro corpo continuano a funzionare incessantemente per tutto l'arco della giornata, l'organismo deve provvedere ad accumulare l'energia, che introduce sotto forma di alimenti, in modo che questa possa essere poi resa disponibile all'occorrenza.
Nessuno di noi si metterebbe in viaggio in automobile senza essersi prima accertato che il serbatoio della benzina sia pieno; può esserci un po' di benzina (glucosio) nel carburatore, sufficiente ad avviare il motore (le cellule), ma questo si fermerebbe immediatamente se non ci fosse una quantità adeguata di carburante nel serbatoio (riserva energetica). Perciò tutti gli organismi viventi, dai microrganismi, alle piante, all'uomo, hanno organizzato sistemi specifici di riserva energetica. sistemi di riserva possono presentarsi in forme diverse, ma ubbidiscono tutti al principio generale di salvaguardare gli organismi dalla improvvisa mancanza del carburante fondamentale: il glucosio.
La sostanza di riserva che rende disponibile la molecola di glucosio è il suo polimero, presente sotto forma di granuli: il glicogeno nelle cellule animali e l'amido nelle cellule vegetali.
Nel paragrafo successivo vedremo che i polisaccaridi del glucosio non sono l'unica fonte energetica di riserva, né la più abbondante; sicuramente, però, rappresentano la fonte che più delle altre è privilegiata per assicurare una continuità di funzionamento all'intero meccanismo cellulare.
Lipidi, riserva a lungo termine
I lipidi, o grassi, sono macromolecole biologiche costituite da C, H e O. Sono insolubili in acqua. I lipidi più comuni sono i trigliceridi, che si formano mediante reazioni di condensazione tra molecole di tipo diverso: il glicerolo (un composto a tre atomi di carbonio) e tre molecole di acidi grassi.
I grassi, pur essendo costituiti da più molecole, sono l'unica delle quattro categorie di biomolecole a non essere polimeri.
Gli acidi grassi sono formati da lunghe catene di atomi di carbonio (almeno 10). A una estremità della catena c'è un gruppo carbossilico (-COOH), responsabile della reazione di condensazione con il glicerolo. Le reazioni di condensazione con le tre molecole di acido grasso producono tre molecole d'acqua.
I grassi sono insolubili in acqua. Sono molecole molto importanti nella costituzione degli esseri viventi, ma ancora più importante è la funzione che svolgono come sostanze di riserva. Molti animali, prima di affrontare l'inverno, si nutrono fino a produrre uno spesso strato di grasso, che sarà loro utile quando la temperatura diventerà più bassa e il cibo comincerà a scarseggiare.
I grassi rappresentano un materiale di riserva prezioso, perché il loro potere calorico è molto alto. Il potere calorico è la quantità di energia prodotta per ogni grammo di «combustibile» consumato. Il potere calorico dei grassi, che sono molecole leggere, è circa il doppio di quello degli zuccheri.
Il vivente che usa come sostanza di riserva gli zuccheri deve immagazzinare un peso maggiore per avere energia di riserva uguale a quella di un vivente che usa come sostanza di riserva i grassi. Ecco perché gli animali che si muovono utilizzano i grassi e le piante che vivono fisse sul suolo possono permettersi di accumulare zuccheri (l'amido della patata, la farina contenuta nei chicchi di frumento, ecc.).
A differenza degli zuccheri, però, i grassi non possono essere utilizzati direttamente, ma devono prima essere trasformati; per questo motivo lo zucchero costituisce una riserva di energia di pronto impiego e il grasso una riserva a lungo termine.
Proteine, differenti combinazioni di monomeri
Le proteine sono polimeri costituiti da monomeri diversi tra loro. Questi monomeri si chiamano amminoacidi. Si conoscono 20 amminoacidi nei sistemi viventi. In ogni amminoacido si individua un atomo di carbonio, definito centrale , che è legato con:
• un gruppo carbossilico (-COOH), chiamato anche gruppo acido;
• un gruppo amminico (-NH2), costituito da un atomo di azoto legato a due atomi di idrogeno;
• - un atomo di idrogeno;
• un gruppo che varia da amminoacido ad amminoacido, chiamato catena laterale e indicato con il simbolo R (tabella 33.1.).
Tabella 33.1. Ogni amminoacido si distingue per il di verso gruppo R
Quando gli amminoacidi si legano tra loro si ha la formazione di un peptide, Una proteina è una catena peptidica formata da molti amminoacidi. Si conoscono catene peptidiche costituite da oltre 500 amminoacidi. Ogni proteina differisce dall'altra per la composizione in amminoacidi (cioè quali e quanti amminoacidi contiene) e per la sequenza (l'ordine) con cui gli amminoacidi si susseguono nella catena.
Gli amminoacidi si legano tra loro mediante il legame peptidico (-CO-NH-). Il legame peptidico si forma a seguito di una reazione di condensazione che porta alla formazione anche di una molecola di acqua.
Ogni sistema vivente è fatto da biomolecole simili o del tutto identiche a quelle che costituiscono tutti gli altri viventi. Per quanto riguarda una parte delle sue proteine, invece, ogni sistema vivente è unico. Se considerassimo un amminoacido come una lettera dell'alfabeto e una proteina come una parola, teoricamente potremmo immaginare infinite proteine come infinite sono le combinazioni di lettere che formano parole con o senza senso. Ad esempio, con quattro lettere diverse (O, M, R, A) si possono formare sei parole di senso compiuto nella lingua italiana (ROMA/ AMOR/ MORA/ RAMO/ ORMA/ ARMO). Esistono inoltre moltissime altre successioni di quattro lettere che non avrebbero nessun significato nella nostra lingua, ma che sarebbero comunque riconoscibili e che avrebbero perciò una loro specificità. Se non mettessimo limite al numero di lettere per parola, il numero delle parole diventerebbe infinito.
Struttura delle proteine
La sequenza degli amminoacidi in una proteina si. chiama struttura primaria della proteina e determina la specificità delle proteine, la loro riconoscibilità, il loro essere l'una diversa dall'altra (che è poi la causa per cui ogni essere vivente è diverso da un altro).
Nelle proteine si possono riscontrare altri tre livelli di complessità: la struttura secondaria, la struttura terziaria e la struttura quaternaria.
La struttura secondaria descrive come è disposta nello spazio la successione degli amminoacidi. La catena peptidica infatti si può avvolgere a spirale come un filo intorno a una matita; questa struttura a spirale si chiama struttura a elica.
La struttura terziaria di una proteina descrive la forma che l'elica assume nello spazio. La catena si ripiega più volte, in modo da formare una struttura in genere di forma globulare.
La struttura terziaria dipende dalle attrazioni o repulsioni tra i gruppi R degli amminoacidi 'e definisce la specifica forma di ogni proteina. La struttura quaternaria di una proteina è determinata dall'unione di più catene peptidiche. In alcuni casi le catene polipeptidiche, a forma di spirale, si intrecciano tra loro come i fili di una corda, formando microfibrille.
Potremmo utilizzare queste nostre conoscenze per riformulare con un linguaggio diverso e più aderente alla realtà alcune osservazioni fatte dagli studiosi dei secoli passati. Essi avevano osservato che somiglianze e differenze tra i viventi dipendono da come sono fatti e da come funzionano i loro organi e non dal loro aspetto esteriore. Utilizzando questo criterio avevano correttamente concluso che una balena e un topo sono tra loro somiglianti molto più di quanto lo siano, nonostante le apparenze, una balena e un pescecane.
Possiamo interpretare tali conclusioni grazie alle nostre conoscenze sulle proteine. Una balena è costituita da una grande quantità di proteine uguali o simili. a quelle di cui è costituito un topo. Le proteine dI' cui è. fatto un pescecane sono diverse e sono caso mai abbastanza simili alle proteine di cui è fatta una razza. Comunque ogni singolo pescecane, pesce rosso, balena o topo è caratterizzato dall'essere costituito da un certo numero di proteine che sono esclusivamente sue e gli conferiscono la sua specificità.
Le proteine hanno un ruolo insostituibile nell'alimentazione umana e animale. Introdotte nell'organismo, sono scisse in amminoacidi. Gli amminoacidi entrano nelle cellule e sono utilizzati per la costruzione di altre proteine, proprie dell'organismo di cui sono andate a far parte.
Le proteine sono di fondamentale importanza anche nei processi di regolazione delle reazioni chimiche che avvengono nella cellula.
Acidi nucleici.
Gli acidi nucleici sono i polimeri responsabili di tutte le caratteristiche dei sistemi viventi, compresa la specificità delle proteine. I monomeri degli acidi nucleici si chiamano nucleotidi. Ogni nucleotide è una struttura complessa originata dall'unione di tre molecole:
• un derivato dell'acido fosforico, chiamato gruppo fosfato;
• uno zucchero a 5 atomi di carbonio, che può essere il deossiribosio o il ribosio;
• una molecola contenente azoto, chiamata base azotata.
Esistono due tipi di acidi nucleici: il DNA e l'RNA. La prima sigla sta per acido deossiribonucleico; la seconda per acido ribonucleico.
Lo zucchero presente nei nucleo ti di del DNA è il deossiribosio. La base azotata dei nucleotidi del DNA può essere adenina, citosina, guanina o timina.
Nel DNA si possono perciò avere quattro nucleotidi diversi. I nucleotidi dell'RNA si distinguono da quelli del DNA perché lo zucchero in essi presente è il ribosio. Inoltre le basi azotate dell'RNA sono adenina, citosina, guanina e uracile, quest'ultimo al posto della timina.
I nucleotidi degli acidi nucleici si legano per formare lunghe catene: il gruppo fosfato di un nucleo tide si lega allo zucchero del nucleotide successivo.
L'ordine con cui sono legati i differenti nucleotidi conferisce un alto grado di specificità agli acidi nucleici: diverse sequenze di nucleotidi originano diverse molecole di DNA e RNA. Per la specificità degli acidi nucleici si possono fare le stesse considerazioni fatte per la specificità delle proteine, con la differenza che i monomeri diversi sono i nucleotidi (invece degli amminoacidi) e il polimero è la catena polinucleotidica (invece della catena polipeptidica).
Struttura del DNA
La molecola di DNA è costituita da due successioni di nucleotidi che hanno forma di elica; le due
eliche sono tenute assieme da particolari legami chimici, detti legami idrogeno (...), che uniscono le basi azotate di un'elica con le basi azotte dell'altra. Le due eliche sono complementari.
Complementari significa che l'adenina (A) di una elica si lega sempre e solo alla timina (T) dell'altra e che la citosina (C) si lega sempre e solo alla guanina (G), nel modo seguente:
A ... T, T ... A, C ... G, G ... C.
La conoscenza della sequenza di basi di un filamento permette così di determinare la sequenza del filamento complementare.
Se rappresentiamo la successione di deossiribosio e gruppo fosfato come un nastro, la struttura della doppia elica del DNA può essere raffigurata come due nastri che si avvolgono a spirale nello spazio rimanendo alla stessa distanza l'uno dall'altro. Sono, perciò, parallele, o meglio, anti-parallele; infatti, come si vede nella figura 33.25., una delle catene è rivolta in un verso, l'altra nel verso opposto.
I legami che tengono insieme i due nastri sono rappresentati dai legami idrogeno tra le coppie delle basi azotate.

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