Biologia (5/10): Le macromolecole

Un polimero è una grande molecola costituita dall'unione di numerose subunità identiche o simili, dette monomeri.
Possiamo pensare al polimero come ad un treno con tante carrozze uguali.
I carboidrati, le proteine e gli acidi nucleici sono dei polimeri.
I monomeri sono collegati attraverso una reazione in cui due molecole vengono legate covalentemente l'una all'altra con la perdita di una molecola d'acqua, nel processo chiamato reazione di disidratazione (o di condensazione).
Durante il legame di 2 monomeri, uno di questi perde un gruppo ossidrile -OH mentre l'altro perde un atomo di idrogeno -H, questo processo si ripete per ogni legame che crea il polimero e può essere realizzato solo grazie agli enzimi (proteine che accellerano le reazioni chimiche).
I polimeri vengono smontati tramite l'idrosi, dove i legami vengono rotti mediante l'aggiunta di molecole d'acqua che attacca un suo atomo di idrogeno ad un monomero, mentre all'altro monomero si attacca il gruppo ossidrile rimanente (un esempio di idrosi sono i processi digestivi).
Le classi delle molecole polimere differiscono per la struttura chimica dei loro monomeri, ma i meccanismi che legano o separano i polimeri sono sempre gli stessi a prescindere del tipo di polimero.
A partire da un piccolo numero di monomeri è possibile costruire un'infinità di polimeri.
Ogni cellula contiene migliaia di tipi differenti di macromolecole, ciascuna costituita a partire da 40-50 monomeri di base più pochi altri presenti solo raramente.
La variabilità delle macromolecole/polimeri sta nella diversa disposizione dei monomeri.

I carboidrati

I carboidrati comprendono gli zuccheri e i loro polimeri, gli zuccheri semplici (monosaccaridi) sono i carboidrati più semplici, mentre i disaccaridi sono zuccheri doppi, i polisaccaridi sono invece polimeri costituiti da numerose unità di monosaccaridi.
Gli zuccheri, i carboidrati più piccoli, servono da combustibile e come fonte di atomi di carbonio.
I monosaccaridi di solito hanno formule molecolari che sono multiple della formula base CH₂O.
Il monosaccaride più comune è il glucosio, che è un elemento molto importante per la chimica della vita e nel quale si trovano tutte le caratteristiche distintive dello zucchero.
Uno zucchero si dice aldoso o chetoso a seconda della posizione del gruppo carbonilico.
Un altro criterio di classificazione degli zuccheri sta nella lunghezza dello scheletro carbonioso che va da 3 a 7 atomi di carbonio (esosi, triosi, pentosi, ecc...).
Un altro elemento di variabilità è dato dalla diversa disposizione dei sostituenti legati agli atomi di carbonio asimmetrici.
I monosacccaridi sono importanti perchè durante la respirazione cellulare le cellule estraggono l'energia depositata nelle loro molecole.
Un disaccaride è il prodotto dell'unione di 2 monosaccaridi legati attraverso un legame glicosidico, un legame covalente formato tra 2 unità di monosaccaridi la disidratazione.
Il più comune disaccaride è il saccarosio, usato dalle piante per trasportare carboidrati da una parte all'altra del proprio corpo.
I polisaccaridi hanno la funzione di materiali di riserva e di materiale strutturale da costruzione per la sintesi di strutture per la protezione delle cellule o di altre parti dell'organismo.
L'architettura e la struttura dei polisaccaridi son determinate dal tipo di unità monomeriche costitutive e dalla posizione dei legami glicosidici.
Tra i polisaccaridi di deposito è famoso l'amido, costituito esclusivamente da unità di glucosio ed ha una forma elicoidale, presente nelle piante.
Negli animali è presente il glicogeno, riserve di zucchero che nell'uomo si esauriscono dopo un giorno se non ripristinate con l'alimentazione.
Tra i polisaccaridi strutturali è famosa la cellulosa, un polimero di glucosio che il principale costituente della resistente parete che racchiude le cellule vegetali, che rappresenta il materiale organico più abbondante sulla terra.
Possono esserci due forme cicliche risultanti dal glucosio, alpha e beta (nell'amido tutti i monomeri di glucosio si trovano nella posizione alpha, nella cellulosa si trovano in beta).
Una molecola di cellulosa è dritta e mai ramificata e nelle pareti delle cellule vegetali, le molecole di cellulosa parallele si raggruppano in unità dette microfibrille, formando un resistente materiale.
La cellulosa è anche importante nella dieta alimentare, molti alimenti come la frutta e le verdure, sono ricchi di fibra.
Un altro importante polisaccaride strutturale è la chitina, un carboidrato usato dagli insetti per costruire il proprio esoscheletro (un rivestimento che circonda le parti molli dell'animale).
La chitina si trova anche nei funghi dove viene usata al posto della cellulosa come materiale di costruzione delle pareti cellulari, la chitina infatti è simile alla cellulosa.

I lipidi

I lipidi sono grandi molecole non abbastanza grandi da essere considerate macromolecole polimere, tutte idrofobe e costituite soprattutto da regioni idrocarburiche.
Sono gruppi di sostanze dalla forma e dalle funzioni molto diverse, tra cui i più importanti sono i grassi, i fosfolipidi e gli stereoidi.
Un grasso è costituito a partire da 2 molecole più piccole: il glicerolo, un alcol costituito da 3 atomi di carbonio ciascuno dei quali con funzione ossidrilica, e l'acido grasso, un composto con una lunga catena carboniosa (16/18 atomi di carbonio).
Ad un'estremità dell'acido grasso è presente un gruppo funzionale di carbossilico, alla quale è legata una lunga catena idrocarburica.
L'idrofobicità di queste molecole è dovuta ai legami C-H apolari presenti sulle code idrocarburiche.
Il triacilglicerolo è l'acido grasso risultante dal legame di 3 molecole di acidi grassi con 1 di glicerolo attraverso la reazione di un gruppo ossidrilico ed uno carbossilico.
Gli acidi grassi variano per lunghezza e per numero e posizione dei doppi legami.
Un acido grasso saturo si ha quando negli atomi di carbonio che costituiscono la coda dell'acido grasso, non son presenti doppi legami e quindi la catena carboniosa contiene il numero massimo possibile di atomi di idrogeno.
L'acido grasso insaturo invece contiene uno o più doppi legami formati dalla rimozione degli atomi di idrogeno dallo scheletro carbonioso, e in corrispondenza di questi doppi legami la molecola dell'acido grasso presenta una piegatura.
La maggior parte dei grassi animali sono saturi.
Gli oli sono grassi insaturi di pesci e vegetali, in forma liquida a temperatura ambiente.
Una dieta ricca di grassi saturi può far venire malattie cardiovascolari (aterosclerosi), a causa delle placche che possono impedire il flusso ematico e possono ridurre l'elasticità dei vasi.
La principale funzione dei grassi è quella di deposito di energia, inoltre il tessuto adiposo forma cuscinetti attorno ad organi essenziali come il rene ed uno strato al di sotto della pelle che agisce da isolante per il corpo.
I fosfolipi sono simili ai grassi, ma le loro molecole contengono solo 2 acidi grassi anzichè 3, ed il terzo gruppo ossidrilico del glicerolo è invece unito a un gruppo fosfatico con carica negativa.
Altre piccole molecole, di solito cariche o polari, si legano al gruppo fosfato formando una varietà di fosfolipidi.
Le code idrocarburiche dei fosfolipidi sono idrofobe, mentre la testa costituita dal gruppo fosfato e la molecola ad esso legata sono idrofile.
I fosfolipidi sono i principali costituenti delle membrane cellulari dato che si dispongono in doppio strato intorno alla testa, con la testa idrofila all'esterno e le code rivolte verso l'interno.
Gli stereoidi sono lipidi caratterizzati da uno scheletro carbonioso costituito da 4 anelli fusi.
Un importante stereoide è il colesterolo, comune costituente delle membrane delle cellule animali, svolge funzioni importanti negli animali ma una sua elevata concentrazione può favorire l'aterosclerosi.
Molti ormoni sessuali sono ormoni stereoidi prodotti dal colesterolo.

Le proteine

Le proteine costituiscono circa il 50% del peso secco della maggior parte delle cellule e partecipano praticamente a tutte le funzioni svolte negli organismi.
Sono utilizzate come supporto strutturale, deposito per il trasporto di altre sostanze, la segnalazione tra una parte e l'altra dell'organismo, il movimento e la difesa contro agenti estranei, inoltre come enzimi regolano il metabolismo.
Un essere umano produce decine di migliaia di tipi diversi di proteine, ciascuna con diversa struttura e funzione.
Le proteine sono le molecole più sofisticate come struttura e sono tutti polimeri costituiti a partire dallo stesso gruppo di 20 amminoacidi.
I polimeri degli amminoacidi sono detti polipeptidi e una proteina è costituita da uno o più polipeptidi.
Le principali funzioni delle proteine sono: proteine strutturali (supporto), di deposito (di amminoacidi), di trasporto (di altre sostanze), ormonali (coordinamento di attività corporee), recettoriali (risposta della cellula a stimoli fisici), contrattili (movimento), di difesa (protezione contro le malattie), enzimatiche (accellerazione selettiva di reazioni chimiche).
Gli amminoacidi sono molecole organiche contenute sia gruppi di carbossilici che gruppi amminici.
L'aminoacido è costituito così: al centro della molecola c'è un atomo di carbonio asimmetrico C detto carbonio alpha, legato covalentemente a 4 sostituenti diversi, un atomo di idrogeno H, un gruppo carbossilico, un gruppo amminico e un gruppo variabile indicato come R detto catena laterale, che differenzia un amminoacido da un altro.
Con 20 amminoacidi differenti le cellule costruiscono migliaia di proteine differenti.
Le proprietà fisiche e chimiche della catena laterale determinano le peculiari caratteristiche di un particolare amminoacido, ci sono gruppi di amminoacidi idrofobi con catene apolari e gruppi idrofili con catene polari, amminoacidi acidi con catene con carica negativa, amminoacidi basici con catena con un gruppo basico di solito positivo.
Gli amminoacidi sono legati tra di loro formando un legame peptidico quando due amminoacidi sono disposti in modo che il gruppo carbossilico di uno viene a essere vicino al gruppo amminico dell'altro e un enzima determina l'unione dei 2 tramite disidratazione.
Diversi legami peptidici formano un polimero di amminoacidi, con ad una estremità della catena un gruppo amminico libero N e all'altra estremità un gruppo carbossilico C.
Lo scheletro polipeptico è la sequenza ripetitiva degli atomi lungo la catena polipeptidica.
La lunghezza dei polipeptidi varia da pochi monomeri a migliaia.
La funzione di una proteina dipende dalla sua specifica conformazione.
Una proteina funzionalmente attiva è costituita da una o più catene polipeptidiche ruotate e avvolte su se stesse che formano una macromolecola dalla forma tridimensionale.
La particolare sequenza amminoacida di una proteina determina il tipo di struttura in un numero incalcolabile di variazioni e la specifica conformazione di una proteina determina il modo in cui essa agisce, e quasi sempre la di una proteina dipende dalla capacità di riconoscere qualche altra molecole e di legarvisi (es protezione contro virus isolati appiccicandoci proteine, o recettori che si incastrano perfettamente).

I 4 livelli strutturali della proteina

1. Struttura primaria: è la specifica sequenza amminoacida della proteina (es lisozoma), è come l'ordine delle lettere in una parola molto lunga, dove la precisa struttura primaria di una proteina è determinata non dall'associazione casuale degli amminoacidi, ma dall'informazione genetica ereditaria presente in ogni organismo.
   Un cambiamento anche modesto della struttura primaria può influenzare la conformazione ed il funzionamento della proteina (es anemia falciforme, globuli rossi).
   Ciascun tipo di proteina possiene una peculiare struttura primaria, ovvero una precisa sequenza amminoacida.
2. Struttura secondaria: sono segmenti di catena polipetidica avvoliti o ripiegati in modo ripetitivo che formano strutture che contribuiscono alla conformazione complessiva della proteina e sono stabilizzate dalla presenza di legami a idrogeno a intervalli regolari lungo lo scheletro della catena polipeptidica.
   La struttura secondaria può assumere la forma alpha ad elica o a foglietto pieghettato beta.
   La proteina della seta della tela del ragno ad esempio, contiene numerose regioni construttura a foglietto beta, dove l'azione congiunta di un elevato numero di legami a idrogeno rende ogni fibra più resistente dell'acciaio.
3. Struttura terziaria: consiste nel ripiegamento irregolare delle catenere laterali R dei vari amminoacidi.
   Le interazioni idrofobiche contribuiscono alla stabilizzazione della struttura terziaria, con le forze di Van der Waals che contribuiscono a mantenere vicine le catene laterali non polari, o anche con i legami a idrogeno che si formano tra le catene dotate di carica positiva e negativa, e infine anche i ponti disolfuro (forti legami covalenti) servono alla stabilità.
   Tutti questi tipi diversi di legami possono essere presenti nella stessa proteina.
4. Struttura quaternaria: è la proteina nel suo complesso, risultante dall'aggregazione delle varie subunità polipeptidiche (es: collageno=resistenza tessuto connettivo, emoglobina).

La denaturazione avviene quando la proteina perde la sua forma ottimale, divenendo biologicamente inattiva.
Le proteine possono denaturarsi venendo a contatto con solventi o con prodotti in grado di distruggere i legami a idrogeno, i legami ionici e i ponti di didsolfuro, oppure a causa di un eccessivo riscaldamento.
Una proteina denaturata in provetta riacquista solitamente la forma originaria quando viene allontanato l'agente denaturante.
L'informazione per la costruzione di una specifica forma è contenuta nella struttura primaria di una proteina, ed è la sequenza amminoacidica che determina la conformazione.
Il ripiegamento di una proteina viene detto folding e può avvenire grazie a le chaperonine, molecole proteiche che assistono il folding di altre proteine, che agiscono mantenendo il polipeptide lontano dalle fonti che potrebbero denaturizzarlo durante il processo di ripiegamento spontaneo.
Una chaperonina molto studiata è l'escherichia coli, che è come un cilindro che fa entrare il polipeptide e poi si chiude con un tappo fino a quando questo non raggiunge la forma giusta.

Per determinare la struttura di una proteina gli scienziati usano la cristallografia a raggi X, che si basa sulla diffrazione di un fascio di raggi X da parte dei singoli atomi presenti nel cristallo della proteina (precedentemente cristallizzata), e sulla ricostruzione del modello della proteina con le coordinate degli atomi trovate.

Gli acidi nucleici

La struttura primaria di una proteina è programmata in un'unità ereditaria detta gene.
I geni sono costituiti da DNA, un polimero appartenente alla classe dei composti noti come acidi nucleici.
Esistono 2 tipi di acidi nucleici, l'acido desossiribonucleico DNA, e l'acido ribolucreico RNA.
Il DNA impartisce le direttive per la propria replicazione e dirige la sintesi dell'RNA, e attraverso questo controlla la sintesi delle proteine.
Una molecola di DNA è molto lunga.
Il DNA è il materiale genetico che gli organismi ereditano dai genitori.
Quando una cellula si riproduce per divisione, il DNA viene copiato e trasmesso da una generazione di cellule alla succesiva.
Nella struttura del DNA sono codificate le istruzioni che programmano tutte le attività cellulari e può esser paragonato ad un programma del computer che dirige ma non è in grado da solo di svolgere le attività, cosa che invece fanno le proteine.
Ogni gene posizionato lungo una molecola di DNA dirige la sintesi di un determinato tipo di RNA, detto RNA messaggero mRNA, questa molecola interagisce con il complesso molecolare che si occupa della sintesi delle proteine, dirigendone la costruzione di polipeptide codificato (DNA->RNA->proteina).
La sintesi delle proteine avviene in strutture cellulari note come ribosomi.
In una cellula eucariota i ribosomi sono nel citoplasma mentre il DNA è dentro il nucleo, e l'RNA messaggero convoglia dal nucleo al citoplasma le istruzioni per la costruzione delle proteine.
Le cellule procariote (batteri) sono prive di nucleo ma anche loro usano l'RNA per inviare un messaggio dal DNA ai ribosomi.
Gli acidi nucleici sono detti nucleotidi, e ogni nucleotide è costituito da 3 parti: una base azotata unita ad un pentoso (1 zucchero a 5 atomi di carbonio) a sua volta legata ad un gruppo fosfato.
Esistono 2 famiglie di basi azotate, le pirimidiniche caratterizzate da un anello esaatomico (sono: citosina C, timina T, uracile U) e le purine caratterizzate da un anello pentaatomico fuso con un anello pirimidinico (sono: adenina A, guanina G).
La timina si trova solo nel DNA, l'uracile nell'RNA.
Il pentoso legato alla base azotata è il ribosio nel RNA e il desossiribosio nel DNA.
La sequenza delle basi lungo il polimero di DNA è unica per ogni  gene, data l'infinità delle possibili sequenze di basi, ed il messaggio di ogni gene per la cellula è codificato nell'apposita sequenza delle 4 basi costitutive (A,C,G,T).
L'ordine lineare delle basi in un gene codifica la sequenza amminoacida (la struttura primaria) di una proteina che a sua volta determina la funzione svolta da tale proteina cellulare.
L'ereditarietà si basa sulla replicazione della doppia elica del DNA.
Le molecole di RNA sono costituite da una singola catena polinucleotidica, mentre le molecole di DNA sono costituite da 2 filamenti nucleotidici avvolti a spirale che formano una doppia elica (scoperta di James Watson e Francis Crick del 1953).
I 2 scheletri di zucchero fosfato si trovano all'esterno mentre le basi azotate sono nella parte centrale dell'elica.
Le 2 catene sono tenute assieme da legami a idrogeno e da interazioni di Van der Waals.
Solo certe coppie di basi sono possibili nella doppia elica, A con T e G con C, ne consegue che sapendo la sequenza di 1 filamento se ne conosce quella dell'altro, ed è così che le cellule si dividono, usando i singoli filamenti divisi da stampo per i nuovi filamenti.
Le sequenze lineari di nucleotidi nelle molecole di DNA, passano dai genitori ai figli, e il DNA di soggetti che sono fratelli sono molto più simili di soggetti della stessa specie non parenti.
Grazie all'esame del DNA si può scoprire la discendenza delle varie specie confrontandone la diversità di DNA, ad esempio la differenza aminoacidica tra uomo e gorilla è molto leggera, al contrario di quella tra uomo e rospo.

<< Lezione precedente - Prossima lezione >>

 

Torna all'elenco delle lezioni