D1 - LE MACROMOLECOLE - Incontro con le scienze integrate - Zanichelli

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1 1. L'acqua e la vita La presenza dell'acqua sul pianeta è considerata una condizione indispensabile per la nascita e lo sviluppo della vita. L'acqua è il mezzo in cui si svolgono tutte le attività vitali; essa riempie sia l'ambiente intracellulare, cioè interno alla cellula, sia quello extracellulare, cioè esterno alla cellula. Il peso di un neonato è determinato per il 75% dall'acqua che il suo corpo contiene, quello di un adulto per il 60%. Ciò significa che una persona di 60 kg è costituita per due terzi, pari a 40 kg, di acqua. In alcuni esseri viventi, come le meduse, l'acqua può raggiungere addirittura il 95% in peso. Tutti i liquidi del nostro corpo sono a base di acqua: il sangue che distribuisce ossigeno e nutrimento alle cellule, il liquido amniotico in cui viviamo immersi per circa 9 mesi prima di nascere, il liquido sinoviale che lubrifica importanti articolazioni dello scheletro, le urine con cui eliminiamo le sostanze di rifiuto. Negli organismi, in particolare quelli terrestri, si verifica una costante perdita di acqua, che deve essere quindi continuamente ripristinata. La proprietà che rende l'acqua il composto primario per la vita è la polarità della sua molecola, cioè il fatto che ciascuna molecola porta una debole carica elettrica positiva a una estremità (dove si trovano i due atomi di idrogeno) e un'altrettanto debole carica elettrica negativa all'altra estremità (dove si trova l'atomo di ossigeno). La debole interazione tra l'estremità positiva di una molecola e quella negativa di un'altra molecola dà luogo a un particolare tipo di legame che può rompersi con una certa facilità: il legame a idrogeno. Grazie alla sua polarità, l'acqua può stabilire delle interazioni con le altre sostanze polari, e quindi a essa affini, dette idrofile. Viceversa, l'acqua non può interagire con le sostanze non polari, che perciò si dicono idrofobe. Le sostanze idrofile come lo zucchero da tavola sono solubili in acqua, mentre quelle idrofobe come gli oli, non lo sono. L'acqua mantiene disciolte anche piccole quantità di gas come l'ossigeno (O 2 ) e l'anidride carbonica (CO 2 ), di cui vediamo svilupparsi le bollicine nell'acqua gassata. L'anidride carbonica è il prodotto di scarto della respirazione cellulare: per via della sua solubilità in acqua, nel nostro corpo è trasportata in gran parte in soluzione nel plasma sanguigno (la parte liquida del sangue) fino ai polmoni che la espellono. L'ossigeno necessario alla respirazione cellulare, invece, è poco solubile e quindi non può essere trasportato in soluzione nel plasma. Per questo molti organismi sono dotati di speciali molecole di trasporto, comel'emoglobina che si trova stipata all'interno dei globuli rossi. Messe in acqua, le molecole biologiche di grandi dimensioni, come le proteine, invece di dare soluzioni limpide come quelle dello zucchero o del sale da cucina, danno luogo a un "insieme" di consistenza gelatinosa, quasi solida. Il citoplasma delle cellule non è altro che un miscuglio, di consistenza gelatinosa, di molecole grandi e piccole e di ioni che nel complesso formano l'ambiente interno delle cellule. 2. Le caratteristiche del composti organici Dei 92 tipi di atomi presenti in natura e rappresentati nella tavola periodica, non tutti si trovano negli esseri viventi: gli elementi chimici che compongono il corpo degli organismi sono infatti relativamente pochi e in percentuale diversa da quella del mondo circostante. Infatti, mentre gli elementi più abbondanti nella crosta terrestre sono ossigeno, silicio, alluminio e ferro, negli organismi viventi sono idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto. Gli elementi presenti nelle molecole dei viventi in maggiore quantità sono detti macroelementi: l'idrogeno (H), l'ossigeno (O) e il carbonio (C) sono i predominanti. A essi seguono l'azoto (N), il fosforo (P) e lo zolfo (S). Oltre ai macroelementi, negli organismi esistono altri elementi chimici presenti in quantità decisamente minore detti oligoelementi. Tra gli oligoelementi troviamo molti metalli, come, per esempio, il ferro (Fe), il magnesio (Mg), il sodio (Na), il potassio (K), lo zinco (Zn) e il rame (Cu). Sebbene siano presenti in piccola quantità, questi elementi controllano molti processi vitali e, se carenti nella 1

2 dieta, possono portare all'insorgenza di malattie. Nell'uomo, per esempio, il ferro è un componente dell'emoglobina, a cui è affidato il trasporto dell'ossigeno nel sangue, il calcio è essenziale per mantenere in buona salute ossa e denti, sodio e potassio sono importanti per la contrazione muscolare e la trasmissione degli impulsi nervosi. Il fatto che la materia vivente sia caratterizzata da una particolare composizione di elementi, che la distingue da quella che forma i minerali e le rocce della crosta terrestre, ha indotto gli scienziati, agli inizi dell'ottocento, a suddividere i composti chimici in organici, che sono tipici degli organismi viventi e inorganici, che sono tipici del mondo non vivente. Le molecole organiche, a confronto con quelle inorganiche che formano l'aria, l'acqua, le rocce, sono di solito molto più grandi: il concatenarsi di molti atomi di carbonio, tra di loro e con gli altri elementi, genera complesse macromolecole. Le macromolecole organiche che costituiscono i viventi vengono chiamate anche biomolecole e rappresentano gran parte della massa di una cellula. Ognuna di esse può contenere anche decine di migliaia di atomi. Ogni atomo di carbonio può infatti formare fino a quattro legami e può legarsi molto tenacemente ad altri atomi di carbonio, creando lunghe catene, lineari o ramificate, e anche anelli. Queste catene sono stabili e costituiscono lo "scheletro chimico" su cui possono aggiungersi altri atomi o gruppi di atomi, in una varietà grandissima di composti. Nonostante la loro complessità, le macromolecole sono però montate in modo semplice, poiché sono costituite dall'unione di un gran numero di molecole più piccole, uguali o molto simili tra loro. Le unità costitutive più piccole delle macromolecole sono dette monomeri; l'insieme di molti monomeri collegati tra loro si dice polimero. In chimica l'assemblaggio dei singoli monomeri in un'unica grande molecola è detto sintesi della macromolecola. La sintesi avviene in genere attraverso un processo ripetitivo, con l'aggiunta di un monomero alla volta alla macromolecola o al polimero in via di costruzione, e con l'eliminazione di una molecola d'acqua per ogni monomero aggiunto: questa reazione chimica è detta condensazione. Con le reazioni di condensazione, la cellula è in grado di sintetizzare una grande varietà di macromolecole, mettendo insieme in vario modo un numero relativamente piccolo di monomeri diversi. Ogni macromolecola, costruita collegando tra loro i vari monomeri, può essere a sua volta demolita con l'aggiunta di una molecola d'acqua per ogni monomero che viene scisso: la reazione di demolizione è detta idrolisi. Durante l'idrolisi i legami tra i monomeri si rompono liberando i singoli pezzi. Processi come la condensazione e l'idrolisi avvengono di continuo all'interno della cellula. Mediante sottrazione o addizione di molecole d'acqua si compie l'incessante lavoro di montaggio di alcune molecole e di smontaggio di altre, a seconda delle esigenze della funzionalità cellulare. 3. Gli zuccheri o carboidrati Il termine zucchero ci fa pensare a un sapore dolce. Eppure lo zucchero più diffuso sulla Terra non è né dolce né digeribile: si tratta della cellulosa. Anche l'amido, un altro importante zucchero, non è dolce anche se, fortunatamente per noi, è digeribile. Che tipo di composti sono gli zuccheri? Gli zuccheri sono composti organici costituiti da carbonio. idrogeno e ossigeno. Poiché nelle loro molecole gli atomi di idrogeno e di ossigeno stanno tra loro nel rapporto 2:1, come nell'acqua (H 2 O), gli zuccheri vengono anche detti carboidrati, cioè composti idrati del carbonio. Gli zuccheri sono sia una riserva energetica, come nel caso dell'amido, sia un'importante componente strutturale delle cellule, come nel caso della cellulosa. Una fondamentale classificazione degli zuccheri li distingue in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Monosaccaridi. Gli zuccheri più semplici, o monosaccaridi, sono costituiti da atomi di carbonio disposti in una catena lineare che in ambiente acquoso si richiude in genere ad anello. 2

3 I monosaccaridi a 5 atomi di carbonio sono detti pentosi, come il ribosio e il deossiribosio, due zuccheri che, vedremo tra breve, entrano nella composizione dell'rna e del DNA. I monosaccaridi a 6 atomi di carbonio sono detti esosi. Il più noto fra questi è il glucosio (C 6 H 12 O 6 ), che viene utilizzato sia dalle piante (da cui viene prodotto tramite fotosintesi), sia dagli animali per ricavare energia durante il processo di respirazione cellulare. Per capire quanto è importante questo zucchero, vi basti sapere che in ogni millilitro del nostro sangue ci deve sempre essere circa 1 mg di glucosio; se la quantità di glucosio nel sangue che arriva al cervello scende al di sotto di 0,3 mg/ml, si verifica una condizione patologica, detta ipoglicemia, a cui segue uno stato confusionale che può anche portare alla morte. Altri zuccheri a 6 atomi di carbonio sono il fruttosio e il galattosio, che hanno la stessa formula del glucosio: C 6 H 12 O 6. Ciò che li differenzia è il modo in cui gli atomi di carbonio, ossigeno e idrogeno si legano tra loro nella molecola. Il fruttosio è lo zucchero più diffuso nella frutta ed è contenuto anche nello sperma, utilizzato come combustibile per il movimento degli spermatozoi. Disaccaridi. Sono costituiti dall'unione di due monosaccaridi. Il saccarosio, lo zucchero da tavola, è composto da glucosio e fruttosio uniti per condensazione con eliminazione di una molecola d'acqua; il lattosio, lo zucchero del latte, è composto da glucosio e galattosio, anch'essi uniti per condensazione. Polisaccaridi. I più importanti polisaccaridi sono la cellulosa, l'amido e il glicogeno, tutti formati dalla condensazione di migliaia di molecole di glucosio. I monomeri sono gli stessi, ciò che differenzia questi polisaccaridi è la ramificazione della catena e l'orientamento nello spazio delle unità di glucosio costituenti. A differenza degli zuccheri semplici, i polisaccaridi non sono in genere solubili in acqua. Questa proprietà è idonea al ruolo svolto che è strutturale e di riserva. La cellulosa è costituita da più di unità di glucosio e forma le pareti delle cellule nelle piante. Poiché le piante rappresentano, in peso, il 97% di tutta la materia vivente, la cellulosa è la molecola organica più abbondante della Terra. Essa costituisce il legno, la carta, il cotone, e per questo è di grande importanza per le attività umane. Non può tuttavia rappresentare la base dell'alimentazione per l'uomo e per molti animali, perché è praticamente indigeribile. I ruminanti per digerire l'erba hanno bisogno di vari stomaci e dell'aiuto di microrganismi. I conigli invece hanno un solo stomaco e digeriscono la cellulosa grazie a microrganismi che stazionano nel tubo digerente e che reintroducono ciclicamente nel proprio intestino ingerendo parte delle proprie feci. L'amido, al contrario della cellulosa, è per noi di facile digestione: basta una piccola differenza di orientamento delle molecole di glucosio nel polimero, una semplice torsione di un legame, per produrre una differenza così importante. L'amido è alla base dell'alimentazione dell'uomo poiché è contenuto nei semi dei cereali, nei tuberi come la patata e nei frutti come la banana. Nel nostro corpo, nel corso della digestione, i legami che tengono unite le unità di glucosio vengono rotti dai succhi digestivi (reazione di idrolisi) e il glucosio viene distribuito alle cellule che lo utilizzano per la respirazione cellulare. Il glicogeno, detto anche "amido animale", è il polimero del glucosio che gli animali immagazzinano come riserva nel fegato. Nell'uomo il glicogeno funge da combustibile dei muscoli: nel corso di un'attività fisica, quando le riserve energetiche dei muscoli si esauriscono, il glicogeno accumulato nel fegato viene spezzato in unità di glucosio che vengono inviate ai muscoli attraverso il flusso sanguigno. 4. I grassi o lipidi I grassi sono importanti composti organici che svolgono diverse funzioni nella cellula: essi forniscono una scorta di energia da utilizzare in carenza di zuccheri, ma soprattutto sono i costituenti fondamentali di tutte le membrane della cellula, sia la membrana plasmatica sia tutte le membrane interne. Sono formati anch'essi da monomeri, montati però in maniera un po' diversa rispetto alle altre macromolecole. I grassi o lipidi sono formati da carbonio, idrogeno, ossigeno e, in alcuni casi, anche fosforo. I loro componenti basilari sono gli acidi grassi, costituiti da una catena di circa atomi di C legati ad atomi di H. 3

4 I comuni grassi di origine vegetale e animale, chiamati trigliceridi, sono formati da tre acidi grassi legati a un composto a tre atomi di carbonio, il glicerolo, detto anche glicerina. Le molecole dei trigliceridi sono idrofobe, cioè insolubili nell'acqua. L'olio, infatti, non si mescola con l'acqua e una macchia di grasso non può essere asportata solo bagnando il tessuto macchiato. I fosfolipidi sono un altro tipo di grassi simili ai trigliceridi. Essi infatti sono costituiti da glicerolo e due acidi grassi, ma al posto del terzo acido grasso contengono un piccolo gruppo con il fosforo che è idrofilo, cioè ha affinità con l'acqua. Questo fa sì che la molecola di un fosfolipide abbia a un'estremità una "testa" idrofila, costituita dal gruppo fosfato, e all'altra una "coda" idrofoba, costituita dai due acidi grassi. Proprio per queste loro caratteristiche strutturali, i fosfolipidi formano le membrane che delimitano le cellule. Sia l'ambiente interno alla cellula, il citoplasma, sia quello esterno sono acquosi e i fosfolipidi tendono a disporsi in un doppio strato, con le "teste" idrofile rivolte verso l'acqua e con le "code" idrofobe orientate le une contro le altre. Altri grassi, formati da molecole diverse da quelle finora descritte, sono gli steroidi. Sono steroidi gli ormoni sessuali, alcune vitamine, come la vitamina D, che interviene nella crescita, e il colesterolo, un componente essenziale delle membrane animali di cui aumenta la stabilità strutturale e la flessibilità. Nell'uomo la maggior parte del colesterolo necessario è prodotto nel fegato; da qui, insieme a quello assunto col cibo, è distribuito all'organismo attraverso il flusso sanguigno. Infine, tra i grassi, ricordiamo le cere che nelle piante impermeabilizzano la superficie di foglie e frutti evitandone il disseccamento: la lucentezza della superficie delle foglie o della buccia di una mela è dovuta al loro rivestimento ceroso. 5. Le proteine sono fatte di aminoacidi In un certo senso, quando guardiamo una persona, possiamo dire che quello che "vediamo" è in gran parte costituito da proteine. Esclusa l'acqua, ogni cellula è fatta per la maggior parte di proteine e si mantiene in vita grazie all'attività chimica che esse promuovono. Le proteine infatti svolgono un'ampia varietà di funzioni: molte di esse hanno il ruolo di enzimi, che sono catalizzatori naturali, cioè molecole capaci di accelerare le reazioni chimiche. Negli organismi esistono migliaia di enzimi, ciascuno dei quali controlla una reazione diversa e specifica, come la pepsina, un enzima digestivo che scinde le proteine nello stomaco. Altre proteine svolgono un ruolo strutturale e forniscono supporto meccanico a cellule e tessuti. Negli animali esempi di proteine strutturali sono il collagene, che si trova all'esterno delle cellule e rafforza i tessuti, e la cheratina che forma la pelle, i capelli e le unghie. Le proteine di trasporto servono a trasferire sostanze specifiche, come l'emoglobina che prende e rilascia l'ossigeno. Ci sono poi le proteine recettore capaci di raccogliere segnali specifici e trasferirli alle strutture interne della cellula addette a rispondere. Molte di queste proteine recettore si trovano nella membrana cellulare dalla quale sporgono verso l'esterno della cellula pronte a captare il loro specifico segnale. Le proteine contrattili, invece, consentono il movimento della cellula; fra le principali si ricorda l'actina e la miosina che sono alla base del processo di contrazione muscolare. Le proteine sono macromolecole costituite da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e un "pizzico" di zolfo. Esse sono formate da una ventina di monomeri simili tra loro, gli aminoacidi, legati tra loro a formare una catena. Ogni aminoacido è costituito da un atomo di carbonio centrale a cui sono legati: un atomo di idrogeno, un gruppo amminico (di formula -NH 2 ), un gruppo carbossilico acido (-COOH) e una catena laterale, indicata di solito con la lettera R, che sta per "radicale". I gruppi che danno agli aminoacidi proprietà chimiche diverse sono i gruppi R, che possono essere di 20 tipi diversi. Nel più semplice dei casi R è un singolo atomo di idrogeno come nell'aminoacido glicina: negli altri casi i gruppi R sono più complessi e possono essere idrofili, oppure idrofobi. Per formare le proteine, gli aminoacidi si uniscono tra loro mediante un legame fra il gruppo amminico di un aminoacido e il gruppo carbossilico dell'aminoacido successivo, con eliminazione di una molecola di acqua (condensazione). Questo legame è detto legame peptidico. Collegando più aminoacidi, tra i 20 disponibili, in successione diversa è possibile ottenere un numero pressoché illimitato di catene proteiche che differiscono l'una dall'altra sia per il tipo di aminoacidi presenti sia per l'ordine, o sequenza, con cui essi si susseguono. 4

5 Le catene di aminoacidi che costituiscono le proteine non sono distese ma si ripiegano e attorcigliano assumendo una struttura tridimensionale caratteristica resa possibile dalla formazione di legami a idrogeno tra i gruppi R di aminoacidi non contigui. La cheratina e il collàgene (la proteina che cementa tra loro le cellule del nostro corpo) sono entrambe proteine filamentose, costituite da più catene attorcigliate insieme a formare una sorta di fune. La maggior parte delle proteine sono invece globulari. In esse la catena di aminoacidi si ripiega più volte per l'instaurarsi di altri legami tra zone distanti fino ad assumere una forma a gomitolo. Alcune proteine, infine, presentano una struttura particolarmente complessa: per esempio, l'emoglobina è formata da quattro catene globulari, due catene alfa e due catene beta all'interno di ognuna delle quali si trova un piccolo aggruppamento di atomi contenente ferro. La struttura tridimensionale di una proteina, che dipende dalla sua sequenza aminoacidica, è di fondamentale importanza per la sua attività: se la forma cambia, la proteina non è più in grado di svolgere la propria funzione. Le proteine che perdono la loro forma e non possono più svolgere la loro funzione subiscono una denaturazione. Ciò può accadere in seguito all'aumento della temperatura o a variazioni del ph (la grandezza che misura l'acidità dell'ambiente). Per esempio, la proteina del bianco dell'uovo, albumina, con il calore si denatura e cambia sapore, aspetto e consistenza: è ciò che accade quando si cuoce un uovo. Il mantenimento di condizioni di temperatura e di ph appropriate è quindi fondamentale per la cellula per preservare la forma e la funzione delle proteine che la costituiscono. Poniamoci ora un problema. Visto che le proteine sono catene di aminoacidi montati secondo un ordine preciso, da dove vengono le istruzioni per il loro montaggio? La molecola che contiene, in codice, l'informazione per la costruzione delle proteine è il DNA di cui ci occuperemo nel prossimo paragrafo. 6. Gli acidi nucleici Il DNA (Acido DeossiriboNucleico) è una macromolecola costituita da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e fosforo. Anche la sua struttura, come quella delle altre macromolecole organiche, è "ripetitiva" e per questo relativamente semplice. Scoprirla però non è stato facile. Nel 1944 alcune ricerche avevano chiaramente indicato che le istruzioni che determinano i caratteri ereditari risiedono nella materia del nucleo. Sottoposta all'analisi chimica, essa risultava formata da vari componenti come zuccheri, acido fosforico e basi azotate (composti contenenti carbonio e azoto). Il problema era capire in che modo tali componenti si collegavano tra loro per formare una lunga macromolecola. Dopo quasi 10 anni due giovani scienziati, l'americano J.D. Watson e l'inglese F. Crick, in una "folle caccia", come essi la chiamarono, tra diversi ricercatori in competizione tra loro, svelarono la struttura del DNA in un famoso articolo pubblicato nel Essi per primi proposero un modello in base al quale la molecola del DNA è costituita da due catene, appaiate e avvolte a elica, ciascuna formata da una successione di monomeri chiamati nucleotidi. Ogni nucleotide è composto da: un gruppo fosfato, indicato nelle figure con P; uno zucchero a 5 atomi di carbonio, detto anche pentoso; una base azotata, cioè una molecola contenente azoto. Nel DNA il pentoso è il deossiribosio e le basi azotate sono quattro: adenina (abbreviata in A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Esistono perciò quattro tipi di nucleotidi: ciascuno di essi è uguale agli altri per quanto riguarda la parte di molecola formata dal deossiribosio e dal gruppo fosfato, mentre ne differisce per la base azotata. Le due catene di nucleotidi sono disposte l'una parallelamente all'altra e sono tenute insieme da deboli legami a idrogeno fra coppie di basi azotate contrapposte; le due catene, infine, si avvolgono a spirale a formare la doppia elica. I legami a idrogeno, che tengono unite, a coppie, le basi azotate di una catena con le basi azotate della catena contrapposta, avvengono secondo un appaiamento obbligato: l'adenina si accoppia solo con la timina (e la coppia si indica con A-T), la guanina solo con la citosina (coppia G-C). Viceversa, T con A e C con G. Si dice 5

6 che A è complementare a T e G è complementare a C. Questo vincolo nell'appaiamento tra le basi azotate complementari è sempre rispettato e quindi permette di sapere, conoscendo la sequenza delle basi di una catena, la corrispondente sequenza delle basi della catena complementare. Possiamo quindi paragonare la doppia elica del DNA a una "scala a chiocciola" le cui ringhiere, ai suoi lati, sono formate dai gruppi fosfato e dalle molecole di deossiribosio che si susseguono; ogni gradino è invece costituito da una coppia di basi unite tra loro da legami a idrogeno. Grazie a questa straordinaria struttura, il DNA è un archivio di informazioni, un "database" presente in tutti gli organismi, anche in quelli più microscopici. Infatti: nella sequenza delle basi azotate contiene, "scritte in codice", le istruzioni necessarie per costruire le proteine indispensabili al funzionamento della cellula; contiene l'informazione per produrre una copia esatta di se stesso; grazie a questa proprietà, una cellula che si riproduce fornisce una copia del proprio DNA alle cellule figlie. L'RNA (o Acido Ribonucleico) è anch'esso formato da nucleotidi: lo zucchero, però, è il ribosio, che differisce dal deossiribosio per un atomo di ossigeno in più, mentre le quattro basi azotate sono le stesse del DNA tranne una, l'uracile (U), che nell'rna sostituisce la timina. Diversamente dal DNA, l'rna non è a doppia elica: esso infatti è costituito da un'unica catena. Una delle funzioni principali dell'rna è quella di trasferire l'informazione contenuta nel DNA dal nucleo al citoplasma, dove è utilizzata per costruire le proteine. 6