Biochimica - macromolecole

Biochimica: macromolecole, la vita e la teoria cellulare

La biochimica è la scienza che studia la composizione chimica degli esseri viventi e dei loro prodotti, insieme alle trasformazioni chimiche alla base della vita. La caratteristica fondamentale degli esseri viventi è di essere costituiti da cellule: queste furono scoperte nel XVII secolo da Robert Hooke; tuttavia, la loro importanza fu solamente pienamente compresa nel XIX secolo, con la formulazione della teoria cellulare secondo la quale tutti gli esseri viventi sono organizzati su base cellulare (anche detta teoria di Schwann).

Caratteristiche degli esseri viventi

• In ogni essere vivente si distinguono vari livelli di organizzazione: si parte da un’organizzazione molecolare fino all’organizzazione in tessuti, organi, apparati e sistemi, fino ad arrivare all’intero individuo. Il grado di organizzazione distingue gli organismi più primitivi da quelli più complessi.
• Gli esseri viventi possono costruire strutture molecolari partendo da materiali più disordinati; questo porta a una diminuzione di entropia (disordine del sistema).
• Gli esseri viventi assumono energia dall’ambiente, e per questo sono definiti sistemi aperti.
• Ogni essere vivente possiede in sé il programma del proprio funzionamento (riproduzione, crescita, sviluppo) sotto forma di molecole chimiche.
• Ogni essere vivente è un sistema omeostatico, capace di mantenersi identico anche al variare delle condizioni ambientali che lo circondano; molti esseri viventi sono infatti capaci di mantenere una temperatura corporea costante anche al variare di quella ambientale.
• Gli esseri viventi sono irritabili, rispondono a perturbazioni del loro stato di omeostasi.
• Sono capaci di riprodursi, sono caratterizzati da crescita e sviluppo e sono capaci di evolversi: gli esseri viventi sono infatti adattati all’ambiente, e l’evoluzione consente all’organismo di adattarsi all’ambiente per sopravvivere.

La cellula e le sue funzioni

La cellula è un sistema biochimico che possiede tutti gli attributi della vita. Le sue molteplici funzioni sono alla base dell’essere vivente, e presenta lo stesso modello fondamentale in tutti gli organismi. Si distinguono tuttavia due modelli di organizzazione cellulare, quello più semplice e primitivo dei procarioti (batteri e alghe) e quello più complesso degli eucarioti.

I virus

I virus sono delle entità a parte, in quanto privi di alcune delle caratteristiche degli esseri viventi; non possono ad esempio riprodursi da soli. Per questo non vengono considerati esseri viventi, sebbene siano capaci di interagire con i sistemi viventi utilizzando l’apparato riproduttivo per potersi moltiplicare.

Organizzazione molecolare nelle cellule

Se si osserva l’attività di una cellula possiamo notare che le molecole che la circondano vengono progressivamente organizzate in livelli strutturali sempre più complessi. Una cellula quindi, vivendo, crea ordine, e ad ogni livello di organizzazione compaiono delle proprietà emergenti che non erano presenti nei livelli precedenti. Ad esempio, le unità costitutive di una proteina contrattile non possiedono le caratteristiche di quest’ultima, e le proteine dei filamenti contrattili non hanno proprietà contrattili. Gli organismi viventi sono quindi dei paradossi, delle eccezioni al secondo principio della termodinamica, secondo il quale qualsiasi sistema isolato evolve spontaneamente solo verso uno stato di maggiore disordine. Questa affermazione è un errore, in quanto le cellule non sono sistemi isolati ma aperti.

Equilibrio chimico e dinamiche della vita

Il concetto di equilibrio chimico è molto importante per spiegare le dinamiche della vita. Una cellula è un sistema non è all’equilibrio, in cui ogni reazione non raggiunge mai l’equilibrio in quanto nuove molecole di reagenti vengono continuamente aggiunte, mentre i prodotti sono sottratti per partecipare ad altre reazioni. La cellula è quindi in continuo movimento, e la sua attività si arresta con la morte.

Elementi costitutivi della materia vivente

La quasi totalità della materia vivente è costituita solamente da 10 elementi, di cui quattro (idrogeno, ossigeno, carbonio, azoto) rappresentano il 99% di tutti gli atomi presenti nell’organismo. Questi hanno la caratteristica di poter formare facilmente legami covalenti molto stabili, e sono quindi idonei a formare una grande varietà di composti. Le molecole presenti nelle cellule mostrano vari livelli di organizzazione e quindi di complessità.

L'acqua nelle cellule

Acqua: è il composto più abbondante nelle cellule. L’acqua, oltre ad agire da solvente, può essere anche reagente (è detta anfipatica) ed influenza la forma e la modalità di interazione di numerose macromolecole; ad esempio, molte proteine solubili si ripiegano in modo da esporre al solvente acquoso la parte polare. Allo stesso modo, alcuni tipi di lipidi si associano in foglietti dove le parti idrofobe sono a contatto tra loro, mentre le parti idrofile sono esposte all’acqua.

Sostanze inorganiche nella cellula

Nella cellula possono essere trovate anche sostanze inorganiche, alcune rappresentano una frazione rilevante del peso cellulare (elementi massivi) mentre altri sono poco rappresentati (elementi traccia).

Molecole organiche semplici

Molecole organiche semplici: idrocarburi, alcoli, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, ammine, amminoacidi, monosaccaridi. Le molecole organiche semplici sono i costituenti elementari di molecole più grandi, dette macromolecole. La maggior parte delle molecole organiche semplici sono caratterizzate da idrofilicità, tuttavia possono presentare anche porzioni idrofobe, le quali conferiscono proprietà di auto organizzazione, come nel caso delle membrane cellulari.

I carboidrati

Sono un gruppo molto vasto di sostanze organiche, la maggior parte delle quali costituita da soli tre elementi: carbonio, idrogeno e ossigeno. Si tratta di sostanze con una grande importanza biologica; svolgono due funzioni principali: una di tipo energetico, e l’altra strutturale. Per quanto riguarda la funzione energetica, i viventi possono accumulare riserve energetiche sotto forma di amido nei vegetali e il glicogeno negli animali. I carboidrati possono essere inoltre classificati in base alla loro complessità chimica:

• Monosaccaridi: le molecole più semplici in forma libera.
• Oligosaccaridi: costituiti dall’associazione di due o poche unità di monosaccaridi.
• Polisaccaridi: polimeri formati da decine di unità monosaccaridiche.

Monosaccaridi

Hanno formula generale (CH₂O)_n e hanno un numero di atomi di C compreso tra 3 e 6. I monosaccaridi sono definiti anche come poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni, in quanto le loro molecole sono formate da una catena di atomi di carbonio i quali sono legati a loro volta ad atomi di idrogeno e a gruppi carbossilici tranne uno, il quale possiede una funzione aldeidica o chetonica. Osservando la formula di due dei monosaccaridi più semplici, la gliceraldeide e il diidrossiacetone, osserviamo che la prima presenta un atomo di C legato a quattro gruppi diversi; un atomo di carbonio in questa condizione viene definito asimmetrico, e le varie molecole che possono esistere vengono definite isomeri ottici. Gli isomeri ottici della gliceraldeide vengono distinti ponendo D- o L- prima del nome a seconda che il gruppo ossidrile si trovi a destra o a sinistra di C. Il diidrossiacetone non possiede isomeri ottici. Si definiscono epimeri due molecole con più centri chirali che differiscono tra loro per uno solo di questi; nel caso degli zuccheri, ad esempio, sono epimeri due molecole che si differenziano per la posizione del gruppo ossidrile.

Tra la classe di esosi ha grande importanza il glucosio, che entra nella costituzione dell’amido, del glicogeno, della cellulosa e di molte altre sostanze, ed è fondamentale per fornire energia agli esseri viventi. Tra i pentosi hanno importanza il ribosio ed il 2-desossiribosio, costituenti dei nucleotidi degli acidi nucleici. In soluzione acquosa molti monosaccaridi si presentano in forma di molecole cicliche originate dalla reazione con il gruppo aldeidico o chetonico e uno dei gruppi ossidrilici della molecola. Poiché la reazione tra un gruppo aldeidico ed uno alcolico produce i semiacetali, le forme cicliche dei monosaccaridi in soluzione sono dette semiacetaliche. Per effetto di questo processo il primo atomo di C della catena diventa asimmetrico, in quanto legato a ossigeno, idrogeno, il gruppo ossidrile e il resto della molecola. Ogni molecola ciclizzando produce quindi due nuovi isomeri, detti anomeri. L’esistenza di queste molecole in natura è importante per poterle riconoscere; ad esempio, solo il D-glucosio può essere utilizzato dai viventi. Per quanto riguarda la reattività chimica, la formazione dei semiacetali avviene con maggiore frequenza tra l’ossidrile legato al carbonio in posizione 5 e il gruppo aldeidico. Nei chetosi e nei pentosi prevale invece la forma furanosica, simile al furano, una molecola a 5C. Per indicare le formule cicliche dei monosaccaridi si usano le formule di proiezione di Haworth, dove la molecola viene rappresentata come un anello penta- o esa- atomico; si tratta tuttavia di formule errate, in quanto suggeriscono che i monosaccaridi abbiano geometria planare, quando è in realtà tridimensionale.

Alcuni derivati dei monosaccaridi hanno grande importanza biologica, come i derivati fosforilati dei pentosi e degli esosi, in cui il gruppo ossidrile è esterificato da una molecola di acido fosforico. I carboidrati possono essere utilizzati solamente in questa forma; un esempio ne è il glucosio, che per poter essere utilizzato dalle cellule deve essere trasformato nell’estere fosforico in posizione 6. Un’altra modificazione chimica degli aldosi è l’ossidazione del gruppo aldeidico con formazione di acidi aldonici o acidi uronici (ossidazione del gruppo alcolico in posizione 6). Nel caso del glucosio si ha la formazione rispettivamente di acido gluconico o acido glucoronico. Gli acidi uronici (ex acido glucoronico) hanno importanza biochimica: nel fegato l’acido glucoronico viene legato a sostanze poco idrosolubili (ex farmaci) per favorirne l’eliminazione per via biliare o urinaria. L’acido ascorbico (vitamina C) è un altro derivato di grande importanza.

Amminozuccheri e altri derivati dei monosaccaridi

Amminozuccheri: molecole dove un gruppo ossidrile è sostituito da una funzione amminica; ad esempio, la D-glucosammina, la cui forma acetilata (N-acetil-D-glucosammina) è la costituente di numerosi polisaccaridi. Altri derivati dei monosaccaridi includono l’acido N-acetilmuramico, uno dei costituenti della parete cellulare batterica, e l’acido N-acetilneuramminico, presente nei rivestimenti polisaccaridici delle cellule degli animali. Quest’ultimo, insieme ai suoi derivati, fa parte degli acidi sialici.

Oligosaccaridi

Quando due molecole di monosaccaride reagiscono, si forma un legame covalente tra il gruppo ossidrile dell’atomo di C anomerico più reattivo ed uno dei gruppi alcolici dell’altra molecola, con perdita di una molecola di acqua. Questo legame è detto legame glicosidico, e tiene uniti i monosaccaridi nei vari polimeri. Gli oligosaccaridi più abbondanti sono i disaccaridi, formati da due unità monosaccaridiche; tra questi, i più importanti sono il maltosio, il saccarosio ed il lattosio.

Polisaccaridi

I polisaccaridi presenti in natura assumono due funzioni principali:

• Hanno funzioni strutturali, di rivestimento, sostegno o collegamento delle cellule.
• Immagazzinano carboidrati nelle cellule.

Il carboidrato più utilizzato per funzioni energetiche è l’alfa-D-glucosio; tuttavia, poiché le cellule non possono accumulare grandi quantità di questa sostanza, legano le molecole tra loro per immagazzinarle. L’amilosio e l’amilopectina sono due forme in cui può presentarsi l’amido, il più importante polisaccaride di riserva nei vegetali, mentre gli animali utilizzano come riserva il glicogeno, abbondante soprattutto nel fegato (il glicogeno epatico ha grande importanza nel mantenimento della glicemia) e nelle cellule del muscolo scheletrico. Una delle differenze tra le cellule animali e le vegetali è che queste ultime sono dotate di un rivestimento rigido, la parete cellulare, costituita principalmente da cellulosa (esempio di polisaccaride strutturale), la sostanza organica più abbondante nella biosfera. I ruminanti possono digerire la cellulosa grazie all’azione dell’enzima cellulasi, che catalizza la rottura dei legami e la liberazione delle molecole di glucosio. Anche le cellule batteriche possiedono un rivestimento simile, costituito da peptidoglicano, la cui unità ripetitiva sono l’N-acetil-D-glucosammina e l’acido N-acetilmuramico. La chitina invece, è il polisaccaride principale nell’esoscheletro degli artropodi.

La matrice extracellulare

Nei tessuti animali, la matrice extracellulare riempie gli spazi tra le cellule; contiene i vasi ematici ed i capillari linfatici, ed è costituita da un intreccio di eteropolisaccaridi e proteine fibrose. Gli eteropolisaccaridi prendono il nome di glicosamminoglicani e partecipano anche alla formazione dei rivestimenti delle cellule di numerosi organi e tessuti. I glicosamminoglicani sono una famiglia di eteropolisaccaridi formati dalla ripetizione di unità in cui uno dei costituenti è sempre N-acetilglucosammina o N-acetilgalattosammina, e l’altro è un monosaccaride acido (spesso acido glucoronico). Spesso oltre al gruppo carbossilico si può trovare gruppi solfato esterificati, che generano acidi fortemente idratati, che in soluzione acquosa conferiscono viscosità. Uno dei più importanti glicosamminoglicani acidi è l’acido ialuronico.

Eparina

L'eparina è un glicosamminoglicano assente nella matrice extracellulare, ma presente nei mastociti lungo la parete delle arterie, fegato, polmoni e cute. Ha azione anticoagulante e viene anche usata come farmaco contro la formazione di trombi.

Proteoglicani e glicoproteine

Sono molecole formate da una porzione glicidica ed una proteica.

• Proteoglicani: prevale la porzione glicidica.
• Glicoproteine: prevale la porzione proteica.

I proteoglicani possono unirsi a formare aggregati proteoglicanici; il più importante proteoglicano è l’aggrecano, abbondante nelle cartilagini. Gli aggregati proteoglicanici interagiscono con proteine fibrose (ex collageno ed elastina), conferendo maggiore elasticità alla matrice extracellulare. La matrice contiene inoltre dei punti di attacco per le cellule immerse, detti punti di adesione. Non ha solamente una funzione di “sostegno” ma ha anche un ruolo attivo nella migrazione cellulare. Tra le glicoproteine più importanti bisogna citare il fibrinogeno, che si occupa della coagulazione del sangue, le immunoglobuline responsabili delle difese immunitarie ed il collageno dei connettivi. La maggior parte delle glicoproteine che forma la membrana cellulare rivolge la porzione glicidica verso l’esterno. Fra queste, hanno importanza quelle presenti sulla membrana dei globuli rossi, che contribuiscono a determinare il gruppo sanguigno. In generale, le porzioni glicidiche hanno funzione di segnale biologico, agendo ad esempio nei fenomeni di inibizione da contatto; ad esempio, le cellule cancerose hanno perso questa caratteristica e poiché la loro proliferazione non può essere arrestata, si riproducono in maniera incontrollata che porta all’invasione dei tessuti circostanti. Questo comportamento è dato da una distribuzione dei carboidrati di superficie in maniera diversa rispetto alle cellule normali.

I lipidi

Sono una classe di sostanze organiche eterogenee, caratterizzate da dimensioni modeste rispetto alle proteine e una solubilità variabile. I lipidi, a temperatura ambiente possono presentarsi sia allo stato solido (grassi) o liquido (oli). Hanno una grande importanza per la vita delle cellule, in quanto possono trovarsi sia in forma libera che associati a molecole di altro tipo, a formare sostanze più complesse come plico lipidi e lipoproteine. Hanno una funzione sia strutturale che energetica, ma svolgono anche altri ruoli; alcune vitamine, alcuni ormoni e le prostaglandine sono di natura lipidica, come i rivestimenti della superficie di molti organismi, soprattutto vegetali. I lipidi vengono classificati in base alla presenza o meno di acidi grassi; si distinguono quindi in lipidi complessi e semplici. I lipidi complessi sono anche detti saponificabili, e contengono molecole di acidi grassi legati covalentemente; reagiscono in soluzione alcalina liberando gli acidi grassi sotto forma di sali.