Biologia vegetale

>LE PROTEINE

Sono le macromolecole più abbondanti nei sistemi viventi e svolgono un ruolo essenziale per la cellula.

Queste sono polimeri di amminoacidi, molecole contenenti azoto: gli amminoacidi, nonostante esistano

migliaia di proteine, sono solo 20. Nelle piante le proteine sono concentrate principalmente nei semi e sono

fondamentali per l'embrione: esse costituiscono infatti una riserva di aminoacidi che viene utilizzata

dall'embrione quando riprende la crescita durante la germinazione del seme.

Ogni specifica proteina presenta una precisa disposizione di amminoacidi. Gli aminoacidi hanno la stessa

struttura di base: presentano un carbonio centrale, un gruppo amminico -NH2, un gruppo carbossilico -COOH,

un idrogeno e un gruppo funzionale R. Quest'ultimo è casuale e determina l’identità di ogni amminoacido.

Gli amminoacidi si formano a partire dagli zuccheri, quindi da Carbonio e Idrogeno. L'azoto invece, è presente

principalmente nell'atmosfera sotto forma di gas e, solo pochi microrganismi sono capaci di fissare l'azoto

atmosferico dando luogo ad ammoniaca, nitriti e nitrati: questi microorganismi sono detti azotofissatori. Le

piante incorporano l'azoto a partire da ammoniaca, nitriti e nitrati per formare poi aminoacidi. Gli animali

invece utilizzano come fonte di azoto gli aminoacidi assunti con la dieta ma sono in grado di sintetizzare solo

alcuni. Gli aminoacidi che non possiamo sintetizzare, sono 9 e sono detti amminoacidi essenziali, e noi

dobbiamo necessariamente assumerli mediante una dieta equilibrata.

Le proteine, dette anche polipeptidi, sono catene formate da centinaia o migliaia di amminoacidi legati tra

loro. La formazione del polipeptide avviene mediante una sintesi per deidratazione: il gruppo amminico di

un aminoacido si lega al gruppo carbossilico dell'aminoacido adiacente, con conseguente perdita di una

molecola d'acqua. Questo processo richiede energia e, tra i due aminoacidi, si va a formare un legame

covalente chiamato PEPTIDICO.

Ogni proteina ha una struttura primaria che corrisponde

alla sequenza lineare degli amminoacidi. Ogni tipo di

polipeptide ha una differente struttura primaria e, ad

ogni polipeptide corrisponde quindi una specifica

sequenza di aminoacidi. La sequenza degli aminoacidi

determina la configurazione strutturale di una molecola

di polipeptide e, di conseguenza, determina le

caratteristiche strutturali e la funzione biologica della

proteina di cui esso fa parte. Anche una piccola variazione

nella sequenza può alterare o eliminare le funzioni della

proteina.

Spesso tra gli amminoacidi si verificano delle interazioni chimiche in seguito alle quali la molecola si ripiega

in un modello definito struttura secondaria. Una catena può assumere un numero limitato di forme perché

i legami peptidici sono rigidi. Le due strutture secondarie più comuni sono:

• α-elica, la cui forma elicoidale viene mantenuta da legami idrogeno

• Foglietto β ripiegato, in cui le catene polipeptidiche sono allineate in parallelo, sono legate da legami

idrogeno e danno luogo ad una forma a zig-zag.

Le proteine che presentano principalmente una struttura secondaria sono le proteine fibrose. Queste

possono hanno ruoli strutturali molto importanti e forniscono sostegno e forma agli organismi.

In altre proteine, note come proteine globulari, la struttura secondaria si ripiega per formare la struttura

terziaria. Per alcune proteine il ripiegamento avviene in maniera spontanea, tramite un processo di

autoassemblaggio; in altre invece intervengono particolari proteine, dette chaperoni molecolari, che

facilitano il processo bloccando la formazione di ripiegamenti non corretti. Le proteine globulari sono

strutturalmente complesse e comprendono enzimi, proteine di membrana e proteine di trasporto. La

struttura terziaria si forma in seguito a complesse interazioni tra i gruppi R degli aminoacidi. Queste

interazioni comprendono:

• Le attrazioni e le repulsioni tra aminoacidi con gruppi R polari;

• Le repulsioni tra aminoacidi con gruppi R non polari e le molecole di acqua circostanti.

La maggior parte delle interazioni che determinano la struttura terziaria di una proteina è rappresentata

soprattutto da legami deboli che possono essere spezzati facilmente in seguito a cambiamenti chimici e fisici

ambientali. Questa disgregazione della struttura prende il nome di denaturazione.

Alcune proteine sono costituite da più catene polipeptidiche che possono essere unite mediante legami

idrogeno, ponti disolfuro, forze idrofobe, attrazioni tra cariche positive e negative o, molto più spesso, da

combinazioni di questi tipi di interazioni. Questo livello di organizzazione delle proteine, quindi l'interazione

tra più polipeptidi, è chiamato struttura quaternaria.

Proteine molto importanti sono gli enzimi: proteine globulari che fungono da catalizzatori. I catalizzatori

sono sostanze che hanno la proprietà di aumentare la velocità delle reazioni chimiche mediante una

riduzione dell'energia di attivazione. I catalizzatori rimangono però inalterati durante il processo e per questo

motivo possono essere riutilizzati più volte e sono sufficienti in piccole quantità. Il nome dell'enzima si forma

aggiungendo il suffisso -asi alla radice del nome del substrato. Attualmente sono noti circa 2000 differenti

enzimi, ciascuno dei quali è capace di catalizzare una specifica reazione chimica.

>GLI ACIDI NUCLEICI

Gli acidi nucleici sono costituiti da lunghe catene di molecole chiamate nucleotidi. Un nucleotide è costituito

da tre componenti: un gruppo fosfato, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e una base azotata, ovvero

una molecola che ha le proprietà di una base e contiene azoto. Lo zucchero di un nucleotide può essere sia il

ribosio che il deossiribosio, che contiene un ossigeno in meno. Nei nucleotidi si differenziano cinque diverse

basi azotate: adenina, guanina, citosina, uracile e timina.

Negli organismi viventi esistono due tipi di acidi nucleici: acido deossiribonucleico o DNA, che contiene il

deossiribosio e acido ribonucleico o RNA, che contiene invece il ribosio come zucchero.

DNA ed RNA svolgono ruolo biologici differenti:

• il DNA è il portatore dell'informazione genetica, organizzata in unità definite geni;

• l'RNA invece è impiegato nella sintesi dele proteine, che si basa comunque sull'informazione fornita

dal DNA. Alcune molecole di RNA, come i ribozimi, si comportano come dei catalizzatori.

La differenza tra DNA ed RNA sta quindi nella differenza di base azotata, nello zucchero diverso e nel fatto

che il DNA assuma una struttura a doppio filamento mentre l' RNA si presenta sotto forma di singolo

filamento. DNA ed RNA si formano mediante sintesi per deidratazione. La macromolecola di acido nucleico è

una lunga catena lineare di nucleotidi: le molecole di DNA, in particolare, vengono considerate le

macromolecole più grandi delle cellule.

I nucleotidi liberi degli acidi nucleici hanno una funzione molto importante nei sistemi viventi. Essi, quando

vengono modificati mediante l'aggiunta di due gruppi fosfato, diventano i trasportatori dell'energia

necessaria a fare avvenire le reazioni chimiche nella cellula. Il principale trasportatore di energia è

rappresentato dall'adenosintrifosfato o ATP. I legami che uniscono i gruppi fosfato sono deboli e possono

essere facilmente rotti per idrolisi, rilasciando una grande quantità di energia durante il processo. I prodotti

dell'idrolisi dell'ATP sono:

• ADP(=adenosindifosfato);

• Fosfato inorganico;

• Energia in quantità sufficiente da guidare molte reazioni cellulari che la richiedono.

Durante la respirazione, quando il glucosio viene ossidato ad anidride carbonica e acqua, l'ADP viene

ricaricato ad ATP.

Tutte queste molecole sono definite METABOLITI, e non possono mancare all'interno della cellula: sono

essenziali e vengono definiti primari.

➢ I METABOLITI SECONDARI

Nella pianta esistono altre molecole non essenziali che però aiutano la pianta a svolgere varie funzioni.

Queste molecole prendono il nome di metaboliti secondari, o meglio specializzati. Hanno un ruolo

fondamentale nell'interazione tra la pianta e l'ambiente.

Kossel definisce il metabolismo di base come l'insieme di tutte le vie necessarie per la sopravvivenza della

cellula. I prodotti del metabolismo secondario, che derivano dai metaboliti primari, aiutano la pianta ad

interagire con l'ambiente e a difendersi dall'attacco di predatori e agenti patogeni, dando via a una vera e

propria guerra chimica.

Esistono metaboliti secondari, specialmente pigmenti colorati, che creano una vera e propria protezione dai

raggi UV, dalla radiazione ultravioletta. Altri metaboliti hanno la funzione di attrarre insetti impollinatori

emanando un caratteristico odore: in questo modo facilitano l'impollinazione e la riproduzione della pianta.

Altri ancora producono sostanze tossiche o odori poco gradevoli con lo scopo di allontanare gli animali: alcuni

esempi di queste sostanze sono la cicuta, la ricina, la nicotina.

Un'altra funzione fondamentale dei metaboliti secondari è la comunicazione. Le piante comunicano tra loro

mediante un processo chimico: emettono sostanze (metaboliti secondari) nel terreno o nell'aria e questo

permette alle piante di entrare in relazione.

I metaboliti secondari non sono uniformemente distribuiti nelle piante. La loro sintesi avviene in uno specifico

organulo, tessuto o tipo di cellula, in un determinato stadio dello sviluppo. All’intero delle cellule che li

producono non sono dispersi nel citoplasma ma vengono prodotti e conservati nel vacuolo. Nel vacuolo

rimangono latenti fino al momento in cui l’organulo si romperà ed essi entreranno nel citoplasma e

inizieranno la loro attività. Alcuni di essi, come le fitoalessine, sono composti antimicrobici che vengono

prodotti solo in seguito ad una ferita o all’attacco di batteri e funghi.

I metaboliti secondari si dividono in tre classi, molto diversificate tra loro. Queste classi sono:

• Alcaloidi;

• Terpenoidi, che sono i più abbondanti

• Composti fenolici, che sono invece i metaboliti più studiati.

Gli alcaloidi sono presenti nel 20% delle specie vegetali presenti nel pianeta e hanno grandi effetti

farmacologici. Hanno proprietà alcaline e vengono sintetizzati a partire dagli amminoacidi: hanno sempre un

atomo di azoto all'interno delle loro molecole. Il primo alcaloide ad essere scoperto fu la morfina, estratta

dal papavero da oppio: questa ha azione analgesica, e va quindi ad alleviare il dolore, e viene utilizzata come

sedativo. Altri alcaloidi sono la cocaina, la caffeina, la nicotina e l’atropina.

La caffeina è una sostanza che normalmente ha azione stimolante ed eccitante. Nella pianta però ha funzione

di difesa: viene infatti prodotta dalle