La composizione chimica di una cellula
Un tessuto vivo e un pezzo di terra hanno gli stessi tipi di elementi (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto…), ma il tessuto vivo contiene molto più carbonio e idrogeno. Per trovare i composti del carbonio si fa una semplice analisi:
- Si macina il tessuto vivo con acido tricloroacetico (Cl₃CCOOH) fino a ottenere una poltiglia.
- Si filtra con un panno o del cotone.
- Il liquido che passa = gruppo solubile in acido (filtrato): molecole piccole come amminoacidi, zuccheri, nucleotidi.
- Ciò che resta sul filtro = gruppo insolubile in acido (residuo): proteine, acidi nucleici, polisaccaridi e lipidi.
Bruciando (incenerendo) il tessuto, tutti i composti del carbonio spariscono; la cenere contiene elementi inorganici (Ca, Mg) e composti come solfati e fosfati.
Le micromolecole hanno una massa molecolare di 18–800 Da e stanno nel gruppo solubile. Le macromolecole (biomacromolecole) superano i 10.000 Da: proteine, acidi nucleici e polisaccaridi. I lipidi sono sotto gli 800 Da, ma finiscono nel gruppo insolubile perché, durante la macinazione, le membrane rotte formano vescicole insolubili.
Cellula tipica in peso: acqua 70–90%, proteine 10–15%, acidi nucleici 5–7%, carboidrati 3%, lipidi 2%, ioni 1%.
Proteine: catene di amminoacidi
Un amminoacido ha un carbonio centrale (carbonio α) che lega quattro gruppi: idrogeno, un gruppo amminico (–NH₂), un gruppo carbossilico (–COOH) e un gruppo R variabile. Il gruppo R decide di quale amminoacido si tratta: R = H è la glicina, R = CH₃ è l'alanina, R = CH₂OH è la serina. In base ai gruppi amminico e carbossilico sono acidi (acido glutammico), basici (lisina) o neutri (valina); alcuni sono aromatici (tirosina, fenilalanina, triptofano). In soluzione, a un certo pH, l'amminoacido porta cariche sia + sia –: è uno zwitterione.
Gli amminoacidi si uniscono con legami peptidici (–CO–NH–), perdendo acqua, e formano polipeptidi. Una proteina è un eteropolimero formato da fino a 20 tipi di amminoacidi. Gli amminoacidi essenziali devono arrivare con il cibo; quelli non essenziali li produce il corpo.
Quattro livelli di struttura
- Primaria: la sequenza degli amminoacidi, dall'estremità N-terminale (la prima) a quella C-terminale (l'ultima).
- Secondaria: tratti della catena si avvolgono in un'elica destrorsa (o formano foglietti).
- Terziaria: la catena si ripiega su sé stessa come un gomitolo di lana: è la forma 3D necessaria per lavorare.
- Quaternaria: due o più catene si incastrano. L'emoglobina umana = 2 subunità α + 2 subunità β.
Compiti: collagene (la proteina più abbondante negli animali) e RuBisCO (la proteina più abbondante della biosfera); tripsina (enzima), insulina (ormone), anticorpi (difesa), GLUT-4 (porta il glucosio nelle cellule), recettori (percepiscono odori, sapori, ormoni).
Carboidrati (polisaccaridi)
Gli zuccheri sono fatti di C, H e O. Glucosio e ribosio sono monosaccaridi. Due monosaccaridi uniti da un legame glicosidico formano un disaccaride (saccarosio, lattosio, maltosio). Le catene lunghe sono polisaccaridi, che si trovano nel gruppo insolubile in acido.
- Amido – riserva di cibo delle piante; le sue spirali (eliche) trattengono lo iodio e danno colore blu.
- Cellulosa – omopolimero del glucosio nelle pareti cellulari delle piante (cotone, carta); non ha eliche, quindi con lo iodio non diventa blu.
- Glicogeno – riserva di cibo degli animali, molto ramificato.
- Inulina – polimero del fruttosio.
- Chitina – polisaccaride complesso di amminozuccheri (come la glucosammina) nell'esoscheletro degli insetti e nelle pareti dei funghi.
In una catena di polisaccaride, l'estremità destra è l'estremità riducente e quella sinistra è l'estremità non riducente.
Lipidi
I lipidi non si sciolgono in acqua. Un acido grasso è un gruppo carbossilico legato a una catena di carbonio (gruppo R); l'acido palmitico ha 16 atomi di carbonio compreso quello del carbossile, l'acido arachidonico 20. Senza doppi legami è saturo; con uno o più doppi legami è insaturo. Il glicerolo (propantriolo) può legare fino a tre acidi grassi: si formano mono-, di- e trigliceridi (grassi e oli – gli oli fondono a temperatura più bassa, per esempio l'olio di sesamo). I fosfolipidi, come la lecitina, hanno un gruppo fosfato e formano le membrane cellulari. Il tessuto nervoso contiene lipidi più complessi. I lipidi, a rigore, non sono né macromolecole né polimeri.
Acidi nucleici
Un nucleotide ha tre parti: una base azotata, uno zucchero pentoso e un fosfato. Base + zucchero senza fosfato = nucleoside (adenosina, guanosina, timidina, uridina, citidina).
- Purine (due anelli): adenina, guanina. Pirimidine (un anello): citosina, timina, uracile.
- DNA: zucchero desossiribosio, basi A, G, C, T; doppia elica – A si appaia con T con 2 legami a idrogeno, G con C con 3.
- RNA: zucchero ribosio, basi A, G, C, U; di solito a singolo filamento.
In un acido nucleico il fosfato unisce il carbonio 3′ di uno zucchero al carbonio 5′ dello zucchero successivo: è un legame fosfodiesterico. Nel modello di Watson e Crick (DNA B) i due filamenti sono antiparalleli, un giro completo ha 10 coppie di basi, l'avanzamento per coppia di basi è 0.34 nm e un giro è lungo 3.4 nm.
Enzimi: tipi, proprietà e azione
Gli enzimi sono catalizzatori biologici – quasi tutti sono proteine; alcuni acidi nucleici si comportano da enzimi e si chiamano ribozimi. Accelerano le reazioni e ne escono invariati.
Come agiscono
Ogni enzima ha un sito attivo, una tasca in cui entra il substrato. E + S → ES (complesso enzima–substrato) → EP → E + P. Per far partire qualsiasi reazione serve energia: l'energia di attivazione. L'enzima la abbassa e la reazione diventa molto più veloce. Esempio: l'anidrasi carbonica trasforma CO₂ + H₂O → H₂CO₃ circa 10 milioni di volte più in fretta (circa 600.000 molecole al secondo invece di circa 200 all'ora).
Fattori che influenzano l'attività enzimatica
- Temperatura e pH: ogni enzima ha un valore ottimale. La temperatura bassa lo rende inattivo per un po'; la temperatura alta lo denatura (ne distrugge la forma).
- Concentrazione del substrato: la velocità sale e poi si stabilizza a Vmax quando tutti i siti attivi sono occupati. Km = concentrazione di substrato a metà di Vmax.
- Inibitori: un inibitore competitivo assomiglia al substrato e blocca il sito attivo – per esempio il malonato blocca la succinico deidrogenasi. Inibitori di questo tipo si usano per controllare i batteri.
Sei classi
- Ossidoreduttasi/deidrogenasi – spostano H o elettroni tra due substrati.
- Transferasi – spostano un gruppo (non H) tra substrati.
- Idrolasi – rompono legami estere, etere, peptidici, glicosidici, C–C o P–N usando acqua.
- Liasi – tolgono gruppi senza acqua, lasciando doppi legami.
- Isomerasi – trasformano un isomero in un altro.
- Ligasi – uniscono due composti (per esempio con legami C–O, C–S, C–N, P–O).
Cofattori
La parte proteica è l'apoenzima. Molti enzimi hanno bisogno di un aiutante non proteico: un gruppo prostetico (legato saldamente, per esempio l'eme nella perossidasi e nella catalasi), un coenzima (legato in modo debole, spesso derivato da vitamine, per esempio NAD e NADP contengono niacina) o uno ione metallico (per esempio lo zinco per la carbossipeptidasi). Se si toglie il cofattore, l'enzima smette di funzionare.
Provalo tu: guarda un enzima al lavoro
Mastica per due minuti un pezzetto di pane o di riso bollito senza ingoiarlo: comincia a sapere di dolce, perché l'amilasi della saliva spezza l'amido in zucchero. Ora prova l'effetto del calore: metti una goccia di iodio su una fetta di patata cruda (blu-nero = amido). Poi taglia una patata cruda e una patata bollita, aggiungi a ciascuna una goccia di acqua ossigenata (da comprare in farmacia): quella cruda frizza perché il suo enzima catalasi lavora; quella bollita frizza appena, perché il calore ha denaturato l'enzima. Confronta tutto questo con il passo 6 del 3D.
Formule e definizioni chiave
- Gruppo solubile in acido: micromolecole (18–800 Da); gruppo insolubile in acido: proteine, acidi nucleici, polisaccaridi (> 10.000 Da) + lipidi
- Amminoacido: carbonio α + H + –NH₂ + –COOH + gruppo R
- Legame peptidico: –CO–NH–; legame glicosidico (zuccheri); legame estere (grassi); legame fosfodiesterico (acidi nucleici)
- Struttura delle proteine: primaria → secondaria → terziaria → quaternaria
- Nucleotide = base + zucchero pentoso + fosfato; nucleoside = base + zucchero
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- Classi di enzimi: ossidoreduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi, ligasi
- Oloenzima = apoenzima + cofattore (gruppo prostetico / coenzima / ione metallico)
Esempi svolti
1. Il tessuto del fegato viene macinato in acido tricloroacetico e filtrato. In quale frazione trovi (a) il glucosio, (b) il DNA, (c) i fosfolipidi?
(a) Il glucosio è piccolo → filtrato (gruppo solubile in acido). (b) Il DNA è una macromolecola → residuo (insolubile in acido). (c) I fosfolipidi sono piccoli, ma le membrane rotte formano vescicole, quindi restano anch'essi nel gruppo insolubile in acido.
2. Un tratto di DNA ha 20 coppie di basi. Quanti giri completi fa la doppia elica e quanto è lungo?
Un giro = 10 bp, quindi 20 ÷ 10 = 2 giri. Lunghezza = 20 × 0.34 nm = 6.8 nm.
3. Una molecola di DNA contiene il 30% di adenina. Trova la percentuale di guanina.
A = T, quindi T = 30%. A + T = 60%, quindi G + C = 40%. G = C, quindi G = 20%.
4. Indica il livello di struttura della proteina: (a) l'ordine degli amminoacidi, (b) le 4 catene dell'emoglobina, (c) l'elica.
(a) Primaria, (b) quaternaria, (c) secondaria.
5. Un enzima unisce due pezzi di DNA formando un legame P–O. A quale classe appartiene?
Unisce due molecole con un nuovo legame → ligasi (DNA ligasi).
6. Un enzima ha Vmax = 100 unità. A quale velocità la concentrazione del substrato è uguale a Km?
Km è la concentrazione di substrato a cui la velocità è metà di Vmax: 100 ÷ 2 = 50 unità.
Errori comuni
- Chiamare i lipidi macromolecole. Sono sotto gli 800 Da; finiscono nel gruppo insolubile in acido solo perché le membrane formano vescicole.
- Pensare che il freddo denaturi gli enzimi. Il freddo li rende solo inattivi per un po'; è il calore alto che distrugge la forma.
- Confondere nucleoside e nucleotide: il nucleoside non ha fosfato; nucleotide = nucleoside + fosfato.
- Dire che la cellulosa diventa blu con lo iodio. Succede solo con l'amido, perché le sue eliche intrappolano lo iodio; la cellulosa non ha eliche.