Macromolecole biologiche E+ trsw**$nee Tra le molecole organiche più diffuse vi sono le proreine: anche più del5OVa (in peso secco) della maggior pame dei sistemi viventi è composto da proteine; solo le piante, per il loro alto contenuto di cellulosa, hanno un contenuto proteico più modesro (meno della metà). Le pro_ utilizzando le letrere deli'alfabeto. Gli organismi, rutra_ via, síntetizzano solo una piccola parte delle proteine teoricamenre possibili. Il batterio Escberichia colif), che fa parte della flora batterica intestinale, per esempio, contiene da 600 a 800 tipi diversi di proteine, mentre la cellula di una piantao di un animale ne possiede sicura_ mente molti di più. Una cellula del vostro corpo conrie_ ne circa 100 milioni di molecole proreiche di circa 10000 tipi differenti, ciascuno con una funzione particolare e ciascuno, per l'unicità della sua natura chimica, teine svolgono un'incredibile varietà dí funzioni nei sistemi viventi; per quanto úguarda la loro struttura, tut, tavia, hanno tutte la stessa semplice impostazione: sono tutte polimeri di molecole contenenti azoto, gli amminoacidi, disposte in sequenza. Nei sistemi viventi, per formare le proteine vengono utilizzati fino a 20 tipi di amminoacidi differenti. ffi Le proteine sono grosse molecole che contengono di amminoacidi; il numero di possibili combinazioni dei 20 amminoacidi è dar,,vero enorme, il che rende possibile una grande varietà di pro- Gli amminoacidi sono costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno e contengono anche 7'azoto. Ogni amminoaci_ do, cioè il monomero che costituisce i polimeri proteici, ha un atomo di carbonio cenÚale legato a un gruppo am- spesso parecchie centinaia teine, forse tante quante sono le frasí che potete scrivere ffixxawg$wfuxxxas sem adibito in modo specifico a quella funzione. &H$ mxmcee#se##*$d$ minico (- NH2), a un gruppo carbossilico (- COOH) *s&sffipxe d$ wpesffi#$m$*;*r "emoglobina e una proteina sintetizH En 7s13 e trasportata dai globuli rossi del sangue. Le sue molecole hanno la speciale proprietà di potersi combinare debolmente con l'ossigeno, catturandolo nei polmoni e liberandolo in altre partidel corpo. La molecola dell'emoglobina ha una struttura quaternaria formata da quattro catene polipeptidiche, ognuna delle quali è costituita da 'l5O amminoa- cidi ed è ripiegata intorno a un gruppo contenente ferro, detto eme. L'anemia falciforme e una maiattia in cui le molecole di emoglobina presentano un'anomalia funzionale: quando l'ossigeno si stacca, esse cambiano forma combinandosi tra loro per formare strutture più rigide e di forma allungata. I globuli rossi che contengono grandi proporzioni di queste molecole si induriscono e si deformano, prendendo la caratteristica forma di falce (figura A). Le cellule deformate sono più fragili dei globuli rossi normali e si rompono facilmente; inoltre possono ostruire i vasi sanguigni piccoli (capillari), provocando coaguli di sangue che impediscono il rifornimento di ossrgeno agli organi vitali. Tutto ciò causa dolori, crisi ricorrenti e, in molti casi, accorcia la durata della vita. L'analisi delle molecole ha rivelato che male e l'emoglobina della cellula falcifor- me è che, in un punto preciso della sequenza di due delle quattro catene della molecola, un amminoacido, l'acido glutammico, è sostrtuito da un altro amminoacido, la valina (figura B). Le molecole dr valina creano due regioni <appiccicose> sulla superficie dell'emoglobina e la reciproca attrazione di queste regioni sulle molecole circostanti fa sì che l'emoglobina delle cellule falciformi dia origine a strutture allungate. F Nell'emoglobina una differenza di solo due amminoacidi su un totale di quasi 600 puo significare il limite tra la vita e la morte; cio dà un'idea di quanto sia importante una precisa disposizione degli amminoacidi in una particolare sequenza proteica. Nei sistemiviventi, che debbono svolgere contemporaneamente molte attività diverse, la specificità della funzione, derivante dalla precisione strutturale di differenti molecole proteiche, è di importanza cruciale. emoglobina normale lemoglobina delle cellule falciformi l'unrca differenza tra l'emoglobina nor- &ry 29 T|i' UNITA DIDATTICA 'ffi Chimica della vita e a un atomo di idrogeno: cidi e, di conseguenza, dei vari tipi di proteine. Osservate ora un esempio di reazione di condensazione (figura Effi1, in cui l'estremità C, carbossilica, di un amminoacido si collega all'estremità N, amminica, di un altro con eliminazione di una molecola d'acqua. Il legame covalente che si forma è detto legame peptidico; la molecola formata dall'associazione di molti amminoacidi è detta polipeptide (figura ffill. gruppo carbossilico RO gruppo amminico I ll H-N-C-C-OH ll HH Questa è la struttura base della molecola, uguale in tutti gli amminoacidi. I vari amminoacidi differiscono tra 10ro per quel gruppo, indicato dalla lettera R, che occupa il quarto legame covalente dell'atomo di carbonio centrale. Esso possiede una struttura chimica diversa in ogni differente tipo di amminoacido (figura ffi); q""ste differenze sono molto importanti perché determinano le diverse proprietà biologiche dei singoli amminoa- R 5 " | HO il polri t{,,,tt, CH. 'I HN-C_C-OH ll HO alanina (a1a) t{urtt, - lil HO I H.NI-C-C-OH I H"N-C-C-OH HO leucina (leu) 'ttl I HN*C-C-OH HO SH I - | HN-C-C-OH lt HO I 't I H.N-C-C-OH il HO treonina (thr) cisteina (cys) n I ( oo r*"t C ,ll YCH. HN-C-C-OH - lil HO acido aspartico (asp) acido glutammico (glu) | HO 1l basici (con carica posit iva HC-N ttcH ll|,/ C-NH I I t' CH. CH, tirosina (tyr) O \,,C NH" CH, CH, ,NH (>CH J' 'til I H.N-C-C-OH HO asparagina (asn) 'til t' H.N-C-C-OH HO istidina (his) NH" I C:NH I 'l t' HrN-î-f-oH *t-è-.-.r" 'I ll HO HO (tp) metionina (met) E STRUTTURA DELLE CELLULE I CH, I H.N-C-C-OH l": l CH. I NH CH, 1". I HN-C-C-OH " I \/ 3ì]G]NE t' CH, a pH 7) t' I\ /)/ prolina (pro) 30 'I t" I OH H,N-î-î-oH HO A1 t" HN*C-C-OH lt HO I CH. CH" I CH, C NH. isoleucina (ile) fenilalanina (phe) ooH \,/C serina (ser) H-C-OH Y triptofano HN-C-C-OH HO glicina (gly) () l-\ " |il I pH 7) ooH I CH, CH. H-C-CHI CH, a OH valina (val) l I acidi (con carica negativa 7) H î", CH" CH 'til polmi (ma neutri t pH CH I mero di amminoacidi per ognuno dei 20 tipi. Dato che gli animali sono capaci di sintetizzare solo alcuni dei propri amminoacidi, essi devono procurarsi tutti gli altri, i cosiddetti amminoacidi essenziali, con la dieta, ingerendo vegetali o carne di animali erbivori. 3.f I gruppi R possono essere non polari, come nell'alanina, polari ma privi di carica, come nella serina, acidi o basici e quindi ionizzalt al pH dell'ambiente cellulare. I HN-C-C*OH non Per potere assemblare gli amminoacidi in proteine, una cellula deve avere a disposizione non solo una quantità sufficiente di amminoacidi, ma anche un elevaro nu- il HO glutamina (gln) I" QHz I CH. - t" til HN-C-C-OH HO arginina (arg) CHr 1". t' CH. t" I' HN-C-C-OH CH. -tll HO lisina (lyg cAPlToLog Macromolecolebiologiche (A) Formazione del legame peptidico. (B) ln seguito all'udi più amminoacidi si forma un poli- =Î6nione per condensazione peptide, la cui catena principale è una sequenza di coppie di atomi di carbonio intervallate da un atomo di azoto. RR glicina I H - NI- CI - .ì-:i:aì1:.!.:;!iiliìt:i:;ltt::: HHO']I I c I- Ill-r,.o1*,:rlii::ltt::ill,.' ,r - HHO N C c ll oH - H î', C*:...N-C-Cii lt l l OHHO I amminoacido amminoacido RR ll H-N-C - C;,-rt+iN-C -C -OH t t il l l ll HHOHHO tr X il grupPo mminico terminale ffi dipeptide * tuEcÉ'e*là dE **gmec#effie*ÉesÈ@ Fr#*e*#e Nelle cellule le proteine sono assemblate in lunghe catene polipeptidiche in cui gli amminoacidi si susseguono uno dopo I'altro. In queste molecole I'estremità C di un amminoacido si lega all'esremità N di quello successivo, come i vagoni che compongono un treno. La sequenza lineare di amminoacidi in una particolare proteina, che viene dettat a da77e ínformazioni ereditarie presenti nel nucleo della cellula, è detta struttura primaria della proteina (figura ffi1. Ogni proteinaha una sua diversa struttura primaria; essa determina le caratterisdche srutturali della molecola nel suo complesso e, quindi, la sua funzione biologica. Anche una piccola variazione della sequenza può alterare o distruggere la sua funzionalità e rendere la proteina inutllizzabile o, addirittura, dannosa per l'organismo. Una volta assemblata, lungo la caÍeflapolipeptidica incominciano ad avere luogo delle interazionitraivaú un' minoacidi che la fanno in parte ripiegare su se stessa ín una configurazione semplice detta struttura secondaria. Una comune struttura secondaria è quella a spirale o, come viene detta più comunemente dai biochimici, a elica; la forma di questa struttura è mantenuta da legamí idrogeno (figura ffi1. Poiché i legami idrogeno si spezzano e si riformano facilmente,le proteine elicoidali (o, meglio, le parti elicoidali delle proteine) sono elastiche. Esempi di tali proteine sono la miosirca, che è uno dei principali componenti del tessuto muscolare, ela cheratirca, la proteina presente nei capelli, Quando laviamo e asciughiamo polipeptide i capelli la piega eambia per effetto della rottura e della formazione di nuovi legami idrogeno. Altre proteine, come i fili di seta deibozzolie delle tele dei ragni, sono costituite da lunghe catene polipeptidiche allineate in file parallele e unite tra loro da legami idrogeno; le proteine che presentano questo tipo di struttura secarbonio idrogeno ossrgeno TE- Struttura secondarìa a elica; i legami idrogeno colÈgano un gruppo NH della catena con un gruppo O che si trova tre amminoacidi più avanti. I gruppi R sporgono verso l'esterno dell'elica. C: ffi Struttura primaria di una proteina relativamente piccola, l'ormone adrenocorticotropo. Af 31 UNtTA DTDATT|CA { Chimica della vita Wffi sbonio Funzioni biologiche delle proteine Tipo di proteine Esempi , proteinestrutturali collagene,seta, involucrivirali, microtubuli di proteine regolazione ormoni della crescrta : actina,miosina t. proteinecontrattili proteine di trasporto I proteine di riserva difesa proteine di nel sangue dei vertebrati proleine insulina, ormone adrenocorticotropo, emoglobina, mioglobina albume dell'uovo, proteine dei semi anticorpi, complemento recettori, proteine di trasporto, antigeni di membrana 3.'19 Struttura secondaria R a foglio ripiegato. I gruppi sporgono sopra e sotto il ptano di questa pagina. condaria, detta afoglio ripiegato (figura e soffici, ma non elastiche. 17 tossine enzimi ffi ) , sono lisce collagene, un componente fondamentale della cartilagine, delle ossa e dei tendini, ha un altro tipo ancora di struttura secondaria; le molecole di collagene sono prodotte da cellule specializzate chiamate fib rob la.r/i. Mentre vengono sintetizzate, le lunghe catene polipeptidiche si awolgono a tre per volta l'una sull'altra per formare una molecola simile a un cavo; queste molecole si raggruppano poi in lunghe e sottili fibrille. Le proteine che per gîan parfe della loro lunghezza hanno una struttura secondaria elícoidale, a foglio ripiegato o a forma di cavo sono dette proteine fibrose; esse hanno diversi e importanti ruoli strutturali negli organismi (figura ffi1. tossina botulinica, tossina difterica saccarasi, pepsina In altre proteine, dette proteine globulari, la struttura secondaria si ripiega su se stessa per formale una comstruttutateniatial questa struttura si forma come risultato di interazioni tra i gruppi R degli amminoacidi plessa che la compongono. Le interazioni comprendono sia l'aftrazione o la repulsíone tra amminoacídi con gruppo R polare sia la repulsione rra i gruppi R non polari e le molecole d'acqua circosranti. lnoltre, i gruppi R contenenti zolfo dell'amminoacido cistein a (uedi figwaffi|) possono formare legami covalenti ra loro; questí legami, detti ponti disolfuro, collegano in modo saldo alcune parti delle molecole proteiche. Le proteine fibrose sono in genere molecole con una limitata varietà di amminoacidi ripetuti molte volte lungo la sequenza. Molte proteine globulari, invece, hanno sequenze di amminoacidi irregolari e moko complesse, come irregolare e complessa è la sequenza di lettere, per esempio, in una frase di questa pagina. Proprio come queste frasi hanno senso (se 1o hanno) perché le lettere sono quelle giuste e sono poste nell'ordine giusto, le proteine hanno senso, in biologia, perché gli amminoacidi sono quelli giusti e nell'ordine giusto. Gli organismi viventi sintetizzano una grande varietà di proteine globulari; tra queste ci sono glíanticorpi, che sono importanri componenti del sistema immunitario; i re- ff La cheratina, una proteina fibrosa, è la principale componente di lana, unghie, penne (A) e del corno del rinoceronte (B), formato da filamenti di cheratina strettamente ammassati. A1 32 ORIG.NE E STRUTTURA DELLE CELLULE cettori presenti sulla superficie delle membrane cellulari, che interagiscono con un certo numero di mole, : w @ @ w gruppo em€ @ e catena W ffi & polipeptidica stru(lura F*I FH e# ffiffffi $ struttufa prlmana secondaria M T)ì* L'emoglobina è una proteina a struttura quaternaria formata da quattro subunità a due a due uguali tra loro. (A) Sequenza lineare di amminoacidi della struttura primaria di una delle quattro cole; e gli enzimi, che regolano le rcazioni chimiche che awengono negli organismi. Gli enzimi sons catalizzatori proteici, cioè sostanze in grado di far ar,rzenire velocemente le reazioni chimiche che si svolgono nelle cellule; senza enzimi la maggior parte di queste reazioni si svol- gerebbe tanto lentamente da risultare non idonea ai processi vitali. Come vedremo nei capitoli successivi, le strutture tridimensionali di tutte queste proteine sono di fondamentale importanzanella determinazione delle funzioni biologiche di ciascuna (tabella Molte proteine sono formate da più di una catena polipeptidica; queste catene sono tenute insieme da legami ffi1. idrogeno, ponti disolfuro, forze idrofobe e da attrazioni eleftrostatiche tra cariche positive e negative. Questo livello di organizzazione delle proteine, che comporta f interazione fra due o più polipeptidi, è chiamato smuttura quatern aúa (figura ffi1. In una proteina, le strutture secondarie, terziarie e quaternarie dipendono tutte dalla struttura primaria, cioè dalla sequenza lineare degli ammínoacidi. StfUttUIa ffi tr* terzlarra ffi StrUttUIa ffir quaternaria ffi subunità; (B) un tratto awolto a elica della struttura secondaria; (C) struttura lerztaria con il gruppo eme; (D) quattro catene polipeptidiche, ciascuna con la propria struttura terziaria, formano la struttura quaternaria. ffi w ffiwe$ewÉ$d6 e #ffiFd$ aeacs$e$e# Llinformazione che, all'interno delle cellule dí tutri gli organismi viventi, dirige la sintesi dell'enorme varietà di molecole proteiche è codificata dalle molecole degli acidi nucleici. Proprio come le proteine, che sono costituite da lunghe catene di amminoacidi, gli acidi nucleici sono formati da lunghe catene di nucleotidi. Come si vede nella figura ffit, un nucleotide è formato da tre parti: un gruppo fosfato, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e una base azofafa (una molecola che ha proprietà basiche e contiene azoto). Il gruppo fosfato (POi-) è uno ione dell'acido fosforico (HrPOo) ed è la parte del nucleotide che possiede proprietà acide, da cui il termine <<acido nucleico>>. Lo zucchero di un nucleotide può essere I ribosio (un monosaccaride a 5 afomi di carbonio) o il deossiribosio, che contiene un atomo di ossigeno in meno rispetto al ribosio. Nei nucleotidi, cioè nei <<mattoni>> degli acidi nucleici, si possono trovare cinque differenti tipi di basi azofafe; nel nucleotide della figura ffi h base azotataè I'adenina. NH, t" $&Kffi #$SS&mS * €Clg*€€YYX l, #TS ffi r; Quoli gruppi chimici sono comuni o tutti gli omminoocidi? Quole gruppo li differenzio? Che coso s'intende per strutturo H. r*''f,-t--l -c-,*zc-H base aT.otafÀ pimaio di uno proteino? ffi Quoli sono le proteine fibrose? Fqi olcuni esempi. Quol è il loro livello strutturole? m Quol è lo fi:nzione dei ponti disoifuro? ffi Che coso s'intende per ffi strutturo terzioio OH OH zucchero di uno proteino? Ctre coso sono gli enzimi? 3.22 Un nucleotide è formato da tre parti: un gruppo fosfato, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e una base azotata. es 33 UNITA D|DATTTCA d& Negli organismi viventi esisrono due tipi di acidi nuclei_ ci; nell'acido ribonucleico (RNA) lo zucchero del nucleotide è il ribosio, mentre nell'acido deossiribonuclei- (DNA) è il deossiribosio. Come tutti i polimeri, anche I'RNA e il DNA sono formari du monom.ri, i nucleotidi, che si collegano I'uno all'alro in lunghe catene tramite co r eazioni di condensazione (figura ffi I'RNA giocano in genere ruoli biologici differenti. Il DNA porta il messaggio genetico, cioè contiene ie informazioni, organizzate in unità dette geni, che noi e gli altri organismí ereditiamo dai genítori. 'È. grazie a queste informazioni che ogni celluia dell,organismo può assemblare correttamente tutte le sue proteirr. porr.ndo gli amminoacidi nella giusta sequenzai a una specifica sequenza di nucleotidi presente nel DNA corrisponde una precisa sequenza di amminoacidi di una determina_ e base 7Z lorfrto -r ,-.. . 1,. \l ."f'jl" 4- Otata j base azoiata fosfato Fosfato ll:li ta proteina. LRNA è una copia del messaggio generic,_ portato da un pezzetto di DNA ch. permette la sintes, proteica nel citoplasma della cellula. La scoperra della srrumura e della funzione di ques,. molecole è senza dubbio il più grande trionfo .onr.gu to nel campo della biologia molecolare. l. Sebbene le loro strutrure chimiche siano molto simili, iI DNA Chimica della vita ffi +*YÉ+- e.e d+*$* b*6JÉ: j"fi € -d{+,É1b s- +r*ÉEBÈff# Oltre al loro ruolo di <<mattoni>> degli acidi nucleici, i nu_ cleoddi hanno una funzíone indipendente e fondamen_ tale negli organismi viventi. euando sono modificari dall'aggiunta di altri due gruppi fosfaro, essi diventano i trasportatori dell'energia necessaria alle numerose rea_ zioní chimíche che awengono all,interno della cellula. Lenergia contenuta nei carboidrati di riserva, come 1,amido e il glicogeno, e nei lipidi è, in un certo senso, paragonabile al denaro che viene conservato in banca o in Buoni del Tesoro, ossia non immediatamente disponíbi_ le. I- energia contenuta nel glucosio è accessibile ma non utilizzablleper ie piccole spese, come accade per :.empre il denaro sotto forma di assegni. L,energia presente in quei particolari nucleotidi, invece, è come se fosse dena_ ro_contante, disponibile in quantítà sufficíente e spendibile subito. Negli organísmi viventi il principale trasporrarore di energia che partecipa alTa maggior parte dei processi è una molecola conosciuta come adenosina trifosfato o ATP. Nella figura ffi potere norare i tre gruppi fosfa_ to. I legami che tengono uniti questi tre gr,rppi, rappre_ sentati graficamente con una linea ondulata, sono relad_ vamente deboli e possono rompersi piuttosto facilmente per idrolisi. I prodotdlglla reazione piu comune (quella illustrata nella figura ffi ) .ono adenosina difosfato o ADP, un gruppo fosfato ed energia. euando viene libe_ rata, questa energia può essere impiegata in altre rcazio, ni chimiche. LADP viene <<ricaricaro>> in ATp quando il glucosio è ossidato in anidride carbonica e acqua, proprio come il vostro portafoglio sí <<ricarica> quando cambiate un as_ fosfato adenina baie p6)p(\tp_--.r^.. s*ppiro,rrro (rs*r) azotata fosfatcr I E:- adenosina trifosfato (ATp) fosfato -eqhènl.r dì rr rì fÍ t $ $ CAPITOLO P(\)P<\)P 3 Macromolecole biologiche Hzo P(\)P adenosina trifosfaro (ATP) enetsia adenosina difosfato (ADP) 3.2s Schema dell'idrolisi dell'ATp: aggiungendo una molecola d'acqua si forma ADP e si liberano un gruppo fosfato ed energia. : segno o prelevate denaro presso uno sportello automatico bancario. Per il momento è impofiante solo tenere a ijl:i:; t:,|:tli:lt; I i lt p&ffi trgsss&&ffi $ g&w€ffiY*rè mente che I'ATP è la molecola direttamente coínvolta negii scambi energetici della cellula, srruttura di cui ci occuperemo in dettaglio nei prossimi tre capitoli. ffi &"r# ffi w Do quoli porti è costituito un nucleotide? Quoli sono gli ocidi nucleici presenti negli orgonismi viventi? ìn che coso differiscono tro loro? Quoi è lo strutturc molecolore dell'ATp e dell,ADp7 &:* Quol è lo funzione di ATP e ffi Lu chimica degli organismi viventi è, essenzial- mente, la chimica dei composti organici, cioè dei com- posti con ffir Le molecole organiche vengono classificate in gruppi funzianali in esse presenri e che confe- - tenenri carbonio, base ai riscono loro specifiche proprietà. * Wrr.. Nei sistemi viventi, i carboidrati, i lipidi, le proi più importanti tipi di teine e gli acidi nucleici sono molecole organiche, ffiffi i carboidrati sono la risorsa primaria di energia i sistemi viventi. I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi. I monosaccaridi possono chimica per combinarsi e formare i disaccaridi e i polisaccaridi. * I disaccaridi e i polisaccaridi vengono prodotti mediante reazioni di condensazione, in iui i monosaccaridi si uniscono tramite legami covalenti con eliminazione di una molecola d'acqua, e possono essere scissi di nuovo per idrolisi con I'aggiunta di una molecola d'acqua. ffi I lipidi sono molecole organiche idrofobe che, insieme ai carboidrati, hanno un ruolo importante come componenti sffutturali e di riserva energetica. I fosfolipidi e i glicolipidi sono i principali componenti delle membrane cellulari. ADp negli orgonismi viventi? ffi L" proteine sono molecole molto grandi compo_ ste da lunghe catene di amminoacidi, dette catene polipeptidich e. I 20 diversi amminoacidi che si trovano_nelle proteine differiscono tra loro per le proprietà del _gruppo R. Alcune proteine hanno un importante ruolo $rutturaTe; altre, come gli enzimi e gli ormoni, sono globulari e hanno funzioni specifichÉ. Vi sono quattro principali livelli di organizzazione proteica. * L'esatta struttura di una molecola proteica è di fon.damentale impofianza in relazione ailà sua capaci_ tà di svolgere una specifica funzione biologica. ffi I <<matroni> che compongono gii acidi nucleici sono molecole complesse dette nucleotidi. Un nucleo_ tide è costituito da un gruppo fosfato, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e una base azotata. * L'acido deossiribonucleico (DNA) è la molecola che contiene I'informazione genetica. L,acido ribonucleico (RNA), invece, è una copia di questa informazione e {unziona da traccia per la sintesidelle proteine. .-* I nucleotidi parrecipano anche agli scambi ffir ener_ getici che accompagnano le reazioni chimiche dei sistemi viventi. Nella maggior parte dei processi il principale trasportatore di energia è l'adenósina trifosfato (ATP). &s --'{F 35