Le biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici

Approfondimento

La ciclizzazione degli esosi merita un approfondimento perché genera un nuovo stereocentro. Quando il gruppo carbonilico del glucosio reagisce con l'ossidrile sul «C₅» si forma un emiacetale ciclico (anello piranosico) e il «C₁» diventa il carbonio anomerico: se il nuovo —OH sta sotto il piano dell'anello si ha l'anomero «α», se sta sopra l'anomero «β». In soluzione le tre forme (α, catena aperta, β) sono in equilibrio dinamico: il passaggio per la catena aperta fa variare nel tempo il potere rotatorio della soluzione, fenomeno detto mutarotazione. Il carbonio anomerico decide anche il potere riducente: se è libero (come nel glucosio e nel maltosio) lo zucchero è riducente e positivo al saggio di Fehling o di Tollens; nel saccarosio, invece, i due carboni anomerici di glucosio e fruttosio sono impegnati nel legame glicosidico, perciò lo zucchero è NON riducente. La geometria del legame determina infine la funzione dei polisaccaridi: l'amilosio dell'amido è una catena «α(1→4)», l'amilopectina e il glicogeno aggiungono ramificazioni «α(1→6)», mentre la cellulosa è «β(1→4)» con unità di glucosio ruotate alternativamente di 180°, disposizione che permette fitti legami a idrogeno tra catene parallele e conferisce rigidità e resistenza alla fibra.

Approfondimento

La distinzione saturi/insaturi ha basi geometriche precise e conseguenze pratiche. Nei doppi legami naturali degli acidi grassi la configurazione è quasi sempre «cis»: essa introduce una piega di circa 30° nella catena, che impedisce l'impacchettamento ordinato e abbassa il punto di fusione (di qui lo stato liquido degli oli). L'idrogenazione industriale satura questi doppi legami per solidificare gli oli (margarine), ma può generare acidi grassi «trans» a catena diritta, associati a rischio cardiovascolare. Il grado di insaturazione si misura sperimentalmente con il numero di iodio (grammi di «I₂» addizionati per 100 g di grasso): più alto è il numero, più doppi legami sono presenti. Gli acidi grassi «ω-3» e «ω-6» (con l'ultimo doppio legame rispettivamente al terzo o al sesto carbonio dal metile terminale) sono essenziali perché l'organismo umano non sa sintetizzarli. La reazione inversa dell'esterificazione, l'idrolisi alcalina dei trigliceridi (saponificazione), libera glicerolo e sali di acidi grassi — i saponi — le cui molecole anfipatiche formano micelle che inglobano lo sporco apolare. Nelle membrane, infine, la fluidità è regolata proprio dal rapporto tra code sature e insature e dal colesterolo, che si intercala tra i fosfolipidi tamponando le variazioni di fluidità al variare della temperatura.

Approfondimento

La cinetica enzimatica si formalizza con l'equazione di Michaelis-Menten, «v = v_max·[S] / (K_m + [S])», che descrive come la velocità di reazione dipende dalla concentrazione di substrato «[S]». A basse concentrazioni la velocità cresce quasi linearmente; ad alte concentrazioni tende asintoticamente alla velocità massima «v_max», quando tutti i siti attivi sono saturi. La costante di Michaelis «K_m» è la concentrazione di substrato alla quale «v = v_max/2» e misura inversamente l'affinità dell'enzima per il substrato: un «K_m» basso significa alta affinità. Gli inibitori si distinguono in base all'effetto su questi parametri: l'inibitore competitivo compete con il substrato per il sito attivo e aumenta il «K_m» apparente (superabile con più substrato) lasciando «v_max» invariata; l'inibitore non competitivo si lega altrove e abbassa «v_max». Molti enzimi regolatori sono allosterici: presentano più subunità e siti diversi da quello catalitico, mostrano una curva sigmoide (cooperatività, come nel legame dell'ossigeno all'emoglobina) e sono spesso controllati per inibizione a feedback dal prodotto finale della via metabolica. Sul piano molecolare, infine, ogni amminoacido in soluzione esiste come zwitterione (con «—NH₃⁺» e «—COO⁻» simultanei) e possiede un punto isoelettrico, il pH al quale la carica netta è nulla.

Approfondimento

L'antiparallelismo dei due filamenti non è un dettaglio ma una necessità geometrica: lo scheletro zucchero-fosfato ha un verso intrinseco («5' → 3'») fissato dai legami fosfodiesterici, e solo disponendo i filamenti in senso opposto le basi si affacciano con la geometria giusta per appaiarsi. La doppia elica destrorsa in forma B ha un diametro di circa «2 nm», un passo di circa «3.4 nm» con «≈ 10.5» coppie di basi per giro e un innalzamento di «≈ 0.34 nm» per coppia; l'avvolgimento lascia due scanalature diverse, il solco maggiore e il solco minore, in corrispondenza delle quali le proteine regolatrici leggono la sequenza senza aprire l'elica. La differenza tra i due tipi di coppia (due legami idrogeno per «A—T», tre per «G—C») ha una conseguenza termodinamica misurabile: scaldando una soluzione di DNA i filamenti si separano (denaturazione o «melting») a una temperatura «T_m» tanto più alta quanto maggiore è il contenuto in «G—C», più saldamente legate; la separazione si segue spettrofotometricamente perché l'assorbimento nell'UV a 260 nm aumenta (effetto ipercromico). È utile infine distinguere il nucleoside (zucchero + base) dal nucleotide (nucleoside + uno o più fosfati): l'aggiunta di fosfati ad alta energia trasforma lo stesso scheletro nucleotidico nell'ATP e nei coenzimi «NAD⁺» e «FAD».