COMPOSIZIONE CHIMICA DEL PROTOPLASMA

Legame chimico e funzione biologica

In natura soltanto i gas inerti si trovano allo stato di atomi liberi. Quasi tutti gli altri, invece, nelle comuni condizioni ambientali si trovano combinati con altri atomi mediante legami chimici per formare le molecole.

I legami chimici sono le forze che tengono uniti gli atomi in una molecola. Per comprendere il comportamento chimico delle sostanze è importante conoscere non solo il tipo e il numero degli atomi di cui sono costituite ma anche la natura del legame chimico che tiene uniti gli atomi.

La cellula (che deve essere considerata una macchina chimica) è chiamata, per sostenere le proprie funzioni vitali, a estrarre energia dai legami chimici presenti nei nutrienti che incorpora. In altri casi (ad esempio nel momento della riproduzione), la cellula deve, momentaneamente, rompere alcuni legami chimici (presenti nelle macromolecole essenziali) per poi ricostruirli al termine del processo. La selezione ha, quindi, operato “plasmando” le molecole biologiche affinché queste ultime presentino il giusto tipo di legame chimico in relazione al tipo di funzione biologica che le molecole stesse sono chiamate a sostenere.

Lo studio dettagliato circa la natura di queste interazioni è compito della chimica. Possiamo suddividere i legami chimici in legami forti e legami deboli in funzione della quantità di energia che la cellula deve impegnare nella loro rottura e/o ripristino.

Gli atomi interagiscono tra loro tramite gli elettroni dello strato più esterno, detti elettroni di legame. Ogni atomo “desidera” completare il numero degli elettroni che costituiscono il guscio esterno. Ciò può avvenire per scambio (cessione/accettazione) o per “messa in comune” di elettroni.

Nel primo caso i due atomi interagenti acquistano carica elettrica, positiva per l’atomo che cede elettroni e negativa per l’atomo accettore. La forza di attrazione tra ioni di carica opposta prende il nome di legame ionico o salino. Questo tipo di legame caratterizza molti composti inorganici (Sali) ed è facilmente distrutto dopo solvatazione del composto in un solvente polare come l’acqua. La dissociazione del composto genera atomi elettricamente carichi, detti ioni (negativi/anioni-positivi/cationi). Nell’ambito delle molecole biologiche propriamente dette, il legame ionico (discretamente forte) ha scarsa rilevanza ma è essenziale nel fornire la forza aggregativa fra gli atomi di quei composti che appartengono alla componente minerale della cellula e dei fluidi biologici in generale (elettroliti).

Due atomi con scarsa propensione a cedere elettroni possono decidere di completare i gusci elettronici esterni mettendo in compartecipazione una o più coppie di elettroni fondendo le rispettive nubi elettroniche. Ciò porta alla creazione di una forza attrattiva di grande intensità, conosciuta come legame covalente. Nelle lunghe catene carboniose che caratterizzano molti composti organici, i diversi atomi di carbonio interagiscono tramite legami covalenti.

L’importanza biologica del legame covalente non risiede solamente nel suo elevato contenuto energetico e nella sua diffusione in ambito organico ma, principalmente, nel fatto che, in rapporto alle caratteristiche degli atomi interagenti, la nube elettronica comune può essere equamente suddivisa tra gli atomi oppure “stazionare” preferenzialmente in prossimità di uno dei due (asimmetria della nube elettronica). Si assiste così alla comparsa di nubi elettroniche di segno opposto. Sull’atomo capace di attrarre la nube elettronica staziona una carica negativa mentre sull’altro, dove la nube elettronica risulta “rarefatta”, compare una carica positiva. Questo fenomeno (polarizzazione) è della massima importanza in campo biologico: oltre ad essere la causa principale di attrazioni intermolecolari (acqua) è decisivo per l’insorgenza di attrazioni intramolecolari (es. legami a idrogeno) che caratterizzano le principali molecole biologiche (proteine e acidi nucleici). La polarizzazione favorisce la completa o parziale compatibilità della molecola con il mezzo acquoso (idrofilia). Polarità e idrofilia sono, quindi, un binomio inscindibile.

E’ utile ricordare che molecole (o parti di esse) elettricamente neutre possono interagire fra loro tramite legami deboli, iterazioni idrofobiche. Queste sono simili alle forze di Van der Waals. Come queste ultime le iterazioni idrofobiche dipendono dalla distanza delle molecole (o parti di esse) interagenti e svaniscono rapidamente all’aumentare della distanza stessa. Tali interazioni sono fondamentali nella formazione delle membrane biologiche.

Legami deboli, come quelli a idrogeno e le interazioni idrofobiche, considerati singolarmente sono caratterizzati da un contenuto energetico modesto e sono facilmente soggetti a rottura. E’ la concomitante formazione di un gran numero di legami deboli a rendere l’attrazione fra due molecole biologiche discretamente elevata, come accade fra le code idrofobiche dei fosfolipidi nell’ambito del film lipidico delle membrane biologiche.

La pressione selettiva ha plasmato, nel tempo, la struttura delle molecole biologiche in modo da renderle adatte a una determinata funzione. In queste molecole, quindi, la distribuzione di legami forti e deboli non è casuale, ma risponde a una specifica esigenza.

Nel DNA, per esempio, le due catene polinucleotidiche si affrontano tramite legami deboli (legami a idrogeno) mentre i nucleotidi, nell’ambito di ogni singola catena, sono legati tra loro tramite legami forti (covalenti); le due catene polinucleotidiche si separano sia durante la trascrizione sia al momento della replicazione e, quindi, i legami intercatena devono essere distrutti: la presenza dei legami deboli limita l’impegno energetico cellulare durante lo svolgimento di tali processi. Il DNA è, inoltre, il depositario dell’informazione biologica. Il significato di tale informazione è dato dalla sequenza dei nucleotidi. La rottura della catena polinucleotidica porterebbe a un rimaneggiamento di tale sequenza e dunque a cambiamento e/o perdita dell’informazione genetica. La presenza di legami forti assicura la protezione dei legami intercatena fra i nucleotidi.

Analogamente, un trigliceride non può mai essere utilizzato come membro del film lipidico che caratterizza le membrane cellulari. L’assenza di zone polari rende il trigliceride inadatto a qualsiasi interazione sia con la parte proteica delle membrane sia con il mezzo acquoso. I trigliceridi, al contrario, grazie alla loro impossibilità a miscelarsi con il mezzo acquoso sono utilizzati dalla cellula come grassi di riserva sotto forma di gocce lipidiche.