Acqua dentro estintori a polvere

Le poche nozioni di chimica non avevano nulla a che vedere con la biologia. Con questo capitolo, invece, entriamo in pieno nel campo biologico. Lo studio delle molecole che formano gli esseri viventi può spiegarci molte cose su di essi. Per esempio, la conoscenza della struttura del DNA ci permette di capire in quale linguaggio è « scritto » il piano di costruzione di un organismo, in che modo viene trasmesso ai discendenti, in che modo vengono eseguite le istruzioni che esso contiene.

La scienza che studia le molecole che formano la loro materia vivente, le loro funzioni, le loro trasformazioni si chiama biochimica. Essa ha avuto la sua epoca d’oro in un periodo che va al all’incirca dal 1920 al I960: si tratta dunque di una scienza non moderna, ma «classica», i cui dati sono ormai ben acquisiti tanto da costituire un pilastro portante della biologia d’oggi. Naturalmente, anche se i principi fondamentali sono ormai noti, rimangono ancora moltissime cose da scoprire, particolarmente per quanto riguarda la struttura tridimensionale delle principali molecole biologiche: acidi nucleici e proteine. In questo capitolo ci occupiamo essenzialmente di molecole organiche. Ma dobbiamo cominciare con due componenti inorganici essenziali degli esseri viventi: l’acqua e gli ioni.

L’acqua

L’acqua è senz’altro il componente più abbondante della materia vivente. Si può affermare che più della metà del peso di qualunque organismo è fatto da acqua. Si possono raggiungere punte estreme in certi organismi marini come le meduse in cui l’acqua forma oltre il 95% del peso totale. Solo in alcuni casi particolari, come i semi secchi, il contenuto in acqua può essere inferiore al 10%.

Abbiamo visto che l’acqua tende a stabilire deboli legami con numerose molecole. Questo la rende il solvente universale della materia vivente. La maggior parte delle reazioni chimiche del metabolismo avviene tra molecole sciolte in acqua o a diretto contatto con l’acqua.

Una disidratazione nell’ Acqua dentro estintori a polvere spinta oltre un certo limite causa la morte. Solo se essa è lenta e controllata c’è possibilità di sopravvivere: questo avviene per esempio in un seme che si disidrata gradualmente durante la maturazione. Un seme maturo (secco) è ancora vivo, ma lo scarsissimo contenuto in acqua lo obbliga a rallentare enormemente le sue reazioni chimiche e a cadere in uno stato di «morte apparente» da cui si risveglierà solo riassorbendo acqua al momento della germinazione. Esistono molti altri casi di «morte apparente» tra gli esseri viventi (batteri, funghi e altre piante che formano spore, protozoi che si incistano, ecc.).

In tutti questi casi, la ridotta attività metabolica che permette di superare freddi intensi e siccità prolungate è ottenuta attraverso la disidratazione.

Le proteine hanno moltissime funzioni

La funzione dell’ Acqua dentro estintori a polvere e delle proteine è paragonabile a quella di operai specializzati o di strumenti di precisione. Un operaio o uno strumento per ogni tipo di lavoro. La versatilità delle proteine è dovuta alla diversità dei gruppi chimici delle loro catene laterali che possono partecipare a ogni sorta di reazioni e all’immensa varietà delle loro forme. Una proteina con funzioni strutturali come il collageno che si trova nei tendini somiglia a una corda fatta di tre cordicelle attorcigliate l’una sull’altra, mentre un enzima ha una cavità che accoglie su misura una determinata molecola che verrà trasformata chimicamente. La varietà delle forme delle proteine fa sì che ciascuna di esse interagisca solo con poche ben determinate molecole. Spesso questa interazione

implica un cambiamento nella struttura tridimensionale (« cambiamento di conformazione» dicono i biochimici).

Se volessimo descrivere tutte le funzioni note delle proteine, riempiremmo pagine intere. Ci limitiamo alle principali:

accelerare determinate reazioni Senza proteine non esisterebbe il metabolismo;
trasportare determinate molecole attraverso la membrana cellulare;
difendere l’organismo dall’ingresso di materiali estranei, legandosi specificamente con essi e attivando in questo modo dei meccanismi che li rendono inoffensivi;
formare strutture (filamenti, microtubuli) che permettono il movimento delle cellule e dell’organismo intero. Filamenti di proteine con questa funzione si trovano per esempio nei muscoli;
servire come materiale da costruzione (rivestimenti protettivi, strutture che collegano fra loro cellule e organi). Le proteine che hanno questa funzione si chiamano «strutturali». Esse formano fibre, lamine, ecc.;
servire come materiale di riserva (nelle uova, nei semi).

Abbiamo indicato per ultime le funzioni strutturali e quella di riserva, perchè esse non hanno bisogno di un contenuto di informazione elevato come le altre. Questo vale particolarmente per le proteine di riserva, in cui l’uso implica la demolizione e quindi la perdita di ogni struttura.

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Forse la più importante tra tutte queste funzioni è la prima. Le dedichiamo ancora un po’ di spazio.

La principale funzione delle proteine negli esseri viventi è quella di catalizzatori

Si chiama catalizzatore una sostanza che accelera una reazione chimica senza consumarsi. Di solito il catalizzatore prende parte alla reazione, ma a differenza dei reagenti esso si rigenera per cui può essere riusato infinite volte. Le trasformazioni chimiche subite dal catalizzatore durante la reazione formano dunque un ciclo in cui lo stadio finale è identico a quello iniziale.

I catalizzatori non sono una specialità della materia vivente. La maggior parte delle reazioni chimiche che avvengono negli impianti industriali è accelerata da catalizzatori, in gran parte a base di platino.

Ma tra catalizzatori industriali e catalizzatori biologici ci sono delle grossissime differenze:

a) Nell’industria si può usare lo stesso tipo di catalizzatore per molti tipi diversi di reazioni. Invece i catalizzatori biologici sono specifici: ciascuno accelera un unico tipo di reazione,
b) Nell’industria le reazioni chimiche, anche se catalizzate, avvengono con velocità sufficiente solo a temperature e pressioni elevate. Invece i catalizzatori biologici lavorano con efficienza nelle normali condizioni dell’ambiente naturale (0-40 gradi e un’atmosfera di pressione contro centinaia di gradi e centinaia di atmosfere).

I catalizzatori biologici si chiamano enzimi: essi sono sempre esclusivamente proteine. Praticamente, tutte le reazioni chimiche degli esseri viventi sono catalizzate da enzimi. Ogni enzima è specifico, cioè catalizza un unico tipo di reazione¹. Essendo il numero delle reazioni del metabolismo assai elevato, è molto grande anche il numero di specie di enzimi: esso è dell’ordine delle decine o forse delle centinaia di migliaia. In presenza di un enzima una reazione chimica viene accelerata migliaia o anche milioni di volte.

La specificità degli enzimi non è assoluta, ma varia da un enzima all’altro. Alcuni enzimi trasformano un unico tipo di molecola; altri possono operare su diverse molecole, ma sono specifici per un determinato tipo di reazione, per esempio l’idrolisi del legame peptidico.

Abbiamo visto che esistono moltissime proteine con tante diverse funzioni. La varietà delle funzioni è uno dei motivi del gran numero di tipi di proteine. Ma c’è un’altra grossa causa di diversità: la variabilità da specie a specie. Consideriamo, per esempio, l’emoglobina, la proteina trasportatrice di ossigeno dei globuli rossi del sangue. Essa è diffusa in tutti i vertebrati e ha in tutti la stessa identica funzione. Tuttavia l’emoglobina dell’uomo non è uguale a quella del maiale e ambedue sono diverse da quella dell’awoltoio. Pur avendo sostanzialmente la stessa struttura (imposta dall’identica funzione), esse differiscono per alcuni amminoacidi. Quanto minore è il grado di parentela tra due specie (cioè quanto più remota è l’epoca in cui vissero i loro comuni antenati) tanto maggiori sono le differenze nella sequenza. In base a questo principio gli scienziati ricostruiscono gli alberi genealogici degli esseri viventi, paragonando le sequenze di amminoacidi delle proteine più diffuse.

Queste differenze di sequenza tra una specie e l’altra vengono riconosciute dall’organismo animale. L’introduzione di una proteina estranea, anche se poco diversa dalla propria proteina corrispondente, scatena le reazioni immunitarie.

Abbiamo già accennato che ogni enzima rappresenta una scelta chimica. La sua presenza permette che una determinata reazione avvenga, mentre un’altra reazione anch’essa possibile non avviene perchè non c’è un enzima che la catalizzi. (O meglio anche la reazione non catalizzata avviene, ma a velocità così piccola da essere trascurabile).

Le molecole sulle quali agisce un’ enzima si chiamano substrati. Ogni enzima viene contrassegnato col nome del suo substrato e il tipo della reazione catalizzata seguita dal suffissoasi. Per esempio, l’acool deidrogenasi è l’enzima che deidrogena l’alcool etilico ed altri alcoli a catena corta.

Gli enzimi offrono alle molecole dei substrati un maggior numero di occasioni per partecipare a una determinata reazione chimica.

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