Macromoleculele

Am văzut în lecția trecută ce sunt moleculele. Dacă în spațiul cosmic întâlnim elemente în stare atomică, în special pentru că spațiul cosmic este foarte rarefiat și atomii nu se pot întâlni pentru a se combina în molecule, planeta noastră este formată din diferite substanțe. Pe unele le numim minerale, iar pe altele organice. Substanțele organice sunt, în cea mai mare parte, cele care formează sau provin din materia vie și reprezintă o clasă specială de substanțe.

Ce anume diferențiază compușii organici de orice alt compus din univers? Mai numim compușii organici și “derivați de carbon”. Pentru că, într-adevăr, toți compușii organici, au în compoziția lor atomi de carbon. Ce face carbonul să fie atât de special, încât să fi făcut posibilă viața? De ce nu există o chimie cu compuși complecși pe bază de oxigen, de exemplu, sau de fier? 

carbon-4426054_1280

Răspunsul vine din ceea ce am vorbit în lecția despre molecule: structura atomică a carbonului este foarte specială. El se află în poziția extrem de privilegiată de a avea un nucleu cu 6 protoni (și 6 sau 7 neutroni) și 6 electroni dispuși pe 2 nivele. Pe ultimul strat energetic, la limita exterioară a atomului, carbonul are 4 electroni și ar mai avea nevoie de încă 4 pentru un strat complet, stabil energetic. 

Fiind un atom micuț, se poate combina foarte ușor cu aproape orice alt atom, dar mai ales cu un alt atom de carbon. În acest fel, atomii de carbon se leagă între ei și pot forma lanțuri lungi, în care fiecare atom de carbon (cu excepția celor din capete) se leagă de alți doi atomi de carbon și mai are loc de încă 2 atomi. 

Organismele vii au nevoie de aceste lanțuri lungi pentru a construi schelete de susținere, sisteme de hrănire și de eliminare a deșeurilor. În esență, orice organism viu este o mică uzină, o construcție complexă.

Cum se construiesc însă aceste molecule extrem de lungi, macromoleculele și polimerii? Simplu. Din unități de bază, mici, legate între ele precum ochiurile atunci când tricotăm. Două molecule mici identice sau diferite se leagă una de alta, apoi de a treia, și așa mai departe, uneori de ordinul sutelor, alteori de ordinul miilor.

O să dăm doar câteva exemple din aceste molecule extrem de lungi care fac posibilă viața. Polimerii sunt molecule lungi formate prin repetarea de zeci, sute, sau mii de ori a acelorași elemente de bază, care se numesc monomeri.

molecule-Study-Case-Nature

Cel mai abundent polimer organic de pe pământ este celuloza, formată din sute sau, uneori mii de unități mici de zaharide, foarte asemănătoare cu zahărul. Ea este o componentă de bază a peretelui celular al plantelor. Rumegătoarele (vacile) și termitele, pot digera celuloza, dar oamenii nu. Noi ne folosim însă de structura ei extrem de rezistentă pentru a produce hârtie, mătase artificială, sau celofan.

Un alt tip de macromolecule organice sunt proteinele. În cazul lor, unitățile de bază nu mai sunt identice, ci sunt doar similare, și se numesc aminoacizi. Un aminoacid este o moleculă organică complexă, dar micuță, și intră în componența tuturor celulelor vii. Există doar 20 de aminoacizi ce intră în componența proteinelor. Dintre aceștia, 8 sunt esențiali, adică nu pot fi produși de organismul uman și trebuie aduși din exterior, prin alimentație (valina, leucina, izoleucina, triptofanul, fenilalanina, metionina, lizina și treonina). Aceste cărămizi se leagă între ele formând lanțuri lungi, care se răsucesc în forme complexe, ca lâna în gheme largi. Poziția diverșilor aminoacizi pe lanțul lung și vecinii lor, dar și poziția specifică în spațiu (în interiorul ghemului sau în afara lui), dau proprietățile specifice ale proteinei și o ajută în funcția pe care o îndeplinește în organism. Unele proteine ajută procesele metabolice, altele ajută la replicarea ADN-ului, unele dau structură celulelor sau organismelor iar altele transportă molecule dintr-un loc în altul. 

ADN-ul, acidul dezoxiribonucleic, este principalul instrument prin care organismele vii și cei mai mulți viruși transportă informația, adică instrucțiunile genetice, pentru dezvoltarea, funcționarea, creșterea și reproducția lor. ADN-ul este o moleculă formată din două lanțuri lungi de polinucleotide care se răsucesc unul în jurul celuilalt pentru a forma o dublă elice, ca o scară lungă și răsucită.

Așa cum spune și numele, unitățile din care se formează aceste lanțuri lungi se numesc nucleotide. Ordinea precisă în care sunt aranjate ele pe lanț este extrem de importantă. Există doar 4 nucleotide: adenozina, timina, guanina și citozina. Ele se prescurtează de obicei cu inițialele lor, iar descifrarea unui lanț de ADN este o înșiruire lungă de litere.

adn-study-case-nature

Pentru a se putea lega între ele în structura elicoidală despre care am vorbit, cele patru nucleotide au o caracteristică specială: ele se pot lega și între ele, două câte două, formând treptele scării. Astfel, adenina nu se poate lega decât de timină, iar guanina doar de citozină. În acest fel, fiecare din jumătățile spiralei este copia în oglindă a celeilalte.

n momentul reproducerii, o proteină va separa cele două jumătăți ale spiralei și alte proteine vor începe să reconstruiască copii fidele. În acest fel, în urma acestui proces, care se numește replicare, vom obține două spirale de ADN identice între ele și identice cu spirala de la care s-a pornit. 

După cum vedeți, lanțurile de polimeri organici sunt însă cheia și codul de bază al tuturor organismelor vii de pe pământ. Nici organismele unicelulare, nici balenele albastre nu pot exista fără ele. Iar lanțurile de polimeri organici nu ar putea exista fără structura extrem de versatilă a atomului de carbon.