Chimica della cellula

La cellula è chimicamente composta da acqua, molecole organiche e ioni inorganici.

Acqua

La polarità della molecola d’acqua e il conseguente legame idrogeno rendono l’acqua una sostanza unica con proprietà speciali che sono intimamente legate ai processi della vita. La vita originariamente si è evoluta in un ambiente acquoso, e la maggior parte della chimica cellulare e del metabolismo di un organismo si verificano all’interno del contenuto acquoso del citoplasma della cellula. Proprietà speciali dell’acqua sono la sua elevata capacità termica e il calore di vaporizzazione, la sua capacità di sciogliere le molecole polari, le sue proprietà coese e adesive e la sua dissociazione in ioni che porta alla base del pH. Comprendere queste caratteristiche dell’acqua aiuta a chiarire la sua importanza nel mantenimento della vita.

Una delle proprietà importanti dell’acqua è che è una molecola polare: l’idrogeno e l’ossigeno all’interno delle molecole d’acqua (H₂O) formano legami covalenti polari. Mentre non c’è carica netta per una molecola d’acqua, la polarità dell’acqua crea una carica leggermente positiva sull’idrogeno e una carica leggermente negativa sull’ossigeno, contribuendo alle proprietà di attrazione dell’acqua. L’acqua genera cariche perché l’ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno, rendendo più probabile che un elettrone condiviso sia vicino al nucleo di ossigeno rispetto al nucleo di idrogeno, generando così la carica negativa parziale vicino all’ossigeno.

Come risultato della polarità dell’acqua, ogni molecola d’acqua attrae altre molecole d’acqua a causa delle cariche opposte tra le molecole d’acqua, formando legami idrogeno. L’acqua attrae o è attratta anche da altre molecole polari e ioni. Una sostanza polare che interagisce facilmente con o si dissolve in acqua è idrofila. Al contrario, le molecole non polari come oli e grassi non interagiscono bene con l’acqua. Questi composti non polari sono idrofobi.

Molecole organiche

Proteine, carboidrati, acidi nucleici e lipidi sono le quattro principali classi di macromolecole biologiche- grandi molecole necessarie per la vita che sono costruite da molecole organiche più piccole. Le macromolecole sono composte da singole unità che gli scienziati chiamano monomeri che sono uniti da legami covalenti per formare polimeri più grandi. Il polimero è più della somma delle sue parti: acquisisce nuove caratteristiche e porta ad una pressione osmotica molto inferiore a quella formata dai suoi ingredienti. Questo è un vantaggio importante nel mantenere le condizioni osmotiche cellulari. Un monomero si unisce ad un altro monomero con rilascio di molecole d’acqua, portando alla formazione di un legame covalente. Gli scienziati chiamano queste reazioni di disidratazione o condensazione. Quando i polimeri si rompono in unità più piccole (monomeri), usano una molecola d’acqua per ogni legame rotto da queste reazioni. Tali reazioni sono reazioni di idrolisi. Le reazioni di disidratazione e idrolisi sono simili per tutte le macromolecole, ma ogni reazione di monomero e polimero è specifica della sua classe. Le reazioni di disidratazione richiedono tipicamente un investimento di energia per la formazione di nuovi legami, mentre le reazioni di idrolisi in genere rilasciano energia rompendo i legami.

Carboidrati I carboidrati sono un gruppo di macromolecole che sono una fonte di energia vitale per la cellula e forniscono supporto strutturale a cellule vegetali, funghi e tutti gli artropodi che includono aragoste, granchi, gamberetti, insetti e ragni. I carboidrati possono essere classificati in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. La conservazione del glucosio, sotto forma di polimeri come l’amido o il glicogeno, lo rende leggermente meno accessibile per il metabolismo; tuttavia, ciò impedisce che perda dalla cellula o crei un’alta pressione osmotica che potrebbe causare l’assorbimento eccessivo di acqua da parte della cellula.

Proteine Le proteine sono una classe di macromolecole che svolgono una vasta gamma di funzioni per la cellula. Aiutano nel metabolismo agendo come enzimi, portatori o ormoni e forniscono supporto strutturale. Gli elementi costitutivi delle proteine sono gli amminoacidi.

Lipidi I lipidi sono una classe di macromolecole di natura non polare e idrofobica. I tipi principali includono grassi e oli, cere, fosfolipidi e steroidi. I grassi sono una forma immagazzinata di energia e sono anche noti come triacilgilceroli o trigliceridi. Il colesterolo è un tipo di steroide ed è un costituente importante della membrana plasmatica, dove aiuta a mantenere la natura fluida della membrana.

Acidi nucleici Gli acidi nucleici sono molecole composte da nucleotidi che indirizzano attività cellulari come la divisione cellulare e la sintesi proteica. Esistono due tipi di acidi nucleici: DNA e RNA. Il DNA porta il progetto genetico della cellula e lo trasmette dai genitori alla prole. L’RNA è coinvolto nella sintesi proteica e nella sua regolazione.

Ioni inorganici

Gli ioni inorganici costituiscono meno dell’1% della massa cellulare, ma sono fondamentali per la funzione cellulare. Quelli trovati in una cellula includono sodio, potassio, magnesio, calcio, fosfato e cloruro.

Questo testo è stato adattato da Openstax, Biology 2e, Unit 1: The Chemistry of Life.