Moleculele vieții

Corpul unei viețuitoare este alcătuit din substanțe cu roluri diferite. Apa reprezintă o mare parte a celulelor și este mediul în care se desfășoară multe reacții. Sărurile minerale furnizează ioni necesari funcționării organismului; de exemplu, calciul contribuie la oase, dar ionii de calciu au și alte roluri. Glucidele pot fi sursă de energie sau materiale de construcție. Lipidele intră în alcătuirea membranelor și pot stoca energie. Proteinele construiesc structuri și îndeplinesc numeroase funcții, inclusiv în reacțiile celulare.

Alte molecule sunt necesare în cantități mai mici, dar nu sunt mai puțin importante. Vitaminele susțin procese ale organismului; lipsa unora poate provoca probleme. Acizii nucleici, ADN și ARN, participă la păstrarea și folosirea informației genetice. ATP este o moleculă prin care celula transferă energie pentru activitățile sale. Nu este o „baterie” care funcționează independent de restul metabolismului: se formează și se consumă continuu.

Niciun aliment obișnuit nu conține o singură categorie de substanțe. Un măr are apă și glucide, dar și alte componente; un ou conține proteine și lipide, printre altele. Ca să înțelegi viața, întreabă nu numai „ce molecule sunt prezente?”, ci și „ce face fiecare în celulă?”. Următoarele lecții detaliază rolurile proteinelor, glucidelor și lipidelor și vitaminele.

Compoziția chimică. Peste 96% din masa corpului uman revine a patru elemente: oxigen (circa 65%), carbon (18%), hidrogen (10%) și azot (3%). Substanțele celulei se împart în anorganice (apa și sărurile minerale) și organice (glucide, lipide, proteine, acizi nucleici, vitamine, ATP). Apa reprezintă în jur de 60% din masa unui adult și circa 70% din masa celulei. Fiind o moleculă polară, dizolvă ionii și moleculele hidrofile, are căldură specifică mare (temperatura corpului variază puțin chiar dacă producția de căldură se schimbă) și participă la reacții: este reactant în hidroliză și produs în condensare. Sărurile minerale se găsesc ca ioni dizolvați sau în structuri solide: fosfatul de calciu din oase și dinți, ionii $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și ${\mathrm{K}}^{+}$ care întrețin potențialul de membrană, fierul din hemoglobină, magneziul din clorofilă, iodul din hormonii tiroidieni.

Macromoleculele. Glucidele, proteinele și acizii nucleici sunt polimeri: se formează prin condensare (se elimină apă) și se desfac prin hidroliză (se consumă apă). Lipidele nu sunt polimeri adevărați, ci molecule de dimensiuni mici, asociate prin proprietatea comună de a fi insolubile în apă.

Alcătuirea proteinelor și a acizilor nucleici. Proteinele se construiesc din $20$ de aminoacizi diferiți, iar ordinea lor în lanț, structura primară, determină plierea și deci funcția. Nucleotida are trei componente: o bază azotată, o pentoză și un rest de fosfat. În ADN pentoza este dezoxiriboza și bazele sunt adenina, guanina, citozina și timina; în ARN pentoza este riboza, iar timina este înlocuită de uracil. ATP este o nucleotidă a cărei bază este adenina și care poartă trei fosfați în loc de unul.

Exemplu rezolvat 1: lanțul peptidic. Un oligopeptid conține 12 aminoacizi. Câte legături peptidice are și câtă apă s-a eliminat la formarea lui?

1. Aminoacizii sunt uniți liniar, deci între 12 unități există 11 contacte între vecini.
2. Fiecare legătură peptidică ia naștere prin condensare, cu eliminarea unei molecule de apă.
3. Rezultă 11 legături peptidice și 11 molecule de apă eliminate; regula generală este $n-1$ pentru $n$ unități.
4. Hidrolizând complet oligopeptidul se consumă tot 11 molecule de apă și se eliberează cei 12 aminoacizi.

Exemplu rezolvat 2: hidroliza zaharozei. Zaharoza, zahărul de masă, este o dizaharidă. Ce se obține prin hidroliza ei?

1. Se scrie reacția: ${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{22}{\mathrm{O}}_{11}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$ (glucoză și fructoză).
2. Se verifică atomii: în stânga $12$ C, $24$ H, $12$ O; în dreapta tot $12$ C, $24$ H, $12$ O.
3. Se verifică masele: $180,16+180,16-18,02=342,30g/mol$, adică masa zaharozei. Apa eliminată la condensare este exact cea consumată la hidroliză.

Testele cer distincții exacte, pe care le poți sorta astfel.

• Legăturile: peptidică ($-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-$, între carboxilul unui aminoacid și gruparea amino a următorului), glicozidică (între două monozaharide), ester (glicerol–acid gras), fosfodiester (între pentoza unei nucleotide și fosfatul următoarei). Între bazele complementare ale ADN se stabilesc legături de hidrogen: două la perechea A–T și trei la perechea G–C.
• ATP (adenozin-trifosfat) are adenină, riboză și trei grupări fosfat. Între fosfați există două legături macroergice; hidroliza $\mathrm{ATP}\to \mathrm{ADP}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{i}}$ eliberează în condiții standard aproximativ $30,5$ kJ/mol ($7,3$ kcal/mol). „Macroergic” înseamnă că hidroliza este puternic exergonică, nu că legătura ar fi neobișnuit de rezistentă.
• Energia: oxidarea completă a unui gram de lipide dă aproximativ $9$ kcal, a unui gram de glucide sau de proteine aproximativ $4$ kcal. Apa, sărurile minerale și vitaminele nu furnizează energie.
• Apa: evaporarea unui gram absoarbe aproximativ $540$ cal ($2260$ J), de aceea transpirația răcește corpul.
• Solubilitate: vitaminele B și C sunt hidrosolubile, vitaminele A, D, E și K sunt liposolubile.

Exemplu în format de admitere (complement grupat). Alegeți răspunsul corect despre moleculele vieții:

1. ATP conține o bază azotată, o pentoză și trei grupări fosfat.
2. Trigliceridele sunt polimeri ai acizilor grași, uniți prin legături peptidice.
3. Zaharoza se hidrolizează la glucoză și fructoză.
4. Între adenină și timină din ADN se stabilesc trei legături de hidrogen.

• a) „Numai afirmațiile 1, 2 și 3 sunt corecte.”
• b) „Numai afirmațiile 1 și 3 sunt corecte.”
• c) „Numai afirmațiile 2 și 4 sunt corecte.”
• d) „Numai afirmația 4 este corectă.”
• e) „Toate afirmațiile sunt corecte sau toate sunt false.”

Răspuns: b. Afirmația 1 este adevărată (adenină, riboză, trei fosfați). Afirmația 2 este falsă: trigliceridele sunt esteri ai glicerolului cu trei acizi grași, nu polimeri, iar legătura peptidică apare la proteine. Afirmația 3 este adevărată. Afirmația 4 este falsă: perechea A–T are două legături de hidrogen, trei are perechea G–C.

Al doilea exemplu: valoarea energetică a unei porții. O porție conține 20 g de glucide, 10 g de proteine, 5 g de lipide, 300 mL de apă, 1 g de săruri minerale și 80 mg de vitamina C. Care este valoarea ei energetică?

1. Glucidele dau $20\cdot 4=80$ kcal, iar proteinele $10\cdot 4=40$ kcal.
2. Lipidele dau $5\cdot 9=45$ kcal.
3. Apa, sărurile minerale și vitamina C nu furnizează energie, deci nu se adaugă.
4. Total: $80+40+45=165$ kcal, adică aproximativ 690 kJ.

Greșeli frecvente

• Greșit: Glucidele servesc numai drept combustibil.
  Corect: Unele au și rol structural, precum celuloza.
• Greșit: ATP este același lucru cu energia.
  Corect: Este o moleculă prin care energia este transferată în reacții.
• Greșit: Lipidele sunt polimeri, ca proteinele sau amidonul.
  Corect: Lipidele nu sunt polimeri; trigliceridele sunt esteri ai glicerolului cu trei acizi grași.
• Greșit: Vitaminele sunt surse de energie, ca glucidele.
  Corect: Vitaminele nu se oxidează pentru energie; multe funcționează ca părți ale coenzimelor.

Înainte și după