Rolurile proteinelor, glucidelor și lipidelor

Proteinele, glucidele și lipidele sunt molecule organice întâlnite în toate organismele, dar nu au fiecare un singur rol. Proteinele pot forma structuri ale corpului și pot lucra ca enzime, adică pot accelera reacții chimice. Unele proteine sunt hormoni, altele anticorpi care participă la apărare, iar hemoglobina ajută transportul oxigenului în sânge. Faptul că două molecule sunt proteine nu înseamnă că fac același lucru.

Glucidele pot furniza energie. Glucoza este un exemplu; amidonul din plante și glicogenul din animale sunt forme de rezervă. Există și glucide structurale: celuloza participă la peretele celulelor vegetale, iar chitina se găsește în peretele fungilor și în învelișul unor animale. Lipidele pot stoca energie, formează părți ale membranelor celulare și, în unele cazuri, servesc la producerea unor hormoni.

Într-o celulă, moleculele contribuie la structuri, la depozitarea energiei și la cataliza reacțiilor. Rolul depinde de tipul moleculei și de contextul celular; aceeași clasă chimică poate participa la procese diferite. Pentru fiecare exemplu, întreabă „care este molecula?” și „în ce loc sau proces are acest rol?”. Așa eviți ideea greșită că toate glucidele sunt zahăr dulce ori că toate lipidele sunt doar depozite de grăsime.

Enzimele sunt proteine care scad energia de activare a unei reacții, fără să fie consumate și fără să schimbe echilibrul ei. Substratul se leagă de centrul activ, o cavitate formată prin plierea lanțului, de aceea o enzimă acționează asupra unui substrat anume. Activitatea maximă apare la temperatura și la pH-ul optime: la om temperatura optimă este de aproximativ $37{}^{\circ }\mathrm{C}$, pepsina lucrează la pH $1,5$–$2$, amilaza salivară aproape de pH neutru, tripsina la pH slab bazic. Exemple: amilaza ($\text{amidon}\to \text{maltoza˘}$), lipaza (trigliceride $\to$ acizi grași și glicerol), catalaza ($2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$).

Hormonii și anticorpii. Hormonii proteici și peptidici sunt insulina (51 de aminoacizi), glucagonul și hormonul de creștere; adrenalina derivă din aminoacidul tirozină; cortizolul, aldosteronul, estradiolul, progesteronul și testosteronul sunt steroizi, deci lipide derivate din colesterol. Anticorpii (imunoglobulinele) au patru lanțuri polipeptidice, două grele și două ușoare, legate prin punți disulfurice, și două situsuri de legare a antigenului; sunt produși de plasmocite. Hemoglobina adultului are patru lanțuri (două $\alpha$ și două $\beta$), fiecare asociat cu un hem care conține $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$; o moleculă fixează patru molecule de oxigen.

Glucidele și matricea extracelulară. Amidonul (rezerva plantelor) și glicogenul (rezerva din ficat și mușchi) sunt polimeri ai $\alpha$-glucozei; celuloza este un polimer al $\beta$-glucozei, iar omul nu o digeră, ci o elimină ca fibră. Chitina, alcătuită din unități de N-acetilglucozamină, formează exoscheletul insectelor și al crustaceelor și peretele celulelor fungice. Matricea extracelulară din derm, tendoane și cartilaj este o rețea de colagen (rezistență), elastină (elasticitate) și glicozaminoglicani, precum acidul hialuronic, care rețin apa; colagenul este cea mai abundentă proteină a corpului.

Lipidele. Trigliceridele stochează energie în țesutul adipos: un gram furnizează aproximativ $9$ kcal, de peste două ori mai mult decât un gram de glucide, și se depozitează fără apă. Fosfolipidele sunt amfipatice, cu un cap hidrofil cu fosfat și două cozi hidrofobe de acizi grași, de aceea în apă formează spontan un bistrat; acesta alcătuiește membrana celulară, în care se intercalează colesterolul la celulele animale. Steroizii și prostaglandinele sunt mesageri lipidici.

Exemplu rezolvat 1: catalaza din ficat. Patru eprubete conțin apă oxigenată și: A, ficat crud; B, ficat fiert 5 minute; C, nisip; D, ficat crud și acid clorhidric.

1. În A se degajă intens un gaz care aprinde un băț cu jar: oxigen, produs al descompunerii ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$.
2. C, martorul, nu reacționează, deci descompunerea este datorată țesutului, nu simplei adăugări de solid.
3. În B nu apare gaz: fierberea denaturează proteinele, deci agentul activ este o proteină, enzima catalază.
4. În D efervescența scade foarte mult: pH-ul acid modifică centrul activ.

Exemplu rezolvat 2: legăturile peptidice. Insulina are 51 de aminoacizi în 2 lanțuri, iar hemoglobina adultului $141\cdot 2+146\cdot 2$ aminoacizi în 4 lanțuri.

1. Hemoglobina: $141\cdot 2+146\cdot 2=574$ aminoacizi.
2. Numărul legăturilor într-un lanț este $n-1$, deci în total aminoacizii minus numărul lanțurilor: hemoglobina are $574-4=570$ legături peptidice, insulina $51-2=49$.
3. Fiecare legătură a eliminat o moleculă de apă, deci s-au eliminat 570, respectiv 49 de molecule de apă.

Enzime. Cofactorii sunt ioni metalici sau coenzime; multe coenzime derivă din vitamine (NAD${}^{+}$ din niacină, FAD din riboflavină, coenzima A din acidul pantotenic). Inhibitorul competitiv se leagă la centrul activ, crește constanta $K_m$ și lasă neschimbată viteza maximă $V_{max}$; inhibitorul necompetitiv se leagă în afara centrului activ și scade $V_{max}$. Enzima nu modifică $\Delta G$ al reacției.

Hormoni. Cei peptidici acționează prin receptori de membrană și mesageri secunzi, de exemplu AMPc; cei steroizi traversează membrana, se leagă de receptori intracelulari și modifică transcrierea genelor.

Anticorpi și hemoglobină. IgG este cea mai abundentă clasă din ser, IgM apare prima în răspunsul imun, IgA se găsește în secreții, IgE participă la alergii. Un gram de hemoglobină saturată leagă aproximativ $1,34$ mL de oxigen: la $15$ g/dL și saturație $98\%$, sângele transportă legat de hemoglobină $15\cdot 1,34\cdot 0,98\approx 19,7$ mL ${\mathrm{O}}_2$ la $100$ mL. Hemoglobina S din anemia falciformă are valină în locul glutamatului, la poziția 6 a lanțului $\beta$.

Colagen. Conține glicină, prolină și hidroxiprolină; hidroxilarea prolinei cere vitamina C, iar lipsa ei duce la scorbut.

Exemplu în format de admitere (complement grupat). Despre macromoleculele organismului sunt corecte afirmațiile:

1. Hemoglobina adultului conține patru lanțuri polipeptidice, fiecare cu un hem.
2. Un inhibitor necompetitiv se leagă la centrul activ și nu modifică viteza maximă a reacției.
3. Chitina este o polizaharidă prezentă în exoscheletul artropodelor.
4. Insulina este un hormon steroid sintetizat din colesterol.

• 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. Afirmația 2 este falsă: inhibitorul necompetitiv se leagă în afara centrului activ și scade $V_{max}$. Afirmația 3 este adevărată. Afirmația 4 este falsă: insulina este un hormon peptidic.

Greșeli frecvente

• Greșit: Toate glucidele au gust dulce.
  Corect: Celuloza, amidonul și chitina sunt glucide care nu sunt zaharuri simple dulci.
• Greșit: Toți hormonii sunt proteine.
  Corect: Există hormoni proteici și hormoni de natură lipidică.
• Greșit: Enzimele se consumă în reacție și trebuie reînnoite după fiecare ciclu.
  Corect: Enzima iese nemodificată din reacție și poate cataliza din nou, cât timp nu este denaturată.
• Greșit: Chitina apare numai la insecte.
  Corect: Chitina formează și exoscheletul crustaceelor și peretele fungilor.

Înainte și după