Le macromolecole e l'acqua come solvente nei sistemi viventi

Circa il 95% del peso secco di una cellula è costituito da macromolecole e, tra queste, le proteine rappresentano si gran lunga la classe più abbondante. Quest'ultime sono polimeri costituiti da subunità monomeriche dette amminoacidi. Le proteine sono distribuite in tutta la cellula, con ruoli sia strutturali sia catalitici. Gli acidi nucleici sono polimeri costituiti d nucleotidi e nella cellula si ritrovano come RNA e DNA. Dopo le proteine, gli acidi ribonucleici (RNA) sono le macromolecole più abbondanti in una cellula in attiva crescita. Ciò dipende dalle migliaia di ribosomi , costituiti da RNA e proteine, presenti nella cellula. Inoltre, quantità minori di RNA sono presenti sottoforma di RNA messaggeri e RNA transfer, due tipi di RNA anch'essi determinanti nella sintesi proteica. Contrariamente all'RNA il DNA rappresenta (in peso) una frazione relativamente minoritaria della cellula batterica. Nonostante ciò, esso è ovviamente essenziale per le funzioni cellulari, in quanto depositario dell'informazione genetica. I lipidi hanno proprietà sia idrofobiche che idrofiliche e rivestono un ruolo fondamentale nella struttura della membrana e come deposito per l'accumulo di carbonio in eccesso. I polisaccaridi sono polimeri costituiti da zuccheri e sono presenti prevalentemente nella parete cellulare. Le macromolecole e tutte le altre molecole di una cellula sono immerse in acqua. L'acqua è caratterizzata da alcune importanti caratteristiche chimiche che la rendono un solvente biologico ideale e un composto assolutamente indispensabile per la vita così come la conosciamo. In particolare, due sono le proprietà che fanno dell'acqua un eccellente solvente: la sua polarità e la sua coesività. Le proprietà polari dell'acqua sono rilevanti sia perché molte molecole biologiche importanti sono esse stesse polari e quindi facilmente solubili in acqua sia perché promuovono anche l'aggregazione di molecole grandi. Le molecole d'acqua formano reticoli tridimensionali, sia con se stesse sia negli spazi macromolecolari, e ciò facilita il posizionamento reciproco degli atomi e le potenziali interazioni tra essi all'interno delle molecole biologiche. Un ulteriore beneficio dell'elevata polarità dell'acqua per la cellula è quello di costringere le sostanze non polari ad aggregarsi. Le molecole d'acqua, inoltre, possiedono un elevata affinità l'una per l'altra e formano reticoli chimici ordinati all'interno dei quali legami idrogeno attraversano cicli continui di formazione e rottura (coesività). La natura coesiva dell'acqua è responsabile di alcune delle sue importanti proprietà biologiche, quali l'elevata tensione superficiale e l'elevato calore specifico (il calore necessario ad innalzare la temperatura di 1°C).