LE MOLECOLE BIOLOGICHE

Le molecole organiche presenti negli organismi viventi e rispettive funzioni.

Le molecole biologiche

Le molecole biologiche sono: i carboidrati, i lipidi, gli acidi nucleici, le proteine, gli ormoni, le vitamine.

ZUCCHERI 

I carboidrati, chiamati anche glucidi, sono fra i componenti organici più abbondanti sulla Terra e rappresentano la prima sorgente di energia per gli organismi.
I carboidrati possono essere semplici o complessi; i carboidrati semplici sono i monosaccaridi, seguono poi i disaccaridi, mentre quelli più complessi si distinguono in oligosaccaridi e polisaccaridi.

I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici e, a seconda del numero di atomi di carbonio, si suddividono in triosi, tetrosi, pentosi, esosi ecc. Le loro caratteristiche strutturali e la loro reattività chimica sono determinate dai gruppi funzionali che presentano, e cioè il gruppo alcolico —OH (che si trova in tutti i monosaccaridi) e il gruppo aldeidico —CHO oppure il gruppo chetonico C = O.
Quando uno zucchero contiene un gruppo aldeidico viene detto aldoso, se ha un gruppo chetonico è un chetoso.
Gli zuccheri monosaccaridi vengono divisi in appartenenti alla serie D o L (una lettera che si mette davanti al il nome dello zucchero) in riferimento alla configurazione dell'OH sull’atomo di carbonio asimmetrico più lontano dal gruppo funzionale.

I saccaridi in soluzione acquosa si presentano in strutture chiuse, in equilibrio con quelle aperte. Le strutture cicliche preferite dai saccaridi sono a cinque termini (furanosi) o a sei termini (piranosi), come il glucosio.

I disaccaridi sono costituiti da due monosaccaridi.  Nella formazione del disaccaride abbiamo la perdita di una molecola d’acqua (reazione di condensazione); i due monosaccaridi costituenti sono uniti mediante un atomo di ossigeno (legame glicosidico).

Disaccaridi di grande importanza sono:
a) il saccarosio (zucchero da cucina), formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio;
b) il lattosio (formato da una molecola glucosio e una di galattosio), zucchero del latte.

Gli oligosaccaridi sono costituiti da pochi monosaccaridi legati tra di loro.

I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi (centinaia o migliaia di unità). I polimeri più importanti sono l’amido, il glicogeno e la cellulosa.

L’amido è un polimero di glucosio; è presente nel grano, nelle patate, nel riso e nei cereali e costituisce la riserva di carboidrati tipica delle piante.

Il polisaccaride di riserva degli organismi animali, accumulato nel fegato e nei muscoli, è il glicogeno  ( costituito da 100 000 unità di glucosio). Ha una struttura molto ramificata. La sintesi del glicogeno negli organismi animali serve a ridurre l’eccesso di glucosio introdotto con il cibo e viene restituito al sangue quando le cellule dell’organismo ne hanno bisogno.

La cellulosa è il polisaccaride del mondo vegetale.

I polisaccaridi hanno diverse funzioni:
- funzione di sostegno
- funzione di riserva energetica
- funzione di segnali di riconoscimento per un determinato tipo di cellule.

LIPIDI

I lipidi sono una categoria molto eterogenea di composti organici, accomunati tra loro dalle seguenti proprietà:
- insolubilità in acqua
- apolarità.

Le loro molecole sono, infatti, caratterizzate dalla presenza di lunghe catene idrocarburiche (  C - C - C - C ) fortemente apolari. A questa categoria appartengono i grassi, gli oli, le cere, le vitamine liposolubili e gli ormoni steroidei, e alcuni costituenti della membrana plasmatica, tra cui i fosfolipidi.

Diversi sono anche i ruoli che i lipidi svolgono nelle cellule:
• ruolo di riserva energetica;
• ruolo strutturale: sono i costituenti di tutti i tipi di membrana;
• ruolo funzionale: ormoni, vitamine  indispensabili agli organismi viventi.

I grassi animali e gli oli vegetali sono i lipidi più diffusi in natura; a temperatura
ambiente, i primi sono solidi (perché hanno solo legami semplici C-C che si impacchettano a dare strutture solide), mentre i secondi sono liquidi (perché hanno anche legami doppi C=C che formano degli angoli nella catena ed impediscono la formazione di strutture solide).

I grassi e gli oli sono trigliceridi, cioè sono formati dal glicerolo a cui sono aggiunte 3 catene di acidi grassi:

H2C—OH
     ∣
 H C —OH       GLICEROLO          +   3 catene di acidi grassi
     ∣
H2C—OH     


H2C—O—COR
      ∣
  H C —O—COR'        Trigliceridi

      ∣

 H2C—O—COR"

I fosfolipidi sono formati da glicerolo + 2 molecole di acidi grassi (code idrofobiche) + 1 gruppo fosfato, PO4 (testa polare), per cui i fosfolipidi sono anche detti "molecole anfipatiche".

H2C—OH
     ∣
 H C —OH       GLICEROLO          +  gruppo fosfato  +   2 catene di acidi grassi
     ∣
H2C—OH     


        O-
        ∣
-O - P = O—CH2
        ∣             ∣
     -O          HC —OR'       FOSFOLIPIDE
                       ∣
                 H2C—OR''   

La membrana cellulare e sue funzioni

Le membrane cellulari  sono formate da un doppio strato di fosfolipidi le cui code apolari sono rivolte verso l’interno, mentre le teste polari sono rivolte verso il mezzo acquoso interno (citoplasma) ed esterno (extracellulare).
Il doppio strato lipidico:
- isola la cellula dall’ambiente circostante
- regola anche lo scambio dei materiali tra cellula e ambiente.

PROTEINE

Le proteine sono presenti in ogni cellula vivente, vegetale o animale.

Esse rivestono molteplici funzioni:
- alcune hanno un ruolo strutturale
- altre sono indispensabili per il normale funzionamento del nostro organismo
- alcune funzionano da enzimi
- altre da ormoni proteici
- proteine trasportatori, carrier, ecc

Le proteine sono polimeri di amminoacidi. I polipeptidi sono costuiti da circa cinquanta aminoacidi, mentre le grandi proteine ne contengono anche ottantamila.

Gli amminoacidi sono i monomeri delle proteine.  La loro molecola contiene:

• un gruppo amminico —NH2 
• un gruppo carbossilico —COOH
• Al carbonio è legato anche un gruppo R— (la catena laterale), diverso per ciascun amminoacido.

       R
       ∣
H—C—COOH
       ∣
      NH2

Due aminoacidi sono legati tra loro tramite legame peptidico: il gruppo carbossilico del primo amminoacido reagisce con il gruppo amminico del secondo amminoacido, con liberazione di una molecola di acqua (reazione di condensazione).

La sequenza di amminoacidi in successione nella catena polipeptidica costituisce la struttura primaria di una proteina.

Le interazioni idrofobiche e i legami a idrogeno portano alla formazione della struttura secondaria (alfa-elica e foglietto-beta ripiegato).

La struttura terziaria è la struttura tridimensionale che la proteina assume per interazione tra alfa-eliche e foglietti-beta. Questa struttura rende la proteina capace di svolgere le sue funzioni, tra cui particolari reazioni chimiche con altre molecole specifiche.

A mantenere la struttura terziaria sono le interazioni tra i gruppi R degli aminoacidi.

La struttura quaternaria è, invece, posseduta solo dalle proteine costituite da più subunità, in quanto è la struttura che si ottiene per l'interazione tra più catene polipeptidiche (che costituiscono le singole subunità della proteina).

La forma e le proprietà chimiche delle proteine determinano la loro funzione.

L’alterazione della struttura tridimensionale di una proteina a causa della temperatura è detta denaturazione ed è spesso accompagnata dalla perdita della sua normale funzionalità biologica, a causa della rottura dei legami idrogeno. Col ritrono alle temperature biologiche (circa 37 gradi) la proteina denaturata riesce a mano a mano a riprendere la sua struttura originaria, ossia si ha la RINATURAZIONE della proteina denaturata. ciò è possibile perchè la struttura secondaria e terziaria di una proteina sono già insite nella sua struttura primaria (la successione degli aminoacidi ci dice già quali saranno la sua struttura secondaria e terziaria). Se, però, la denaturazione viene effettuata a temperatura troppo alta e per troppo tempo, la proteina non riesce più a ritornare nella sua forma funzionale (ossia non riesce a fare la rinaturazione).

GLI ACIDI NUCLEICI

Gli acidi nucleici sono polimeri formati da monomeri detti nucleotidi. Esistono due tipi di acidi nucleici: il DNA e l’RNA.
L’informazione genetica contenuta nel DNA risiede nella sequenza dei nucleotidi che costituiscono la doppia elica.

Il DNA è costituito da nucleotidi aventi
- come zucchero il desossiribosio
- 4 basi azotate (adenina A, timina T, citosina C e guanina G)
- gruppo fosfato.

Mentre l'RNA ha le seguenti differenze rispetto al DNA:
- ha come zucchero il ribosio anzichè il desossiribosio
- ha l'uracile al posto della timina.

L'RNA è (quasi totalmente) a singola elica, mentre il DNA è a doppia elica destrogira.

La caratteristica fondamentale del DNA è la complementarietà:

- A si lega con 2 legami a idrogeno a T

- C si lega con 3 legami a idrogeno a G.

Questa complementarietà consente di duplicare il DNA (replicazione) e di copiare facilmente il DNA in RNA (trascrizione).

Il ruolo degli enzimi

Gli organismi ricavano energia dall’ambiente e la trasformano all’interno delle cellule per utilizzarla secondo le proprie esigenze.
Possiamo distinguere, pertanto, due tipi di reazioni:

• Le reazioni anaboliche, che sintetizzano molecole complesse
• le reazioni cataboliche, che scindono le molecole complesse in molecole più semplici. 

Insieme anabolismo e catabolismo costituiscono il metabolismo.
Le cellule sintetizzano molecole di ATP utilizzando l’energia prodotta dalle reazioni cataboliche, e poi le rompono per attivare le reazioni anaboliche.

Gli enzimi sono proteine che accelerano le reazioni cellulari, abbassando l'Energia di Attivazione necessaria per passare dai Reagenti (Substrati) ai Prodotti. Ogni reazione è catalizzata da uno
specifico enzima, che lega il substrato nel proprio sito attivo.