Biomolecole

 BIOLOGIA

La biologia è lo studio (logos) del fenomeno della vita (bios), con particolare attenzione agli esseri viventi, i quali sono costituiti da cellule. Queste cellule, a loro volta, sono formate da molecole, suddivise in organiche e inorganiche:

• Le molecole organiche sono le molecole che contengono il carbonio. Le principali molecole organiche includono le biomolecole:

- Carboidrati

- Proteine

- Acidi nucleici

- Proteine

• Tra le molecole inorganiche ( molecole senza carbonio, fatta eccezione per la CO2), un ruolo centrale è ricoperto dall'acqua, la molecola più abbondante negli esseri viventi. Ad esempio:

- Una medusa è composta al 96% di acqua.

- Un neonato al 75%.

 L'Acqua: Una Sostanza Essenziale

L'acqua è una sostanza pura e un composto binario, formato solo da due diversi tipi di atomi: 2 atomi di idrogeno H e 1 atomo di ossigeno O. La sua molecola è polare a causa della differenza di elettronegatività tra l'idrogeno e l'ossigeno. Questa polarità conferisce all'acqua proprietà chimico-fisiche uniche. Le molecole d'acqua si comportano come piccole calamite, generando legami deboli intermolecolari chiamati legami a idrogeno, tra il polo positivo dell’idrogeno e il polo negativo dell’ossigeno. Tali legami sono fondamentali per:

- La stabilità dell'acqua.

- La coesione tra le molecole di acqua.

 L’Acqua: Il Solvente della Vita

L’acqua è considerata il solvente universale di tutte le cellule. Dentro e fuori le cellule, le sostanze sono trasportate in soluzioni acquose, dette anche soluzioni biologiche. In queste soluzioni troviamo principalmente le sostanze idrofiliche, cioè quelle che si sciolgono facilmente in acqua.

La parola “acqua” deriva dal latino Aqua che a sua volta deriva dal greco antico ὕδωρ, e da lì ha avuto origine la parola “idrico” e sottolinea la sua importanza universale.

Proprietà Chimico-Fisiche dell’Acqua

Le caratteristiche uniche dell’acqua sono legate ai legami a idrogeno, che influenzano varie proprietà fondamentali:

1. Evaporazione: L’energia necessaria per trasformare l’acqua liquida in vapore richiede un assorbimento di calore.

2. Calore specifico: L’acqua ha un elevato calore specifico, cioè serve una grande quantità di energia per aumentare la temperatura di 1 kg di acqua.

3. Capillarità: Grazie alla combinazione di coesione e adesione, l’acqua può risalire lungo tubi sottili (detti capillari), essenziale per il trasporto dei nutrienti nelle piante dalle radici alle foglie.

4. Tensione Superficiale: Le molecole d’acqua, aderendo fortemente tra loro, formano una sorta di “pellicola” superficiale, che vediamo ad esempio quando gli insetti camminano sull’acqua.

5. Adesione: L’acqua si lega alle superfici con cui entra in contatto, facilitando così l’interazione con altre sostanze.

 Il Ciclo dell’Acqua

Il ciclo dell’acqua è fondamentale per la vita sulla Terra ed il mantenimento degli ecosistemi. Si svolge in diverse fasi:

- Evaporazione: Il sole riscalda l’acqua, trasformandola in vapore acqueo.

- Condensazione: Il vapore si raffredda formando le nubi.

- Precipitazione: L’acqua ritorna sulla terra sotto forma di pioggia.

- Assorbimento: L’acqua penetra nel terreno o viene assorbita dalle radici delle piante.

Le Biomolecole

Le biomolecole rappresentano le unità strutturali e funzionali degli organismi viventi. Distinguiamo tra:

• Monomeri: Unità semplici. Ad esempio, il glucosio è un monomero, uno zucchero semplice, con formula chimica C₆H₁₂O₆.

• Polimeri: Strutture complesse formate dall’unione di più monomeri.

 La Struttura Chimica delle Biomolecole

I monomeri si uniscono attraverso reazioni di condensazione, cioè reazioni in cui si ha la formazione di un legame chimico con la contemporanea eliminazione di una molecola di acqua. Al contrario, tali legami possono essere spezzati mediante reazioni di idrolisi, grazie all’aggiunta di una molecola di acqua che va a rompere un legame chimico.

Gruppi Funzionali

Le biomolecole possiedono uno o più gruppi funzionali, cioè atomi o gruppi di atomi che conferiscono specifiche proprietà chimico-fisiche e la reattività delle biomolecole. I più noti gruppi funzionali sono:

- OH (Gruppo ossidrilico): Presente negli zuccheri e in molti composti organici.

- C=OH (Gruppo aldeidico): Presente negli zuccheri.

- NH₂ (Gruppo amminico): Presente negli amminoacidi.

- COOH (Gruppo carbossilico): presente negli acidi grassi e negli amminoacidi.

I Carboidrati: Principale Fonte Energetica degli Esseri Viventi

I carboidrati rappresentano la principale fonte energetica per gli esseri viventi. Sono composti ternari, cioè formati solo da 3 diversi tipi di atomi: carbonio C, idrogeno H e ossigeno O, e hanno una particolare formula generale: per ogni atomo di carbonio C ci sono 2 atomi di idrogeno (H) e 1 atomo di ossigeno (O).

 Classificazione dei Carboidrati

I carboidrati si suddividono in tre categorie principali:

 1. Monosaccaridi (zuccheri semplici) : Sono formati da una sola molecola/unità zuccherina. Esempi sono:

- Glucosio: Lo zucchero che viene trasportato dal sangue.

- Fruttosio: Lo zucchero presente nella frutta.

- Galattosio: che fa parte del disaccaride lattosio, lo zucchero contenuto nel latte.

- Ribosio e Desossiribosio: due zuccheri pentosi (cioè formati da 5 atomi di C) presenti nei nucleotidi e nella struttura degli acidi nucleici (il DNA e l’RNA).

 2. Disaccaridi: zuccheri formati dall’unione di due monosaccaridi attraverso una reazione di condensazione (che produce un legame chimico e porta all’eliminazione di una molecola di acqua). Esempi sono:

- Saccarosio (glucosio + fruttosio): Presente nelle piante.

- Lattosio (glucosio + galattosio): Lo zucchero del latte.

 3. Polisaccaridi = polimeri formati dall’unione di moltissimi monosaccaridi. Si dividono ulteriormente in:

A. Polisaccaridi di riserva:

- Amido: Riserva energetica delle piante.

- Glicogeno: Riserva energetica negli animali, accumulato nel fegato e nei muscoli.

B. Polisaccaridi strutturali:

- Cellulosa: Costituisce la parete cellulare delle piante.

- Chitina: Si trova nella parete cellulare dei funghi e forma l’esoscheletro degli insetti e dei crostacei.

 I Lipidi: Molecole Essenziali

I lipidi sono composti organici formati principalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno, con la possibilità di includere fosforo. Le loro principali funzioni biologiche dei lipidi sono:

1. Energetica: I lipidi rappresentano una fonte concentrata di energia, in quanto forniscono più del doppio delle calorie rispetto ai carboidrati e alle proteine.

2. Strutturale: I lipidi sono componenti fondamentali delle membrane cellulari, essenziali in tutti i tessuti.

3. Regolatoria e Ormonale: Alcuni lipidi partecipano alla sintesi di ormoni e altre molecole di regolazione.

Le Proprietà dei Lipidi sono:

- Sono insolubili in acqua: Non si sciolgono in acqua.

- Sono apolari: Non sono dotati di carica elettrica.

- sono formati da acidi grassi, che possono essere distinti in:

• SATURI: contengono solo legami covalenti semplici, cioè singoli. Si trovano principalmente nei grassi animali (es. burro).

• INSATURI: contengono uno o più legami covalenti doppi. Sono presenti negli oli vegetali.

Diversi Tipi di Lipidi

I due tipi principali di lipidi sono:

 1. Trigliceridi: Formati da una molecola di glicerolo legata a tre acidi grassi attraverso 3 reazioni di condensazione. Per quanto riguarda lo Stato fisico, i trigliceridi formati da acidi grassi saturi si presentano come Solidi, ad esempio il burro e gli altri Grassi animali; invece, i trigliceridi formati da acidi grassi insaturi si presentano come Liquidi, come gli Oli vegetali.

 2. Fosfolipidi: hanno una Funzione strutturale: infatti, costituiscono la membrana cellulare, disponendosi in un doppio strato fosfolipidico. Per quanto riguarda la Struttura, sono formati da :

   - una Testa idrofila: Contiene glicerolo e un gruppo fosfato, orientata verso l’ambiente acquoso esterno alla membrana.

   - Code idrofobe: Composte da acidi grassi insaturi, rivolte verso l’interno della membrana.

 Gli Steroidi: Molecole Lipidiche Essenziali

Gli steroidi sono una classe di lipidi con diverse funzioni biologiche. Hanno una struttura chimica derivata da un’unica molecola base chiamata ciclopentanoperidrofenantrene. Tra le loro principali funzioni, troviamo:

1. La Stabilizzazione della membrana cellulare: Gli steroidi, come il colesterolo, contribuiscono a rendere più stabile la membrana cellulare.

2. Funzione anabolizzante: Gli steroidi anabolizzanti, derivati sintetici, sono noti per promuovere la sintesi proteica, accelerando la crescita muscolare. Es. Palestrati e bodybuilder.

3. Riduzione della perdita d’acqua: possono regolare la perdita d’acqua attraverso le membrane cellulari.

 Il Colesterolo

Il colesterolo è un lipide strutturale che si trova esclusivamente nelle cellule animali. È presente in tutte le membrane biologiche e svolge un ruolo fondamentale nella loro stabilità e fluidità. Da questa molecola base derivano altre sostanze importanti come:

   - Ormoni steroidei: Ad esempio, cortisolo, testosterone ed estrogeni.

   - Vitamina D: Essenziale per l’assorbimento del calcio e la salute delle ossa.

 Le Proteine: Mattoni Fondamentali della Vita

Le proteine sono composti organici azotati, poiché contengono azoto. Esse sono composte da carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N), e talvolta anche zolfo (S) e fosforo (P).

I Monomeri delle proteine: Gli Amminoacidi

Le proteine sono polimeri costituiti da unità semplici chiamate amminoacidi. Ogni amminoacido presenta la medesima struttura di base:

- Un atomo di carbonio centrale (detto Carbonio α, perché legato direttamente a un gruppo Carbossilico C=OOH). Al carbonio centrale sono legati:

  1. Un gruppo amminico (-NH₂)

  2. Un gruppo carbossilico (-C=OOH)

  3. Un atomo di idrogeno (H)

  4. Un gruppo laterale R variabile, che differisce da un amminoacido all’altro e determina le proprietà chimico-fisiche degli amminoacidi e, di conseguenza, delle proteine stesse.

 Struttura delle Proteine

Le proteine sono formate da lunghe catene di amminoacidi uniti da legami peptidici, che si formano attraverso una reazione di condensazione: il gruppo carbossilico di un amminoacido si lega al gruppo amminico di un altro aminoacido, con la conseguente eliminazione di una molecola d’acqua. Il processo inverso, chiamato reazione di idrolisi, consente di rompere i legami peptidici tramite aggiunta di acqua.

 Gli Acidi Nucleici: DNA e RNA

Gli acidi nucleici sono molecole fondamentali per la vita, poiché costituiscono il materiale genetico degli esseri viventi. Il nome "acidi nucleici" deriva dal fatto che queste sostanze, scoperte inizialmente nei nuclei cellulari, possiedono proprietà acide.

Gli acidi nucleici sono composti da: Carbonio (C), Idrogeno (H), Ossigeno (O), Azoto (N), Fosforo (P).

I Monomeri degli Acidi Nucleici: I Nucleotidi

Gli acidi nucleici sono polimeri, i cui monomeri sono chiamati nucleotidi. Ogni nucleotide è formato da:

1. Uno zucchero pentoso (a 5 atomi di carbonio): Ribosio per l'RNA e desossiribosio per il DNA.

2. Una base azotata, che può essere:

   - Purina: Adenina (A), Guanina (G).

   - Pirimidina: Timina (T) per il DNA, Uracile (U) per l'RNA, Citosina (C) comune ad entrambi gli acidi nucleici.

3. Un gruppo fosfato, che permette il legame tra nucleotidi.

DNA

   Il DNA ha una struttura altamente stabile, poiché è costituito da una doppia elica formata da due filamenti antiparalleli, uniti tramite legami idrogeno tra basi complementari (adenina si accoppia con timina tramite due legami a idrogeno A-T e citosina si accoppia con guanina tramite tre legami a idrogeno C-G).

RNA

   L'RNA è generalmente una molecola a singolo filamento, meno stabile del DNA, ma altrettanto fondamentale.

Funzione degli Acidi Nucleici

Gli acidi nucleici svolgono ruoli essenziali:

1. Materiale genetico: Il DNA contiene tutte le informazioni ereditarie che determinano le caratteristiche genetiche di un organismo.

2. Sintesi proteica: L'RNA è coinvolto nel trasferimento e nella traduzione dell’informazione genetica grazie al codice genetico per la produzione di proteine.