Biomolecole

Definizione di biomolecole

Le molecole biologiche sono molecole di tipo organico. Questo definisce la loro composizione in carbonio e idrogeno. Tuttavia, possono contenere elementi aggiuntivi come ossigeno, azoto, fosforo o zolfo.

Potresti anche trovarle sotto la definizione di composti organici. Questo poiché il carbonio in queste molecole costituisce una sorta di spina dorsale.

Fungendo da spina dorsale, il carbonio rappresenta l'elemento più importante delle molecole biologiche. Potresti aver sentito che il carbonio è il fondamento della vita, o che tutta la vita sulla Terra è basata sul carbonio. Ciò è strettamente legato alla funzione del carbonio come elemento costitutivo essenziale per i composti organici.

Dai un'occhiata alla Figura 1, che mostra una molecola di glucosio. Il glucosio è composto da atomi di carbonio, ossigeno e idrogeno. Potrai notare che il carbonio è nel mezzo (più precisamente cinque atomi di carbonio e un atomo di ossigeno), andando a costituire, di fatto, la base della molecola.

Figura 1. Il glucosio è composto da atomi di carbonio, ossigeno e idrogeno. Il carbonio funge da spina dorsale della molecola. Gli atomi di carbonio sono omessi per semplicità.

Tutte le molecole biologiche contengono carbonio eccetto una: l’acqua.

L’acqua contiene idrogeno, ma non contiene carbonio. Questo fa dell’acqua una molecola inorganica.

Legami chimici nelle molecole biologiche

Esistono tre legami chimici principali nelle molecole biologiche: i legami covalenti, i legami a idrogeno e i legami ionici.

Prima di entrare nel dettaglio di ciascuno di essi è importante ricordare la struttura degli atomi che rappresentano i mattoni costituenti delle molecole.

Figura 2. Struttura atomica del carbonio.

La Figura 2 mostra la struttura atomica del carbonio. Puoi osservare il nucleo (una massa di neutroni e protoni). I neutroni non hanno carica elettrica, mentre i protoni hanno carica positiva. Pertanto, nel complesso un nucleo avrà una carica positiva.

Gli elettroni (in blu in questa immagine) orbitano attorno al nucleo e possiedono una carica negativa.

Perché questo è importante? È utile sapere che gli elettroni sono carichi negativamente e orbitano attorno al nucleo per capire come molecole diverse sono legate a livello atomico.

Legami covalenti

Il legame covalente è il legame più comune nelle molecole biologiche.

In un legame covalente, gli atomi condividono elettroni con altri atomi, formando legami singoli, doppi o tripli. Il tipo di legame dipende da quante coppie di elettroni sono condivise. Ad esempio, un singolo legame significa che una singola coppia di elettroni è condivisa, ecc.

Figura 3. Esempi di legami semplici, doppi e tripli.

Il legame singolo è il più debole dei tre, mentre il triplo legame rappresenta il più forte.

Ricorda che i legami covalenti sono molto stabili, quindi anche un legame semplice è molto più forte di qualsiasi altro legame chimico nelle molecole biologiche.

Studiando le macromolecole biologiche ti imbatterai in molecole definite polari e non polari, rispettivamente caratterizzate da legami covalenti polari e non polari. Nelle molecole polari, gli elettroni non sono distribuiti uniformemente, ad esempio in una molecola d'acqua. Nelle molecole non polari, gli elettroni sono distribuiti in maniera omogenea.

La maggior parte delle molecole organiche non sono polari. Tuttavia, non tutte le molecole biologiche sono non polari. Acqua e zuccheri (carboidrati semplici) sono polari, così come alcune parti di altre macromolecole, come la spina dorsale del DNA e dell'RNA, che è composta dagli zuccheri desossiribosio o ribosio.

Sei interessato agli aspetti chimici di questo argomento? Per maggiori dettagli sui legami covalenti, esplora l'articolo sul legame covalente nel portale dedicato alla chimica.

Legami ionici

I legami ionici si formano quando gli elettroni vengono trasferiti tra gli atomi. Se si confronta questo con il legame covalente, gli elettroni nel legame covalente sono condivisi tra i due atomi legati, mentre nel legame ionico vengono trasferiti da un atomo all'altro.

Incontrerai i legami ionici quando nello studio delle proteine, poiché di primaria importanza nella struttura proteica.

Per scoprire di più sui legami ionici, dai un'occhiata al portale di chimica dedicato e in particolare a questo articolo: il legame ionico.

Legami a idrogeno

I legami idrogeno si formano a partire da una parte caricata positivamente di una molecola e una parte caricata negativamente di un'altra.

Prendiamo come esempio le molecole d'acqua. Dopo che ossigeno e idrogeno hanno condiviso i loro elettroni e si sono legati in modo covalente per formare una molecola d'acqua, l'ossigeno tende a "rubare" più elettroni (l'ossigeno è più elettronegativo) lasciando di conseguenza l'idrogeno con una carica positiva. Questa distribuzione irregolare degli elettroni rende l'acqua una molecola polare. L'idrogeno (+) viene quindi attratto dagli atomi di ossigeno caricati negativamente di un'altra molecola d'acqua (-).

I legami a idrogeno singolarmente sono legami deboli, infatti risultano essere più deboli sia dei legami covalenti che ionici, ma diventano forti quando in grandi quantità. Incontrerai i legami a idrogeno tra basi nucleotidiche nella struttura a doppia elica del DNA. Inoltre, come descritto in precedenza, i legami a idrogeno sono importanti nelle molecole d'acqua.

Figura 4. Legami a idrogeno tra molecole d'acqua.

I quattro tipi di macromolecole biologiche

I quattro tipi di macromolecole biologiche sono carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici (DNA e RNA).

Queste quattro tipologie di macromolecole condividono somiglianze sia nella struttura che nella funzione, ma presentano differenze individuali che risultano essere cruciali per il normale funzionamento degli organismi viventi.

Uno degli aspetti comuni di maggior rilevanza è il legame tra struttura e funzione che le contraddistingue. Imparerai che i lipidi sono in grado di formare doppi strati nelle membrane cellulari a causa della loro polarità e che, a causa della struttura elicoidale flessibile, una catena molto lunga di DNA può adattarsi perfettamente al minuscolo spazio delineato dal nucleo di una cellula.

Carboidrati

I carboidrati o glucidi sono macromolecole biologiche e costituiscono una delle principali fonti di energia per il nostro organismo. Sono particolarmente importanti per il normale funzionamento del cervello e per la respirazione cellulare.

I carboidrati possono essere a loro volta suddivisi in: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

I monosaccaridi sono composti da una sola molecola di carboidrati o zuccheri (mono- sta per "uno"), come il glucosio.

I disaccaridi sono composti da due molecole di carboidrati o zuccheri (di- sta per "due"), come il saccarosio, che è composto da glucosio e fruttosio.

I polisaccaridi (poli- sta per "molti") sono composti da molte molecole più piccole (monomeri) di glucosio, cioè singoli monosaccaridi. Tre polisaccaridi molto importanti sono l'amido, il glicogeno e la cellulosa.

I legami chimici nei carboidrati sono legami covalenti chiamati legami glicosidici, che si formano tra i monosaccaridi. Anche qui è possibile incontrare legami a idrogeno, importanti per la struttura dei polisaccaridi.

Lipidi

I lipidi sono macromolecole biologiche che svolgono la funzione di stoccaggio energetico, costituiscono una componente strutturale fondamentale delle cellule e possono fornire isolamento e protezione.

I grassi vengono classificati in due classi principali: i trigliceridi e i fosfolipidi.

I trigliceridi sono costituiti da tre acidi grassi e dall'alcol, il glicerolo. Gli acidi grassi dei trigliceridi possono essere saturi o insaturi.

I fosfolipidi sono composti da due acidi grassi, un gruppo fosfato e glicerolo.

I legami chimici nei grassi sono legami covalenti chiamati legami estere, che si formano tra gli acidi grassi e il glicerolo.

Proteine

Le proteine, o protidi, sono macromolecole biologiche in grado di svolgere diversi ruoli. Sono i mattoni costituenti di molte strutture cellulari e agiscono come enzimi, messaggeri e ormoni, svolgendo funzioni metaboliche.

I monomeri delle proteine sono gli aminoacidi. Le proteine si presentano in quattro diverse strutture:

• Struttura proteica primaria

• Struttura proteica secondaria

• Struttura proteica terziaria

• Struttura proteica quaternaria

I legami chimici primari nelle proteine sono i legami di tipo covalente, chiamati legami peptidici, che si formano tra gli amminoacidi. Si incontrano anche altri tre legami: i legami idrogeno, i legami ionici e i ponti disolfuro. Questi legami sono di primaria importanza nel determinare la struttura terziaria delle proteine.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono macromolecole biologiche che trasportano le informazioni genetiche in tutti gli esseri viventi e nei virus. Da essi dipende la sintesi delle proteine.

Esistono due tipi di acidi nucleici: DNA e RNA.

Il DNA e l'RNA sono costituiti da unità più piccole (monomeri) chiamate nucleotidi. Un nucleotide è composto da tre parti: uno zucchero, una base azotata e un gruppo fosfato.

Il DNA e l'RNA sono ordinatamente impacchettati all'interno del nucleo di una cellula.

I legami chimici principali negli acidi nucleici sono legami covalenti chiamati legami fosfodiestere, che si formano tra i nucleotidi. Si incontrano anche legami idrogeno, che si formano tra i filamenti di DNA.