Molecole biologiche

Qual è la vostra colazione preferita? Pane tostato con burro? Uova strapazzate? Che ne dite di un croissant appena sfornato?

Qualunque sia la vostra preferenza, tutti questi prodotti hanno una cosa in comune. Sono tutti composti da molecole biologiche o biomolecole.

• Questo articolo tratta le biomolecole.
• Tratteremo quattro diversi tipi di biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.
• Esploreremo struttura, legami e funzioni di ciascuna di esse.

Tipi di biomolecole

Esistono quattro tipi principali di biomolecole prodotte negli organismi viventi.

• Carboidrati

• Lipidi

• Proteine

• Acidi nucleici

Avrai sentito parlare di queste biomolecole anche in biologia, dove viene approfondito il loro ruolo nell'organismo. Ma qui, in chimica, esamineremo le biomolecole con particolare attenzione alla loro struttura e ai loro legami. Cominciamo con i carboidrati.

Carboidrati

Avrai sentito parlare dei carboidrati tantissime volte, ma cosa sono in realtà?

Quando parliamo di carboidrati nella vita quotidiana, tendiamo a chiamarli zuccheri o amidi. Un altro termine scientifico è saccaridi. Alcuni dei carboidrati più comuni sono il glucosio, il lattosio, il fruttosio, il maltosio, l'amido e la cellulosa.

Struttura dei carboidrati

I carboidrati sono molecole composte da monomeri semplici chiamati monosaccaridi. I monosaccaridi contengono tre elementi chiave: carbonio, idrogeno e ossigeno. Alcuni carboidrati sono costituiti da un solo gruppo o tipo di monosaccaride, mentre altri sono costituiti da più monosaccaridi legati tra loro. I monosaccaridi formano legami glicosidici tramite reazioni di condensazione.

I carboidrati hanno solitamente forumula generale C_m(H₂O)_m, ma questo non è sempre valido. Come tutte le molecole organiche, questi atomi sono tenuti insieme da forti legami covalenti. Essi contengono molti gruppi carbonilici (C=O) e idrossilici (-OH), che li rendono molecole polari, ma la loro struttura può variare notevolmente. Ad esempio, alcuni carboidrati formano strutture cicliche, mentre altri formano catene lineari; molti possono passare da una struttura ciclica (ad anello) ad una struttura a catena lineare.

Figura 1. Un esempio di struttura ciclica dei carboidrati.

Tipi di carboidrati

Sopra abbiamo detto che alcuni carboidrati sono costituiti da una sola unità monosaccaridica, mentre altri sono costituiti da molte unità legate tra loro. In realtà, possiamo classificare ulteriormente i carboidrati in tre tipi, in base al numero di unità monosaccaridiche ripetute da cui sono composti. Ecco come si classificano:

• Gli zuccheri più semplici sono costituiti da un solo monosaccaride. Esempi di monosaccaridi sono il glucosio e il galattosio. Hanno da tre a otto atomi di carbonio; con poche eccezioni, hanno formula generale (CH₂O)_x. Tutti i monosaccaridi con quattro o più atomi di carbonio possiedono struttura ciclica in una soluzione acquosa.
• Se si uniscono due monosaccaridi, si ottiene un disaccaride. I monosaccaridi si legano tramite un legame covalente che si forma in una reazione di condensazione, liberando acqua. Come abbiamo detto, questo legame si chiama legame glicosidico. Esempi di disaccaridi sono il saccarosio e il maltosio.
• Se si uniscono molti monosaccaridi, si ottiene un polisaccaride. I polisaccaridi, come l'amilosio, sono molecole a catena lineare, mentre altri, come il glicogeno, sono altamente ramificati. Anche in questo caso, i monosaccaridi sono tenuti insieme tramite legami glicosidici formati in una reazione di condensazione. Ne sono un esempio l'amido e la cellulosa.

Ad esempio, il glucosio è un monosaccaride con sei atomi di carbonio. Unendo due molecole di glucosio si ottiene il maltosio, un disaccaride. Se invece si uniscono molte molecole di glucosio in una lunga linea retta, si ottiene l'amilosio, un polisaccaride.

Figura 2. Diversi tipi di carboidrati: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Fonte: commons.wikimedia.org (alterata)

Funzione dei carboidrati

I carboidrati hanno molte funzioni nell'organismo. Ad esempio:

• I monosaccaridi sono la nostra principale fonte di energia e un ottimo punto di partenza per molte reazioni metaboliche.
• I polisaccaridi agiscono non solo come riserve di energia, ma anche come materiali strutturali.
• I carboidrati svolgono anche un ruolo come parte degli acidi nucleici, di cui parleremo più avanti.

Con gli esempi appena fatti, dovreste avere un'idea di cosa sono i carboidrati e di qual è la loro struttura. Il prossimo gruppo di biomolecole che discuteremo sono i lipidi.

Lipidi

I grassi. Che li vedi gocciolare dai vostri hamburger ulla griglia del take-away, o sulla carne del girarrosto, o sul piatto che stai cercando di evitare di lavare, in ogni caso si tratta di lipidi.

Struttura dei lipidi

I lipidi sono costituiti dagli stessi elementi dei carboidrati: carbonio, idrogeno e ossigeno. Ma mentre i carboidrati contengono molti gruppi polari -OH e C=O, i lipidi sono apolari. Sono caratterizzati da lunghe catene idrocarburiche non polari. Questo rende i lipidi solubili nei solventi organici ma insolubili in acqua. Sono quindi composti idrofobici.

Tipi di lipidi

Il termine lipide è un termine ampio che indica un'intera gamma di molecole, il che significa che esistono molti tipi diversi di lipidi. Tra questi vi sono:

• Trigliceridi: composti da tre acidi grassi a catena lunga legati ad una molecola di glicerolo. Gli acidi grassi sono costituiti da lunghe catene idrocarburiche non polari con un gruppo carbossilico a un'estremità, mentre il glicerolo è un alcol con tre gruppi funzionali idrossilici. I tre acidi grassi si uniscono alla molecola di glicerolo tramite legami esterei, formati in una reazione di condensazione. Ne sono un esempio gli oli vegetali e i grassi animali.

• Fosfolipidi: sono molto simili ai trigliceridi. Tuttavia, nei fosfolipidi, uno degli acidi grassi a lunga catena è sostituito da un gruppo fosfato. L'estremità del trigliceride con il gruppo fosfato è chiamata testa, mentre quella con gli acidi grassi a catena lunga è chiamata coda. I gruppi fosfato sono polari, il che significa che i fosfolipidi hanno una testa idrofila. Tuttavia, la loro coda è idrofoba.

• Steroidi: si basano su molecole costituite da quattro anelli di idrocarburi. Molti ormoni, alcaloidi e vitamine sono steroidi.

Figura 3. Esempi di lipidi. Fonte: commons.wikimedia.org (alterata)

Funzioni dei lipidi

I lipidi nella nostra dieta godono di una cattiva reputazione. Tuttavia, sono molecole essenziali.

• I lipidi sono principali fonti di energia. Ad esempio, 1 g di un lipide contiene più del doppio delle calorie rispetto a 1 g di un carboidrato o di una proteina.

• Molte vitamine sono solubili solo nei lipidi, non nell'acqua, quindi abbiamo bisogno di lipidi per garantire il corretto assorbimento di questi micronutrienti.

• I lipidi svolgono un ruolo importante anche in molte aree del corpo. Ad esempio, le membrane cellulari sono costituite quasi interamente da fosfolipidi, mentre il cervello è costituito per circa il 60% da grassi!

Ora che abbiamo esplorato i lipidi, esaminiamo le proteine.

Proteine

Le uova strapazzate della colazione o il succulento hamburger sulla griglia sono esempi di alimenti ricchi di proteine.

Struttura delle proteine

Come abbiamo detto, le proteine sono polimeri. Sono costituite da monomeri ripetuti chiamati aminoacidi. Si tratta di molecole con un gruppo carbossilico (-COOH), un gruppo amminico (-NH₂) e un gruppo R, tutti legati ad un atomo di carbonio centrale.

Figura 4. Struttura generale di un aminoacido.

Grazie al loro gruppo amminico, tutti gli amminoacidi contengono un atomo di azoto, ma alcuni amminoacidi contengono anche altri elementi nei loro gruppi R. Più amminoacidi si uniscono in una lunga catena grazie a un legame peptidico formato tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro. Questo legame si forma in una reazione di condensazione andando a formare le proteine.

Le proteine possono avere quattro diversi tipi di organizzazione strutturale:

• Struttura primaria: descrive la sequenza degli aminoacidi
• Struttura secondaria: descrive la disposizione nello spazio degli atomi dello scheletro proteico
• Struttura terziaria: descrive la sua struttura nello spazio tridimensionale
• Struttura quaternaria: si riferisce alla struttura delle proteine composte da più catene peptidiche o subunità

Tipi di proteine

Le proteine composte da due soli amminoacidi legati tra loro sono note come dipeptidi, mentre quelle composte da molti amminoacidi legati tra loro sono note come polipeptidi. Tuttavia, esistono anche altri modi di classifficare le proteine:

• Le proteine fibrose sono costituite da tre singole catene proteiche strettamente arrotolate tra loro. Esse fungono da proteine strutturali dell'organismo.
• Le proteine globulari hanno una forma sferica e agiscono principalmente come proteine funzionali, come gli enzimi.

Funzioni delle proteine

Abbiamo accennato brevemente ad alcune funzioni delle proteine: come materiali strutturali e come enzimi. Ecco alcune delle loro altre funzioni:

• Le proteine sono conosciute soprattutto per il loro ruolo nel tessuto muscolare, che ci permette di svolgere ogni tipo di attività, dal sollevamento di borse della spesa pesanti alle scalate in montagna. Tuttavia, esse forniscono un supporto strutturale anche in altre aree del corpo. Per esempio, la cheratina è una proteina che si trova nei capelli e nelle unghie.
• Le proteine sono responsabili della replicazione del DNA. Senza di esse, non saremmo in grado di trasmettere le nostre informazioni genetiche alla nostra progenie e nemmeno di creare nuove cellule!
• Le proteine contribuiscono anche al trasporto di molecole all'interno della cellula e alla segnalazione cellulare.
• Come enzimi, le proteine accelerano la velocità di molte reazioni che altrimenti sarebbero troppo lente per tenerci in vita. Per esempio, la maltasi scompone lo zucchero maltosio in singoli monomeri di glucosio.

Acidi nucleici

L'ultimo tipo di biomolecola che analizzeremo oggi è quello degli acidi nucleici.

Struttura degli acidi nucleici

Come le proteine e i carboidrati, gli acidi nucleici sono polimeri. Sono costituiti da monomeri ripetuti chiamati nucleotidi. I nucleotidi stessi sono costituiti da tre componenti: una base azotata, uno zucchero e un gruppo fosfato. La base e lo zucchero possono variare, il che differenzia i diversi nucleotidi.

Figura 5. Un nucleotide. Fonte: commons.wikimedia.org (alterata)

I nucleotidi contengono atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e fosforo. Come tutte le altre biomolecole che abbiamo visto, sono tenuti insieme da legami covalenti. Il legame tra due nucleotidi diversi è noto come legame fosfodiesterico e si forma ancora una volta in una reazione di condensazione.

Tipi di acidi nucleici

Probabilmente ti sarai già imbattuto negli acidi nucleici, anche se non ne conoscevi il nome. In effetti, all'interno del nucleo di ogni nostra cellula sono presenti due metri di acido nucleico! Gli acidi nucleici comprendono:

• Il DNA, composto dalle basi A, T, C e G e dallo zucchero desossiribosio
• L'RNA, composto da basi note come A, U, C e G e dallo zucchero ribosio.