Struttura e funzioni delle biomolecole negli esseri viventi

Struttura degli esseri viventi

Gli esseri viventi, come i minerali e le rocce, sono costituiti da atomi, che si aggregano tra loro a formare strutture più complesse dette molecole. L’atomo (dal greco atomos = indivisibile) è la più piccola parte di un elemento naturale a conservarne le caratteristiche chimiche. La molecola è a sua volta la più piccola unità strutturale di un composto chimico, e può essere monoatomica o poliatomica.

Elementi chimici e biomolecole

Molti degli elementi chimici più diffusi sulla Terra sono anche parte della materia vivente. In particolare vi si trovano elevate percentuali di idrogeno, ossigeno e carbonio. L’idrogeno e l’ossigeno sono gli elementi costitutivi dell’acqua, la cui presenza negli organismi viventi è massiccia. La presenza del carbonio dipende invece dalla sua particolare capacità di legarsi saldamente a se stesso come ad atomi diversi, in un numero elevatissimo di sostanze organiche. Le molecole organiche sono altrimenti note come biomolecole. Benché molto diverse tra loro, presentano uno schema organizzativo comune, formato da tante unità di base (monomeri) disposte in lunghe catene (polimeri). Tutti i processi biologici alla base della vita consistono in continui assemblaggi e demolizioni di polimeri.

Importanza delle sostanze inorganiche

Tuttavia nei viventi, accanto alle biomolecole, si trovano in quantità non trascurabile sostanze inorganiche (dove il carbonio è assente o non si combina in strutture complesse) senza le quali il corretto funzionamento delle strutture biologiche non sarebbe possibile. Le principali sono i sali minerali e l’acqua. I primi, tra cui il calcio, il fosfato, il potassio, il ferro e il magnesio, contribuiscono sensibilmente ai processi che hanno luogo all’interno delle cellule. L’acqua è invece essenziale per via delle sue caratteristiche: è un ottimo regolatore termico, un buon solvente ed un utile mezzo di trasporto; possiede le proprietà di imbibizione e di capillarità, che le consentono di penetrare nei materiali e di risalire condotti anche molti sottili.

Carboidrati e loro funzioni

Tra le biomolecole se ne distinguono alcune di particolare importanza e diffusione.

I carboidrati, conosciuti anche come zuccheri o glucidi, sono utilizzati dagli organismi come fonte primaria di energia. Si tratta di sostanze ternarie, cioè composte da tre diversi atomi (nel caso specifico carbonio, idrogeno e ossigeno, CH20). I monomeri dei carboidrati si dicono monosaccaridi. Tra questi il più importante nell’ambito delle funzioni vitali è il glucosio, che rappresenta una fonte di energia nonché l’unità primaria per la costruzione di zuccheri più complessi. L’unione di due monosaccaridi dà luogo a zuccheri detti disaccaridi (es: il comune saccarosio), mentre i polimeri dei carboidrati si dicono polisaccaridi (es: la cellulosa delle piante e la chitina, che costituisce gli esoscheletri degli insetti).

Lipidi e loro utilizzi

I lipidi (o grassi) sono, al pari dei carboidrati, sostanze ternarie di carbonio, idrogeno e ossigeno, cui talvolta si legano anche azoto e fosforo. Diversamente dagli zuccheri, non sono però solubili in acqua. I lipidi sono risorse energetiche ancor più proficue dei carboidrati. Sono inoltre utilizzati dagli organismi come elementi strutturali delle membrane cellulari o della superficie corporea. Talvolta concorrono anche nella produzione delle sostanze regolatrici note come ormoni.

Proteine e loro funzioni

Le proteine sono polimeri quaternari composti da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, a cui quasi sempre si lega anche lo zolfo. Sono molto diffuse tra le biomolecole poiché concorrono in un gran numero di processi vitali. La principale funzione delle proteine è strutturale; sono, cioè, le unità impiegate dagli organismi per la costruzione delle proprie strutture. Ma le proteine hanno anche altre funzioni:

• funzione catalizzatrice (gli enzimi);
• trasportano altre molecole (es: l’emoglobina, che trasporta l’ossigeno nel sangue);
• rappresentano utili riserve di nutrimento o di materiale strutturale;
• hanno proprietà contrattili (è il caso delle proteine contenute nelle cellule muscolari);
• difendono l’organismo da agenti estranei (anticorpi);
• negli organismi più evoluti, regolano importanti attività fisiologiche (ormoni, es: l’insulina);
• talvolta sono anche tossiche (come il veleno di ragni e serpenti).

I monomeri che costituiscono le proteine si chiamano amminoacidi (o aminoacidi). In natura ne esistono venti diverse tipologie, che possono però legarsi tra loro in combinazioni praticamente infinite.

Enzimi e vitamine

Gli enzimi sono particolari proteine con funzione di catalizzatori delle reazioni cellulari. Accelerano reazioni chimiche che potrebbero verificarsi, altrimenti, solo a temperature troppo elevate per le cellule in cui hanno luogo. Ogni enzima è specifico per una determinata reazione; si lega alle sostanze reagenti ma non subisce trasformazioni, così può svolgere la sua funzione più e più volte. Le capacità catalitiche di molti enzimi dipendono dalla presenza di componenti non proteici - spesso vitamine - chiamati cofattori.

Le vitamine sono composti organici di varia natura, che agiscono in quantità minime e tuttavia sono indispensabili per il corretto funzionamento delle attività biologiche. Poiché gli organismi superiori, come gli animali, non sono in grado di sintetizzarle, una loro carenza può condurre a disfunzioni e patologie ben note (ipovitaminosi). Nella maggior parte dei casi le vitamine hanno funzione di cofattori (o coenzimi), cioè collaborano con gli enzimi nella catalizzazione delle reazioni cellulari. Si suddividono in due categorie:

• le vitamine idrosolubili, che si sciolgono in acqua (le vitamine del gruppo B e le vitamine C e PP);
• le vitamine liposolubili, che si sciolgono nei grassi (vitamine A, K, D ed E).

L’assunzione di vitamine da parte degli organismi avviene, in genere, attraverso la nutrizione, dunque è importante mantenere una dieta ricca di alimenti che le contengono (come frutta e verdura). Va, comunque, precisato che l’eventuale sovraccarico di vitamine (ipervitaminosi) può portare a situazioni di tossicità tanto gravi quanto le patologie causate dall’ipovitaminosi.

Acidi nucleici e loro ruolo

Gli acidi nucleici sono molecole organiche di fondamentale importanza per tutti i viventi, presenti nel nucleo di tutte le cellule ed anche nei virus. Senza di essi gli organismi non sarebbero in grado di autocostruirsi, né saprebbero far copia di se trasmettendo le proprie caratteristiche ai discendenti. Se ne conoscono due diverse tipologie:

• l’acido desossiribonucleico (DNA), l’unica molecola organica in grado di autoduplicarsi;
• l’acido ribonucleico (RNA), collabora con il DNA nel dirigere le attività cellulari.

Chimicamente, gli acidi nucleici sono grossi polimeri risultanti dall’unione di numerosi monomeri detti nucleotidi. Nel DNA ve ne sono due filamenti disposti ad elica, mentre nell’RNA soltanto uno.