Biologia - macromolecole e introduzione agli organismi cellulari

Biologia

Elementi chimici negli organismi viventi

Gli elementi chimici presenti negli organismi viventi sono divisi in:

Elementi fondamentali

Costituiscono il 96% della materia vivente: C, H, O, N, P, S.

Elementi essenziali

Costituiscono il 4% e sono presenti in quantità ridotte sotto forma di ossidi, sali minerali ed elettrolitiche: Na, Mg, Cl, K, Ca.

Elementi presenti in traccia

Costituiscono lo 0,01% ma sono necessari per lo svolgimento di reazioni biochimiche fondamentali: Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, Si.

Composti organici

Ogni essere vivente è costituito in gran parte da composti organici. Questi composti sono costituiti da atomi di carbonio e idrogeno, uniti tra loro da legami covalenti a formare lo scheletro delle molecole.

Poiché l’atomo di carbonio ha 4 elettroni di valenza, esso può completare il suo guscio formando quattro legami covalenti. La struttura è altamente simmetrica, con un angolo di circa 109.5 gradi fra ogni coppia di questi legami.

Il carbonio è particolarmente adatto a fare da scheletro per molecole di grandi dimensioni, in quanto i legami carbonio-carbonio sono forti e non vengono rotti facilmente; tuttavia, essi possono essere rotti dalle cellule.

La forma di una molecola determina le proprietà biologiche e le funzioni. Gli atomi di carbonio si possono legare tra loro e ad altri atomi per dare luogo a un gran numero di forme molecolari tridimensionali.

Isomeri

I composti organici che hanno la stessa formula molecolare ma strutture differenti, e di conseguenza proprietà differenti, sono chiamati isomeri (generalmente uno di essi è attivo biologicamente, mentre l’altro no). Gli isomeri possono essere:

• Isomeri strutturali: composti che differiscono per la loro disposizione covalente dei loro atomi.
• Isomeri geometrici: composti identici per quanto riguarda la disposizione dei loro legami covalenti, ma differenti per quanto riguarda il modo in cui sono disposti spazialmente i loro gruppi. Contengono legami doppi che impediscono alle molecole di ruotare. Per questo motivo negli isomeri geometrici vengono riconosciute due forme: cis (sullo stesso lato) e trans (su lati opposti).
• Anantiomeri o stereoisomeri: due molecole che hanno diversa disposizione nello spazio ma stessa formula molecolare e sono l’immagine speculare una dell’altra (es, riflesso su uno specchio, le nostre mani). I quattro gruppi legati al singolo atomo di carbonio sono disposti ai vertici di un tetraedro, e se i quattro gruppi legati sono tutti differenti tra loro, il carbonio centrale è asimmetrico ed è detto chirale. Due molecole non sovrapponibili sono enantiomeri.

I gruppi funzionali

I gruppi funzionali modificano le proprietà delle molecole organiche. Le caratteristiche di una molecola organica possono essere cambiate quando uno o più atomi di idrogeno legati al carbonio sono sostituiti da altri gruppi di atomi, detti gruppi funzionali. In questo modo i gruppi funzionali aiutano a determinare a quali tipi di reazioni chimiche i composti possono partecipare.

Le proprietà delle principali classi di composti organici importanti dal punto di vista biologico (carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici) sono conseguenza dei diversi gruppi funzionali che contengono.

Le macromolecole

Le macromolecole sono composti organici formati dall’unione di polimeri di monomeri più piccoli.

• I polimeri possono essere degradati nei monomeri che li compongono mediante reazioni di idrolisi ("rompere con acqua").
• Il processo inverso, ossia la formazione del polimero mediante il quale i monomeri vengono legati covalentemente, è detto sintesi o condensazione. Durante la reazione di condensazione viene eliminata una molecola di acqua. I processi sintetici richiedono energia e sono regolati da diversi enzimi.

I principali gruppi di composti organici fondamentali per la vita degli organismi sono:

• Carboidrati
• Lipidi
• Proteine
• Acidi nucleici (DNA e RNA)

Essi costituiscono le strutture delle cellule e dei tessuti, partecipano alle reazioni metaboliche (enzimi), trasmettono le informazioni (ormoni) e forniscono l’energia necessaria per i processi vitali (carboidrati e lipidi).

Acqua H₂O

La maggior parte degli organismi sono costituiti soprattutto da acqua. Circa il 70% del nostro peso corporeo è dovuto all’acqua. Oltre a essere uno dei maggiori costituenti degli organismi viventi, l’acqua ricopre un ruolo essenziale nei processi biologici poiché è il solvente nel quale avvengono la maggior parte delle reazioni biologiche e partecipa a molte reazioni chimiche sia come reagente che come prodotto.

L’acqua è una molecola polare, infatti possiede legami covalenti polari tra le molecole di H e O, mentre ci sono legami a idrogeno tra 2 molecole di H₂O per via dell’attrazione elettrostatica tra il polo positivo e il polo negativo delle due molecole di H₂O.

A causa della polarità delle sue molecole, l’acqua è un ottimo solvente in grado di disciogliere molti tipi di composti, soprattutto quelli ionici e quelli polari. Le sostanze che interagiscono rapidamente con l’acqua sono dette idrofiliche (che amano l’acqua). Molte sostanze idrofobiche (che temono l’acqua) sono insolubili in acqua e queste sono le molecole apolari.

La presenza di legami a idrogeno fornisce una spiegazione del modo in cui l’acqua risponde alle variazioni di temperatura. L’acqua esiste in 3 forme, che differiscono per il grado di formazione di legami a idrogeno: gas, liquido e solido (ghiaccio cristallino). I legami a idrogeno si rompono e si formano ogniqualvolta l’acqua passa da uno stato all’altro.

L’aumento di temperatura comporta un aumento di energia cinetica delle particelle e di conseguenza un aumento di energia termica, ciò favorisce le rotture dei legami a idrogeno e l’evaporazione (acqua che bolle, noi che sudiamo in risposta al surriscaldamento corporeo). Se invece sottraiamo energia al sistema, i legami a idrogeno si irrigidiscono, le molecole di H₂O si dispongono tra loro nella posizione più lontana possibile, formando un reticolo cristallino (l’acqua diventa ghiaccio con densità minore).

I legami a idrogeno sono responsabili anche del fatto che l’acqua possiede un elevato calore specifico; ciò significa che è necessaria una quantità piuttosto grande di energia per innalzare la temperatura dell’acqua.

Ionizzazione dell'acqua

Le molecole d’acqua si ionizzano in maniera semplificata scrivendo: H₂O + H₂O = OH^- (ione idrossido) + H₃O⁺ (ione idronio).

Nell’acqua pura, la concentrazione di ioni ossidrile è uguale a quella di ioni idrogeno: [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 M. Tale situazione si dice neutra.

Acidi e basi

Si definisce acido una qualsiasi sostanza in grado di cedere, in acqua, ioni idronio. In tale soluzione: [H⁺] > [OH^-] > 10^-7 M.

Si definisce base una qualsiasi sostanza in grado di cedere, in acqua, ioni ossidrile. In tale soluzione: [H⁺] < [OH^-] < 10^-7 M.

Si definisce pH la misura della concentrazione degli idrogenioni: pH = –log [H₃O⁺]. La materia vivente ha valori di pH prossimi alla neutralità. Valori di pH eccessivamente sbilanciati verso l’acidità o la basicità non sono compatibili con la vita.

Note aggiuntive

N.B.:

• Il termine calore si riferisce alla quantità totale di energia cinetica in un campione di sostanze;
• Temperatura è una misura dell’energia cinetica media delle particelle;
• Calore di evaporazione è la quantità di energia termica necessaria per far passare 1 grammo di sostanza dallo stato liquido a quello gassoso, ed è espresso in calorie;
• Una caloria è la quantità di energia termica necessaria per innalzare di 1 grado Celsius (°C) la temperatura di 1 grammo di acqua.

Sali minerali

I sali minerali sono i cosiddetti bioelementi (compresi solitamente tra i primi 30 del sistema periodico) che costituiscono fisiologicamente la materia vivente. Nell’alimentazione umana, i minerali più importanti sono 18. Insieme alle vitamine, agiscono sull’organismo come componenti degli enzimi e delle proteine (aiutano a creare le condizioni chimico-fisiche corrette per il funzionamento delle cellule e dei tessuti), regolano la pressione osmotica e il grado di idratazione delle proteine. Controllano l’attivazione o l’inibizione dei sistemi enzimatici ed il funzionamento di quelli tampone.

Sono responsabili dell’alcalinità del sangue e dei tessuti fluidi, prendono parte alla formazione del sangue, e sono coinvolti nel funzionamento e nella sintesi di ormoni e vitamine, enzimi.

Essi costituiscono il materiale costruttivo per ossa, denti e alcuni tessuti. I minerali sono classificati in due categorie: maggiori (calcio, fosforo, potassio, sodio, cloro, magnesio e zolfo) e minori o oligominerali (boro, cromo, rame, iodio, ferro, manganese, molibdeno, selenio, silicio, vanadio e zinco).

La presenza dei minerali negli alimenti è strettamente correlata a quella nei terreni e quindi nei vegetali, ortaggi; l’equilibrio del suolo è correlabile all’equilibrio dell’uomo. Questo perché gli organismi autotrofi come le piante trasformano la materia inorganica in materia organica (usando energia solare) e la cedono a noi eterotrofi (che non siamo capaci di trasformare la materia inorganica in organica) che la sfruttiamo per il nostro fabbisogno energetico.

Ricorda che è importante assumere selenio in quanto contribuisce a tenere bassi i radicali liberi; cioè, il selenio è importante perché controlla lo stress ossidativo.

Carboidrati (CH₂O)_n

I carboidrati hanno un rapporto 2:1 tra H e O. Possono combinarsi con proteine (glicoproteine) presenti sulla superficie esterna delle cellule non batteriche, per permettere adesione o protezione. Possono combinarsi con lipidi (glicolipidi) presenti sulla superficie delle cellule animali per riconoscimento e per l’interazione tra cellule.