Biologia applicata

Biologia

La biologia studia gli esseri viventi, le loro funzionalità e come sono costituiti. Ogni essere vivente è costituito in gran parte da composti organici. I composti organici sono tutti quei composti costituiti da carbonio (C) e idrogeno (H), in cui gli atomi di carbonio sono 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 di valenza formando quattro legami covalenti. Ciascun legame può unirlo a un altro atomo di carbonio o a un atomo di un altro elemento.

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 non sono così forti da non poter essere rotti dalle cellule. I legami carbonio-carbonio non sono solo legami singoli; infatti, due atomi di carbonio possono condividere due coppie di elettroni formando doppi legami. In alcuni composti si formano anche tripli legami.

La forma di una molecola è importante nel determinare 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. La struttura è altamente simmetrica, con un angolo di circa 109.5 gradi fra ogni coppia di questi legami. Generalmente, c'è libertà di rotazione intorno a ciascun legame singolo C—C. Questa proprietà conferisce alle molecole organiche una certa flessibilità e permette loro di assumere forme diverse a seconda del grado di rotazione di ciascun legame. I legami doppi e tripli non permettono alcuna rotazione; di conseguenza, le regioni della molecola contenenti tali legami tendono a non essere flessibili.

Alcuni composti semplici del carbonio sono considerati inorganici se il carbonio non è legato ad altri atomi di carbonio o ad atomi di idrogeno. Un esempio di carbonio inorganico è appunto il diossido di carbonio (CO₂), che emettiamo come prodotto di rifiuto derivante dalla demolizione delle molecole organiche in un processo da cui viene ricavata l'energia. Una delle ragioni alla base del gran numero di molecole di composti contenenti carbonio che si possono formare risiede nel fatto che gli stessi componenti possono legarsi tra loro in modi diversi, dando origine a una grande varietà di forme molecolari.

Isomeri

I composti organici che hanno la stessa formula molecolare ma strutture differenti e, di conseguenza, proprietà differenti, sono chiamati isomeri. Gli isomeri non hanno proprietà fisico-chimiche uguali e possono avere nomi diversi. Le cellule sono in grado di distinguere tra isomeri diversi: generalmente, uno di essi è biologicamente attivo, mentre l'altro non lo è.

• Isomeri strutturali: composti che differiscono per la loro disposizione covalente dei loro atomi, più il composto è grande, maggiore è il numero possibile di isomeri strutturali.
• 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. Gli isomeri geometrici sono tipici di alcuni composti contenenti doppi legami C—C. Poiché i doppi legami non sono flessibili come quelli singoli, gli atomi legati ai carboni che costituiscono un doppio legame non sono in grado di ruotare liberamente intorno all'asse di legame. Per questo motivo negli isomeri geometrici vengono riconosciute due forme: cis e trans. Il termine cis (sullo stesso lato) indica che i due gruppi più grandi si trovano dallo stesso lato del doppio legame. Se essi invece si trovano su lati opposti del doppio legame, il composto è denominato isomero trans (su lati opposti).
• Enantiomeri o stereoisomeri: due molecole che 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; se i quattro gruppi legati sono tutti differenti tra loro, il carbonio centrale è asimmetrico ed è detto chirale. Due molecole sono enantiomeri se non è possibile sovrapporle l'una sull'altra.

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 allo scheletro carbonioso di un idrocarburo 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 la conseguenza dei diversi gruppi funzionali che contengono. Conoscendo quali tipi di gruppi funzionali sono presenti in un composto organico, se ne può prevedere il comportamento chimico. È da notare che il simbolo R viene usato per rappresentare la “restante parte” cioè il residuo della molecola a cui appartiene il gruppo funzionale.

Macromolecole e polimeri

Molte molecole biologiche, come le proteine e gli acidi nucleici, hanno dimensioni notevoli essendo costituite da migliaia di atomi. Tali molecole sono note come macromolecole e molte di queste sono polimeri formati dall'unione di composti organici più piccoli detti monomeri. I polimeri possono essere degradati nei monomeri che li compongono mediante reazioni di idrolisi (“rompere con acqua”).

Il processo inverso, di sintesi, ossia di formazione del polimero mediante il quale i monomeri vengono legati covalentemente, è detto condensazione. Durante la reazione di condensazione invece viene eliminata una molecola di acqua. I processi sintetici richiedono energia e sono regolati da diversi enzimi.

Composti organici fondamentali

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. Tuttavia, svolgono anche una grande varietà di altri ruoli ugualmente importanti, dato che partecipano alle reazioni metaboliche e le regolano, trasmettono le informazioni e forniscono l'energia necessaria per i processi vitali.

Elementi chimici negli organismi viventi

Gli elementi chimici presenti negli organismi viventi sono divisi in:

• Elementi fondamentali: costituiscono da soli il 96% della materia vivente (C, H, O, N, P, S)
• Elementi essenziali: costituiscono il 4%, sono difatti presenti in quantità ridotte che troviamo sotto forma di ossidi, sali minerali ed elettroliti (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)

Acqua

La maggior parte degli organismi sono costituiti soprattutto da acqua. Circa il 70% del nostro peso corporeo è dovuto all'acqua e può arrivare al 95% nelle meduse ed in alcune piante acquatiche. Oltre ad essere uno dei maggiori costituenti degli organismi viventi, l'acqua ricopre un ruolo essenziale nei processi biologici poiché l'acqua 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, l'acqua infatti possiede legami covalente polare. Gli elettroni di legame dell'acqua sono condivisi in modo ineguale; la densità elettronica è maggiore sull'atomo di ossigeno che rappresenta la parte delta negativo e l'idrogeno quindi sarà delta positivo. Mentre tra due o più molecole d'acqua si formano legami idrogeno. La polarità delle molecole d'acqua determina la formazione dei legami a idrogeno. Cioè, tra la parte negativa di una molecola d'acqua e la parte positiva di un'altra molecola si manifesta una debole forza di attrazione elettrostatica, detta legame a idrogeno o ponte idrogeno. Questo legame intermolecolare, molto più debole dei legami chimici, si stabilisce anche con qualsiasi altra sostanza polare.

A causa della polarità delle sue molecole, l'acqua è un ottimo solvente in grado di sciogliere molti tipi di composti, soprattutto quelli ionici e quelli polari. Le sostanze che interagiscono rapidamente con l'acqua sono dette idrofili (che amano l'acqua). Tuttavia, negli organismi viventi non tutte le sostanze sono idrofile. Molte sostanze idrofobiche (che temono l'acqua) che si trovano negli esseri viventi sono particolarmente importanti per la loro capacità di formare strutture che non si sciolgono in acqua. Tali molecole 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 di una sostanza comporta un apporto di energia termica che fa muovere le sue molecole con maggiore velocità, cioè ne aumenta l'energia di movimento (energia cinetica).

Il termine calore si riferisce alla quantità totale di energia cinetica in un campione di sostanze; mentre la temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle particelle. Il 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.

Quando un campione di acqua viene riscaldato, alcune molecole si muovono più velocemente rispetto alle altre (hanno più energia termica). Queste molecole in rapido movimento tendono ad abbandonare la fase liquida più facilmente per entrare nella fase di vapore. Quando ciò avviene, esse portano con sé la loro energia termica, abbassando la temperatura del campione, un processo chiamato raffreddamento per evaporazione. Per questo motivo, il corpo umano può dissipare l'eccesso di calore sotto forma di sudore che evapora dalla pelle. Quindi l'acqua che evapora sottrae una grande quantità di calore agli organismi.

I legami a idrogeno sono responsabili anche del fatto che l'acqua possiede un elevato calore specifico; questo significa che è necessaria una quantità piuttosto grande di energia per innalzare la temperatura dell'acqua. Le proprietà dell'acqua quindi sono fondamentali per stabilizzare la temperatura terrestre. I legami a idrogeno conferiscono al ghiaccio caratteristiche uniche con conseguenze ambientali importanti. L'acqua si espande quando congela perché i legami a idrogeno che legano le molecole di acqua nella struttura cristallina tengono le molecole a una distanza tale da conferire al ghiaccio una densità circa del 10% inferiore rispetto alla densità dell'acqua in forma liquida. Ne deriva che il ghiaccio galleggia ed essendo un buon isolante termico permette all'acqua sottostante di non congelare.

Ionizzazione dell'acqua

Le molecole d'acqua si ionizzano:

H₂O + H₂O = OH^- + H₃O⁺ (OH^- ione idrossido, H₃O⁺ ione idronio)

In maniera semplificata si scrive che una molecola d'acqua si dissocia a dare uno ione ossidrile ed un protone:

H₂O = OH^- + H⁺

Nell'acqua pura la concentrazione di ioni ossidrile è esattamente pari a quella di ioni idrogeno: [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 M. Una soluzione nella quale si verifichi una tale situazione si dice neutra.

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⁺]

In una soluzione neutra: pH = 7;

In una soluzione acida: pH < 7;

In una soluzione basica: pH > 7.

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.

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 con le vitamine agiscono sul nostro organismo come componenti degli enzimi, per una corretta composizione di ossa e sangue, per il normale funzionamento cellulare.

• Entrano nella composizione di molti enzimi e proteine, concorrono 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 e il funzionamento di quelli tampone;
• Sono responsabili della reazione debolmente alcalina del sangue e dei tessuti fluidi;
• Prendono parte alla formazione del sangue;
• Sono coinvolti nel funzionamento e nella sintesi di ormoni e vitamine e enzimi;
• Sono il materiale costruttivo per ossa, denti ed alcuni tessuti. Sono soggetti a costante cambiamento e perdita come il resto del materiale costitutivo dell'organismo che deve perciò compensare queste perdite;
• Sono classificati in due categorie: maggiori o macro e minori o micro.

I primi 7 sono: calcio, fosforo, potassio, sodio, cloro, magnesio e zolfo. I secondi 11, detti anche oligominerali, sono: boro, cromo, rame, iodio, ferro, manganese, molibdeno, selenio, silicio, vanadio e zinco. Il fabbisogno giornaliero dell'organismo umano è dell'ordine dei mg (superiore a 100 mg) per i macro, dell'ordine dei mg (inferiore a 100 mg) per i micro.

La presenza dei minerali negli alimenti è strettamente correlata a quella nei terreni e quindi nei vegetali, nei foraggi e nei cereali, legumi, ortaggi, frutta, carni, uova, latte, formaggi. È evidente che mai come oggi l'equilibrio del suolo è correlabile all'equilibrio dell'uomo. I fabbisogni per la popolazione italiana sono indicati dai LARN (Livelli di Assunzione Giornalieri Raccomandati di Nutrienti per la Popolazione Italiana) che vengono periodicamente elaborati dalla Società Italiana di Nutrizione Umana (SINU). Invece dei fabbisogni giornalieri a volte sono indicati gli “Intervalli di sicurezza e adeguatezza”.

Carboidrati

I carboidrati (CH₂O)_n sono composti ternari costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono molto abbondanti in natura e solitamente hanno un sapore dolce. Gli zuccheri, gli amidi e la cellulosa sono carboidrati.

Funzioni

• Strutturale: costituiscono strutture essenziali per gli organismi viventi (funzione di sostegno, soprattutto nei vegetali);
• Energetica: forniscono energia per svolgere tutte le funzioni dell'organismo (amido e glicogeno);
• Protezione: costituiscono l'esoscheletro degli invertebrati (chitina).

Gli organismi autotrofi (es. piante) sintetizzano gli zuccheri (glucosio) a partire da componenti inorganici quali l'acqua e CO₂ mediante il processo di sintesi clorofilliana. Gli organismi eterotrofi (es. animali) soddisfano il fabbisogno energetico nutrendosi di alimenti che contengono zuccheri.

Le molecole di carboidrati di importanza biologica possono essere distinti in:

Monosaccaridi

I monosaccaridi sono i monomeri a partire dai quali vengono costruite le molecole di più grandi dimensioni. Generalmente contengono da tre a sette atomi di carbonio. Rappresentano anche la principale fonte di energia per la maggior parte degli organismi viventi. I monosaccaridi possono essere a 5 o 6 atomi di carbonio. Quelli a 5 atomi di carbonio sono il ribosio ed il desossiribosio che sono gli zuccheri che costituiscono rispettivamente l'RNA e il DNA. Quelli a 6 atomi di carbonio sono il glucosio che è la principale fonte di energia, il fruttosio che si trova nella frutta, il galattosio che si trova nel latte.

In un monosaccaride, a ciascun carbonio è legato un gruppo ossidrilico, tranne ad uno, il quale a sua volta è legato, mediante un doppio legame, ad un atomo di ossigeno per formare un gruppo carbonilico. Se il gruppo carbonilico è in posizione terminale, il monosaccaride è un aldeide; se invece è in un'altra posizione nella catena, il monosaccaride è un chetone. Il glucosio e il fruttosio sono isomeri strutturali, hanno cioè formule molecolari uguali ma una diversa disposizione degli atomi. Il fruttosio è un chetone mentre il glucosio è un aldeide. A causa di tali differenze, i due zuccheri hanno proprietà differenti.

In soluzione acquosa, i monosaccaridi non si trovano come catene lineari ma ciclizzano formando anelli. Quando il glucosio ciclizza esistono due possibili isomeri che differiscono solo per l'orientamento del gruppo ossidrilico (-OH) legato al carbonio 1. Se il gruppo ossidrilico è dalla stessa parte del piano dell'anello rispetto al gruppo laterale –CH₂OH, il glucosio viene chiamato β-glucosio. Quando invece i due gruppi si trovano su lati opposti del piano dell'anello, il composto è detto α-glucosio.

Disaccaridi

I disaccaridi sono formati da due monosaccaridi legati con legame covalente glicosidico (es. di condensazione). Rappresentano la forma di trasporto degli zuccheri in molti organismi, ed esempio saccarosio (glu-fru), lattosio (glu-glu), trealosio (glu-glu), maltosio (glu-glu). Il legame glicosidico si forma tra il carbonio 1 di una molecola ed il carbonio 4 della molecola adiacente.

Polisaccaridi

I polisaccaridi sono lunghe catene di monosaccaridi legati con legami glicosidici. Hanno importanti ruoli energetici e strutturali negli organismi viventi.