Polimeri energia chimica carboidrati

Polimeri, energia chimica e carboidrati

Polimeri

Se piccole molecole organiche si assemblano fra loro formano le macromolecole organiche, che possono diventare dei polimeri se risultano costituite da sequenze ripetitive di piccole molecole identiche o simili dette monomeri legate fra loro con legame covalente. Tale legame porta in genere alla eliminazione di una molecola di acqua, con un atomo di idrogeno da un monomero e un gruppo ossidrile da un altro, in una reazione di condensazione (o deidratazione). Macromolecole come i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici, sono assemblate nella cellula attraverso tali reazioni di condensazione, mentre per altri tipi di macromolecole (come per esempio l’adenosintrifosfato o ATP) la reazione di formazione del legame necessita di un apporto di energia.

Energia chimica

È una forma di energia utilizzabile che è immagazzinata nei legami delle molecole, le macromolecole organiche e le molecole inorganiche. Per esempio, nel corpo umano, l'energia chimica dei cibi che mangiamo viene convertita in varie forme di energia cinetica, come l'energia meccanica impiegata per camminare e parlare, e di energia termica usata per poter mantenere costante la temperatura corporea (circa 36 °C). Nelle varie funzioni vitali (cellulari e corporee) avvengono reazioni chimiche in cui si formano nuove combinazioni di atomi e quindi nuove molecole, processi questi che richiedono trasferimento di energia: se i nuovi legami che si instaurano fra gli atomi sono più forti dei precedenti viene sottratta energia all’ambiente, mentre se risultano più deboli di quelli che si sono spezzati la reazione libera energia nell’ambiente.

Esistono quindi, nell'insieme delle reazioni chimiche che avvengono negli esseri viventi, due tipi principali di reazioni: quelle di sintesi (anaboliche) e di scomposizione (o degradazione, cataboliche).

Catabolismo e anabolismo

Le reazioni di sintesi sono quelle in cui due atomi, ioni o molecole, si combinano in una reazione di sintesi, per dar origine a molecole nuove e più grandi. L'insieme delle reazioni di sintesi, che richiedono un apporto di energia e che avvengono in un organismo, viene detto anabolismo; un esempio di anabolismo è la sintesi di proteine partendo da semplici amminoacidi. Le reazioni di scomposizione si verificano quando in una reazione composti organici complessi vengono demoliti in composti semplici, in molecole più piccole, in ioni o in atomi. L'insieme delle reazioni chimiche di scomposizione che avvengono in un organismo è detto catabolismo. Un esempio di catabolismo si ha con le grandi molecole di amido che vengono scisse nella digestione in numerose piccole molecole di glucosio; le reazioni cataboliche liberano energia.

Con il termine generale di metabolismo si indicano insieme l’anabolismo (sintesi) e il catabolismo (scomposizione); in fig. 1.13 sono evidenziate le principali sequenze cataboliche e anaboliche della cellula.

Composti organici nei processi vitali

I principali composti organici che entrano nei processi vitali sono i carboidrati, i lipidi, le proteine, gli acidi nucleici e l’adenosintrifosfato (ATP).

Carboidrati

Queste molecole organiche, dette genericamente zuccheri o glucidi, contengono gli elementi chimici carbonio, idrogeno e ossigeno in un rapporto fra idrogeno e ossigeno di 2:1 (lo stesso dell’acqua: H₂O), mentre risulta uguale il numero degli atomi di carbonio e di idrogeno, come si evince dalla formula molecolare del glucosio: C₆H₁₂O₆ (fig. 1.14). Dal punto di vista chimico i carboidrati sono polidrossialdeidi o polidrossichetoni, o loro derivati.

Sulla base delle loro dimensioni i carboidrati si dividono in tre gruppi: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Sono in genere lineari ma possono essere anche circolari; gli zuccheri più comuni possiedono cinque o sei atomi di carbonio. Gli zuccheri semplici sono i carboidrati più piccoli e meno complessi e sono i monosaccaridi e i disaccaridi, mentre i polisaccaridi sono chiamati carboidrati complessi. Esempi di monosaccaridi sono il glucosio e il fruttosio. Nella sua forma circolare, uno zucchero presenta due strutture isomeriche, che differiscono fra loro per l’orientamento dell’ossidrile sul carbonio aldeidico o su quello chetonico, il carbonio anomerico o glicosidico.

Due monosaccaridi possono essere uniti da un legame covalente fra il carbonio anomerico di uno zucchero e un ossidrile o il carbonio anomerico dell’altro; il legame che unisce gli zuccheri è un legame glicosidico. Due unità monosaccaridiche unite da un legame glicosidico formano un disaccaride e nella reazione si libera una molecola di acqua (in una reazione detta di deidratazione o condensazione); per esempio, i monosaccaridi glucosio e fruttosio si combinano per formare il disaccaride saccarosio (zucchero da tavola) (fig. 1.15). A loro volta i disaccaridi possono scomporsi in monosaccaridi con l’aggiunta di una molecola di acqua (in una reazione detta di idrolisi); per esempio il saccarosio può essere idrolizzato nei suoi componenti glucosio e fruttosio.

Alcuni disaccaridi più comuni sono il maltosio (due molecole di glucosio), il lattosio (glucosio e galattosio) e il saccarosio (glucosio e fruttosio).

Un polisaccaride è un polimero degli zuccheri e si forma se dieci o più unità monosaccaridiche sono unite da legami glicosidici. Esempi di polisaccaridi sono gli amidi, polisaccaridi di riserva prodotti dalle piante, e il glicogeno, che rappresenta il principale polisaccaride del corpo umano, entrambi comuni polimeri del glucosio impiegati come fonte di carbonio e di energia delle cellule. Ad esempio, il glicogeno viene immagazzinato nelle cellule del fegato e nei muscoli scheletrici, ma quando la richiesta di energia nell’organismo si fa alta, il glicogeno viene scisso in glucosio e liberato nel sangue per essere utilizzato nei mitocondri cellulari per produrre energia, mentre quando è bassa, il glicogeno viene di nuovo condensato a glicogeno.

Nelle pareti delle cellule vegetali si trova il polisaccaride cellulosa, che rappresenta il composto organico più abbondante nella biosfera; per l’uomo è la “fibra alimentare” che in quanto indigeribile facilita il passaggio delle feci nell’intestino crasso. Negli animali il polisaccaride di struttura per eccellenza è la chitina, polisaccaride presente nella cuticola dell’esoscheletro degli Artropodi, quali insetti, gamberi e aragoste. I polisaccaridi, a differenza degli zuccheri semplici, non sono solubili in acqua e non hanno un sapore dolce.

Figura 1.14

Glucosio: forme lineari e chiuse ad anello.

• Forme lineari e ad anello. L’equilibrio chimico tra strutture lineari e chiuse favorisce nettamente la formazione di queste ultime. Per formare l’anello del glucosio, l’atomo di carbonio 1 si lega all’atomo di ossigeno legato al carbonio 5.
• Formula ciclica abbreviata. Gli atomi di carbonio dell’anello non sono mostrati. L’ispessimento dell’anello indica il margine della struttura proiettato dal foglio di carta verso l’osservatore; i sostituenti legati all’anello da linee verticali giacciono al di sopra o al di sotto del piano dell’anello.