Le biomolecole

Le biomolecole sono i costituenti fondamentali degli organismi viventi. Si tratta di macromolecole (esclusi i lipidi) formate dall’unione, mediante legami covalenti, di piccole molecole dette unità monometriche (uguali -> omopolimeri, o diverse -> eteropolimeri).
Il processo che porta alla formazione dei legami covalenti tra i monomeri a dare il polimero è detto polimerizzazione.
I polimeri possono essere di due tipi:
- Naturali: sono l’amido, il glicogeno, la cellulosa (omopolimeri), gli acidi nucleici, le proteine, la gomma naturale (eteropolimeri);
- Sintetici: costituiscono materie plastiche, fibre tessili e gomme es. polistirene (o polistirolo).

Lipidi.
Sono scarsamente solubili in acqua e sono contenuti nei tessuti vegetali e animali dove rivestono un ruolo importante nel determinare la struttura e la funzione cellulare. Costituiscono la riserva di energia chimica all’interno della cellula.
Si dividono in:
- Semplici: trigliceridi (oli e grassi) e cere. Sono chiamati anche lipidi apolari, perché costituiti da molecole apolari;
- Complessi: fosfolipidi e sfingolipidi. Chiamati anche lipidi polari;
- Frazione insaponificabile: non è scissa per idrolisi; è costituita da composti apolari come il colesterolo e altri steroidi.

Trigliceridi: hanno origine dal glicerolo legato con tre molecole di acidi grassi. Per idrolisi acida formano glicerolo e tre acidi grassi; mentre per idrolisi basica formano una molecola di glicerolo e tre molecole di sale di acido grasso che sono i saponi da bucato.
Gli oli sono liquidi a temperatura ambiente e costituiti da trigliceridi più ricchi di acidi grassi insaturi e polinsaturi. I grassi sono solidi a temperatura ambiente e più ricchi di acidi grassi saturi.
Le margarine sono grassi ottenuti per addizione di idrogeno (H) ai doppi legami presenti negli oli.
Le cere possono avere origine vegetale o animale: sono secrete dalle ghiandole protettive dei vertebrati per tenere la pelle morbida e impermeabile; si trovano anche nei capelli.

Fosfolipidi: sono lipidi complessi formati da glicerolo, da due molecole di acido grasso e da una molecola di acido fosforico.

Carboidrati o glicidi.
Sono detti anche idrati del carbonio e presentano nella formula molecolare gli atomi di H e O nello stesso rapporto in cui si trovano nell’acqua.
Quelli che non possono essere trasformati in carboidrati più semplici sono detti monosaccaridi; i carboidrati più complessi sono detti disaccaridi, trisaccaridi o polisaccaridi. Essi, in seguito ad idrolisi acida o enzimatica sono trasformati in monosaccaridi.
Classificazione:
- Zuccheri: sono solubili in acqua in quanto polari. I monosaccaridi per idrolisi formano composti più semplici e sono il ribosio, il 2-deossiribosio, il glucosio, il fruttosio, il galattosio, il mannosio ecc. Esistono solo in forma ciclica.
I disaccaridi sono formati da due molecole di monosaccaridi, legate con legame glicosidico (legame covalente ottenuto per disidratazione). Sono disaccaridi il saccarosio, il maltosio e il lattosio.
Gli oligosaccaridi sono zuccheri che, per idrolisi, formano da tre a dieci molecole di monosaccaridi.
- Polisaccaridi: sono polimeri costituiti da un numero elevato di molecole di monosaccaridi legati con legame glicosidico. Non sono solubili in acqua. Se sono formati dall’unione di monosaccaridi tutti uguali sono detti omopolisaccaridi (cellulosa, amido, glicogeno); altrimenti sono chiamati etero polisaccaridi.

Amminoacidi e proteine.
Gli amminoacidi sono composti organici contenenti un gruppo carbossilico (COOH) e un gruppo amminico (NH2 o NHR).
Gli alfa-amminoacidi sono molecole chirali, possono esistere in due diverse strutture, l’una l’immagine speculare dell’altra (isomeri sterici) e le due strutture steriche sono differenziate con le lettere D- e L-.
Dal punto di cista nutrizionale si dividono in:
- Essenziali: devono essere necessariamente introdotti con la dieta poiché non sono sintetizzati dall’organismo. Sono 10 nei bambini e 8 negli adulti;
- Non essenziali.

I peptidi e le proteine sono formati da molecole di L-alfa-amminoacidi legate tra loro da legami peptidici (legame di tipo amminico ottenuto per eliminazione di una molecola di acqua fra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro amminoacido). Si dividono in:
- Oligopeptidi (da 2 a 20 amminoacidi)
- Peptidi (da 20 a 100 amminoacidi)
- Polipeptidi o proteine (da 100 fino a diverse migliaia di amminoacidi).
Le proteine hanno quattro tipi di strutture:
- Primaria: è costituita dalla successione degli amminoacidi che formano la catena polipeptidica. Dei due amminoacidi presenti alle estremità della catena, è definito N-terminale quello che possiede il gruppo amminico libero e C-terminale quello che possiede il gruppo carbossilico libero;
- Secondaria: è costituita dalla disposizione tridimensionale del filamento polipeptidico in seguito alla formazione de legami a ponte d’idrogeno. Può essere ad alfa-elica o a beta-foglietto;
- Terziaria: è costituita dalla disposizione tridimensionale del filamento dovuta alla formazione di legami fra i residui R degli amminoacidi che compongono il filamento.
- Quaternaria: è presente solo nelle proteine formate da più catene polipeptidi che e rappresenta la disposizione tridimensionale, l’una rispetto all’altra, delle sub unità a formare le proteine.

Acidi nucleici.
Sono biopolimeri formati dal ripetersi regolare di unità strutturali dette nucleotidi, che sono legati tra loro con legami fosfoesteri.
I nucleotidi sono composti formati da un nucleoside (formato da una base e uno zucchero) legato con una molecola di acido fosforico.
Gli acidi nucleici si dividono in: Acidi ribonucleici (RNA) e Acidi deossiribonucleici (DNA) e contengono, oltre a carbonio e idrogeno, anche azoto e fosforo.
Le basi presenti nell’RNA sono: adenina, guanina, citosina e uracile.
L’RNA a sua volta di divide in
- rRNA (o RNA ribosomiale): costituisce i ribosomi, organuli nei quali sono sintetizzate le proteine;
- mRNA (o RNA messaggero): trasporta l’informazione genetica per la sintesi delle proteine dal DNA ai ribosomi;
- tRNA (o RNA transfer): lega in modo specifico gli amminoacidi e li trasporta nei ribosomi dove vengono riconosciuti e inseriti nella giusta posizione durante la sintesi delle proteine.
Il DNA è costituito da una doppia elica appaiata mediante legami a ponte d’idrogeno, mentre l’RNA è formato da filamenti singoli.

I cicli della biosfera.
Ciclo del carbonio: consiste nella trasformazione del carbonio inorganico dall’anidride carbonica (CO2), in carbonio organico presente nei composti organici della materia vivente tramite la fotosintesi e nella trasformazione del carbonio organico in anidride carbonica attraverso la respirazione degli organismi viventi o la combustione di composti organici.
L’anidride carbonica viene prodotta e liberata nell’atmosfera durante la respirazione degli organismi viventi o durante la combustione di materiali contenenti carbonio organico. Il carbonio presente nell’anidride carbonica viene ritrasformato in carbonio organico mediante la fotosintesi, che si svilge nei vegetali verdi.
La fotosintesi è il processo biologico mediante il quale numerosi organismi usano l’energia luminosa per trasformare l’anidride carbonica e l’acqua in glucosio e ossigeno. Questa trasformazione richiede l’azione catalitica della clorofilla, un pigmento verde. Nelle piante la fotosintesi avviene nelle parti verdi a livello dei cloroplasti, dove si trova la clorofilla.
Essa avviene in due fasi:
- luminosa: richiede energia luminosa, che viene usata per la sintesi dell’ATP;
- oscura: non richiede la luce ed elabora i prodotti foto sintetici forniti dalla fase luminosa.

Ciclo dell’azoto: l’azoto allo stato elementare costituisce l’80% dell’atmosfera, ma non è direttamente utilizzabile per la sintesi di proteine, poiché solo alcuni batteri contenuti nel terreno riescono a trasformare l’azoto atmosferico in ione ammonio fissandolo così nel terreno sotto forma di sali. La maggior parte dello ione ammonio presente nel terreno deriva dalla decomposizione di materiale organico proveniente da organismi morti, grazie all’azione di batteri e funghi.
Nel terreno sono presenti altri batteri che producono l’energia a loro necessaria ossidando lo ione ammonio in ione nitrito, il quale viene ulteriormente ossidato a ione nitrato da altri batteri.
L’azoto, sotto forma di nitrato, è utilizzabile dalle piante che lo assumono attraverso le radici, il quale poi passa dagli erbivori ai carnivori attraverso le catene alimentari.

La chimica nella vita quotidiana.
Alimentazione: ha lo scopo di fornire all’organismo sia le sostanze necessarie per il mantenimento della sua integrità strutturale e funzionale sia l’energia per il suo funzionamento.
Il fabbisogno calorico medio rappresenta la quantità di energia, che deve essere assunta giornalmente attraverso gli alimenti, necessaria a mantenere un buon stato di salute e un peso corporeo costante. Ha un valore diverso a seconda del sesso, dell’età e dell’attività fisica svolta dall’individuo.
Il valore calorico degli alimenti indica l’energia metabolicamente utilizzabile dall’organismo, riferita a una unità di massa dell’alimento.
È necessario introdurre con la dieta alcuni composti (sostanze essenziali) indispensabili per le necessità metaboliche dell’organismo. Queste sostanze non possono essere prodotte dall’organismo e sono: gli amminoacidi essenziali (10 nel bambino e 8 nell’adulto), gli acidi grassi essenziali (acido linoleico), le vitamine (idrosolubili: gruppo B, C, H, PP, K, e liposolubili: A, D, E, K; indispensabili per mantenere un corretto metabolismo) e i sali minerali.

Veleni: sostanze chimiche che interferiscono con i normali processi metabolici e che possono determinare la morte dell’individuo.
- L’acido cianidrico è una sostanza gassosa tossica che viene liberata quando i suoi Sali vengono versati in una soluzione acquosa acida. Era utilizzato nelle camere a gas per le esecuzioni capitali negli Stati Uniti e in Germania durante la seconda guerra mondiale. Blocca la catena respiratoria a livello del mitocondrio (respirazione cellulare).
- Il monossido di carbonio (CO): si forma per combustione incompleta dei composti contenenti carbonio, quali benzine, metano, butano in stufe mal funzionanti. È un gas inodore e incolore che si lega all’emoglobina e può provocare insufficiente apporto di ossigeno alle cellule (anossia). La fiamma delle stufe a gas deve essere di colore azzurro, se è gialla vuol dire che brucia male.
- I gas nervini: hanno una struttura simile ai comuni insetticidi. Causano l’inattivazione del neurotrasmettitore acetilcolina liberato a livello delle giunzioni sinaitiche dei neuroni durante la trasmissione dell’impulso nervoso.

Piogge acide: il pH dell’acqua pura è 7, quello che dovrebbe avere l’acqua piovana in condizioni ottimali è circa 5,6. Attualmente in diverse regioni del globo terrestre il pH dell’acqua piovana risulta avere un valore di 4,5. Ciò è dovuto alla presenza nell’atmosfera di triossido di zolfo (SO3) che, combinandosi con l’acqua atmosferica, forma acido solforico. Il triossido di zolfo si forma per ossidazione nell’atmosfera del diossido di zolfo (SO2) che viene prodotto dall’attività vulcanica e dalla combustione di carbone nelle centrali termoelettriche.
Una seconda causa dell’acidità delle piogge è il monossido di azoto che si produce naturalmente da ossigeno e azoto atmosferici durante un temporale, per effetto delle alte temperature prodotte dai fulmini, ma si produce anche nella combustione che avviene nei motori delle automobili e nelle centrali termoelettriche.

Effetto serra: il vapor d’acqua e il diossido di carbonio (CO2) presenti nell’atmosfera sono in grado di assorbire la radiazione infrarossa emessa dalla terra. Essi agiscono così da strato isolante impedendo l’eccessiva dispersione nello spazio del calore ricevuto dal sole. Questo effetto ha permesso lo sviluppo della vita sulla terra ed è responsabile del fatto che l’abbassamento della temperatura è minore nelle notti in cui il cielo è coperto da nuvole rispetto alle notti di cielo sereno. Nelle regioni desertiche dove la presenza di vapor d’acqua nell’atmosfera è minima, si hanno le maggiori escursioni termiche fra il giorno e la notte.
La concentrazione di diossido di carbonio, a causa delle attività umane (combustione e deforestazione), è aumentata facendo prevedere un aumento dell’effetto serra e quindi della temperatura globale della terra.