Le principali biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine

La biochimica, una disciplina che unisce biologia e chimica, si dedica allo studio delle complesse reazioni chimiche e dei processi che si verificano negli organismi viventi.

Al centro di questo campo di studio vi sono le biomolecole, componenti essenziali della vita, come proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi, che svolgono un’ampia gamma di funzioni fondamentali per il sostentamento della vita.

Le biomolecole principali che studieremo sono i glucidi (o carboidrati), i lipidi (o grassi), le proteine, gli acidi nucleici e le vitamine.

• Cosa sono le biomolecole
• I glucidi (o carboidrati)
• I lipidi (o grassi)
• Le proteine (o protidi)
• Altre biomolecole: gli acidi nucleici
• Altre biomolecole: le vitamine

Cosa sono le biomolecole

Il monomero (dal greco monos “solo”) è l’unità strutturale e molecolare in grado di combinarsi con altre molecole identiche o diverse fra loro. L’unione di più monomeri forma macromolecole dette polimeri.

Le biomolecole sono in molti casi polimeri costituiti per il 96% da carbonio (C), ossigeno (O), idrogeno (H) e azoto (N). Il restante 4% dei composti organici contengono fosforo (P), zolfo (S), sodio (Na), potassio (K), calcio (ca), cloro (Cl).

Quando questi elementi si uniscono in determinate proporzioni, ecco che si formano le molecole della vita.

La composizione chimica dell’organismo umano

Il corpo umano è formato per circa il 65% da acqua, per il 16% da proteine, 13% lipidi, 1% carboidrati e per il 5% da Sali minerali. Vi sono minime tracce di vitamine che vengono introdotte attraverso l’alimentazione.

Gli organismi viventi sono numerosi e molto diversi fra loro, ma nonostante questo possiedono delle caratteristiche comuni: nascono, si nutrono, crescono, si riproducono e muoiono.

I glucidi (o carboidrati)

I glucidi sono costituti da carbonio, ossigeno e idrogeno. Vengono chiamati anche carboidrati in quanto ogni atomo di carbonio si lega con una molecola di acqua.

La loro formula generale infatti è: Cn(H2O)n

Le funzioni principali dei glucidi negli organismi sono:

• ENERGETICA in quanto forniscono energia di rapido utilizzo;
• STRUTTURALE come rivestimento e protezione delle cellule vegetali.

In base al numero di monomeri dai quali sono costituiti, i glucidi vengono detti:

• monosaccaridi, tra i più noti abbiamo il glucosio C6H12O6 (responsabile della respirazione cellulare), il fruttosio C6H12O6 (contenuto nella frutta), il galattosio C6H12O6 (contenuto nel latte), il ribosio C5H10O5 e il desossiribosio C5H10O4 (che costituiscono gli acidi nucleici). In base ai diversi legami che formano i monosaccaridi (legami α e β) sono più o meno digeribili dall’organismo umano;
• disaccaridi, tra i più noti abbiamo il maltosio (glucosio + glucosio), il lattosio (glucosio + galattosio) e il saccarosio (glucosio + fruttosio). I disaccaridi si formano grazie ad un legame glucosidico che libera una molecola di acqua;
• polisaccaridi, tra i più noti ricordiamo l’amido (riserva energetica dei vegetali), il glicogeno (riserva energetica degli animali) e la cellulosa (sostegno meccanico per l’organismo). I polisaccaridi sono glucidi complessi composti da migliaia di monomeri di glucosio che formano lunghe catene lineari o ramificate. La loro formula è (C6H10O5)n.

I lipidi (o grassi)

I lipidi sono costituiti da carbonio, idrogeno, ossigeno e sono insolubili in acqua o soluzioni acquose. Le funzioni principali dei lipidi negli organismi sono:

• ENERGETICA quando non sono disponibili i glucidi;
• STRUTTURALE perché delimitano le cellule in una membrana.

I lipidi si distinguono in:

• semplici, come i gliceridi (accumulati nel tessuto adiposo degli organismi), le cere (hanno funzione protettiva e impermeabilizzante in organismi vegetali e animali) e gli steroidi (hanno svariate funzioni, fanno parte della composizione chimica della membrana cellulare è il più noto è il colesterolo);
• complessi, hanno struttura simile ai gliceridi, ma uno degli acidi grassi è sostituito da un gruppo fosfato. In ogni molecola di fosfolipide, si riconosce una parte idrofila (il gruppo fosfato, detto testa) e due catene idrofobe (le code).

Le proteine (o protidi)

Le proteine sono composti quaternari costituiti da carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto con quantità minori di fosforo, zolfo e ferro. Le proteine sono le macromolecole biologiche più complesse. Hanno le funzioni di regolazione più delicate e specifiche per la vita e la riproduzione degli organismi viventi.
Le funzioni principali delle proteine negli organismi sono:

• STRUTTURALE perché danno spessore e resistenza ai tessuti e agli organi;
• DIFESA perché agiscono nel sistema immunitario;
• TRASPORTO perché si legano a specifici atomi e molecole per veicolarli nell’organismo;
• CONTRATTILE perché determinano il movimento delle cellule.

Le proteine sono polimeri nei quali gli amminoacidi sono ripiegati su se stessi più volte e aggregati ad altre catene o ad altre molecole non proteiche.

Ogni amminoacido è costituito da un atomo di carbonio centrale al quale si legano:

• un gruppo funzionale amminico (-NH2);
• un gruppo funzionale carbossilico (-COOH);
• un atomo di idrogeno;
• un gruppo R che caratterizza l’amminoacido.

Le proteine possono assumere quattro strutture:

• PRIMARIA è la sequenza lineare degli amminoacidi uniti dal legame peptidico;
• SECONDARIA ad alfa elica (a spirale) oppure a foglietto ripiegato (amminoacidi su piani spaziali diversi). Sono originate da ponti di idrogeno che rendono possibile il ripiegamento nello spazio;
• TERZIARIA ulteriore ripiegamento su se stessa reso possibile da ponti di solfuro che si formano dai legami fra gli atomi di zolfo presenti in alcuni amminoacidi;
• QUATERNARIA unione di più strutture terziarie (esempio emoglobina).

Altre biomolecole: gli acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono presenti solo negli esseri viventi. Sono formati da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e fosforo.

In natura esistono il DNA (acido desossiribonucleico) e l’ RNA (acido ribonucleico), che sono composti quaternari costituiti da nucleotidi. Ogni nucleotide è formato da:

• un GLUCIDE, formato da cinque atomi di carbonio (nel DNA desossiribosio, nell’RNA il ribosio);
• un GRUPPO FOSFATO, derivato dall’acido fosforico;
• una BASE AZOTATA, ovvero un composto contenente azoto.

Le caratteristiche degli acidi nucleici dipendono dalle basi azotate che li compongono e si distinguono in:

• CITOSINA (C), TIMINA (T) e URACILE (U) – sono PIRIMIDINE e hanno una forma ad anello singolo
• ADENINA (A) e GUANINA (G) – sono PURINE e hanno una struttura a doppio anello

Gli acidi nucleici hanno l’importante funzione di contenere informazioni riguardanti il singolo individuo.

Più precisamente, il DNA contiene informazioni di tipo genetico, mentre l’RNA può essere:

• RNA MESSAGGERO, trasporta le informazioni dal DNA al citoplasma. Si trova nel citoplasma;
• RNA TRANSFER, trasporta gli amminoacidi verso i ribosomi durante la costruzione delle proteine. Si trova nel citoplasma;
• RNA RIBOSOMIALE, che insieme alle proteine costituisce i ribosomi. Si trova nel citoplasma all’interno dei cromosomi.

L’RNA somiglia molto al DNA, ma con alcune importanti differenze. È costituito da un unico filamento, lo zucchero di ogni nucleotide è il ribosio, la Timina è sostituita da Uracile e le sue molecole hanno una lunghezza minore di quelle del DNA. Nel DNA e nell’RNA si combinano solamente quattro tipi di basi azotate, due pirimidiniche e due puriniche.

Altre biomolecole: le vitamine

Le vitamine sono sostanze organiche che derivano dalla trasformazione di altri composti. Sono essenziali per la vita e la salute degli organismi animali, ma devono essere assunte in quanto il corpo non è in grado di sintetizzarle direttamente o comunque ne produce in quantità insufficiente per l’organismo.

Le vitamine hanno funzione:

• REGOLATRICE, in quanto controllano il corretto svolgimento delle reazioni biochimiche cellulari;
• PROTETTIVA, perché proteggono i tessuti e le cellule da diversi agenti lesivi.

Le vitamine sono classificabili in:

• idrosolubili, ovvero sono solubili in acqua. Collaborano nella catalisi enzimatica. Ad esempio: la vitamina C, le vitamine del gruppo B e PP;
• liposolubili, ovvero di natura lipofila: sono in grado di sciogliersi nei lipidi piuttosto che nell’acqua. Ad esempio: la vitamina A, D, E e K. Regolano i processi fisiologici nell’organismo umano.

La carenza di vitamine (ipovitaminosi) può essere dannosa per la salute dell’uomo, ma anche l’eccesso di vitamine (ipervitaminosi) può esserlo. Le vitamine liposolubili sono difficilmente eliminabili dall’organismo, mentre quelle idrosolubili si eliminano facilmente attraverso le feci e le urine.