Composti organici biomolecole

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I COMPOSTI ORGANICI
Circa il 99% della materia vivente è costituito da solo quattro elementi, che, in ordine di abbondanza relativa, sono: ossigeno (simbolo O), carbonio (simbolo C), idrogeno (simbolo H) ed azoto (simbolo N). L'1% rimanente è formato da elementi quali: zolfo (simbolo S), cloro (simbolo Cl), fosforo (simbolo P), sodio (simbolo Na), calcio (simbolo Ca), potassio (simbolo K) e ferro (simbolo Fe).

Per quanto riguarda i composti, l'acqua gioca un ruolo fondamentale, in quanto rappresenta oltre il 50% del peso complessivo di tutti gli esseri viventi. Il rimanente è costituito da composti organici, in cui l'elemento centrale è il carbonio, che risulta sempre legato con l'idrogeno, spesso con l'ossigeno, talvolta anche con l'azoto e più raramente ad altri elementi (zolfo, fosforo ecc.). Fino agli inizi del XIX° secolo si riteneva che i composti che costituiscono la materia vivente non potessero essere sintetizzati artificialmente, ma potessero essere prodotti solo dagli esseri viventi, che si pensava fossero dotati di una forza soprannaturale (vis vitalis). Poiché gli esseri viventi possiedono delle caratteristiche (riproduzione, crescita, adattamento, spostamento ecc.) che li rendono altamente complessi, nel corso del ‘700 cominciarono ad essere indicati come “sistemi organizzati”; successivamente il termine “organizzati” venne sostituito da “organici”. Alla fine del ‘700 la chimica veniva divisa in due campi distinti: la chimica organica, che studiava le sostanze componenti il mondo vivente, e chimica inorganica, che studiava invece le sostanze del mondo minerale. Nel 1828 però, il chimico tedesco Wöhler, riscaldando del cianato d’ammonio, un composto inorganico, ottenne l’urea, un prodotto organico presente nell’urina. Da quel momento fu chiaro che le sostanze che costituivano gli esseri viventi non avevano niente di misterioso o di soprannaturale, che sottostavano a tutte le leggi fisiche e chimiche conosciute per le sostanze non viventi e si comprese che un chimico poteva preparare (sintetizzare) sostanze semplici presenti negli esseri viventi. Anche se il termine organico ha perso il suo significato iniziale, è rimasto tuttavia nel linguaggio della chimica ed indica lo studio dei composti del carbonio, che si ritrovano anche nel petrolio ed in tutti i suoi derivati, quali ad esempio le materie plastiche ed i combustibili. La cosa del resto non è strana, in quanto il petrolio deriva dalla trasformazione dei resti di organismi vissuti milioni di anni fa. Riassumendo quindi possiamo dire che i composti organici sono quelli che costituiscono gli esseri viventi ed il petrolio, con tutti i suoi derivati.
Negli esseri viventi, oltre ai composti organici ed all'acqua, si ritrovano anche piccole percentuali di sali minerali, contenenti elementi quali calcio, sodio, ferro ecc.

LE BIOMOLECOLE
Tutti gli esseri viventi sono costituiti da sostanze organiche appartenenti a quattro grandi gruppi: le proteine, i glucidi, i lipidi e gli acidi nucleici, tali composti sono anche chiamati molecole biologiche o biomolecole. E' importante rilevare che tutti gli organismi, dai più semplici, come ad esempio i batteri, ai più complessi, come l'uomo, sono costituiti da questi composti, oltre che, come abbiamo già visto, dall'acqua. Tale fatto rappresenta uno dei molti elementi di somiglianza tra gli esseri viventi, aldilà delle loro differenze, e rappresenta quindi una delle testimonianze della loro origine comune. Per costruire le biomolecole inoltre tutti gli organismi adottano circa gli stessi meccanismi e sfruttano, in particolare, il metodo della prefabbricazione. Quelle biologiche infatti sono molecole molto lunghe, delle specie di catene formate da molti anelli; per semplificarsi il lavoro tutti gli organismi producono in separata sede i singoli anelli, che sono in numero limitato, ed in un secondo momento li uniscono nella catena. Facendo variare il tipo di anelli utilizzati ed il loro ordine nella catena, si possono così realizzare catene, ovvero biomolecole, anche molto diverse tra loro.
Le proteine: quanto detto sopra sulle catene e sugli anelli, si adatta in modo speciale a questo gruppo di composti, chiamati anche protidi. Le proteine infatti sono costituite da lunghissime sequenze, formate spesso da parecchie centinaia di composti semplici detti amminoacidi; questi, a loro volta, sono divisi in due gruppi: quelli essenziali e quelli non essenziali. Al primo gruppo appartengono gli amminoacidi che gran parte degli organismi animali non riescono a produrre da soli e che debbono essere quindi assunti con l'alimentazione; gli amminoacidi non essenziali sono viceversa quelli che tutti gli animali riescono a prodursi da soli. La distinzione è molto importante, in quanto, per poter fabbricare le proteine, un organismo deve avere scorte sufficienti di tutti gli amminoacidi. I non essenziali non creano problemi, poiché possono essere autoprodotti in ogni momento; un rifornimento sufficiente e costante di amminoacidi essenziali si può invece avere solo attraverso un'alimentazione equilibrata e completa. Ma sui temi dell'educazione alimentare torneremo in ogni modo alla fine del nostro corso di biologia.

Gli amminoacidi, che oltre a carbonio, idrogeno ed ossigeno, contengono sempre anche l'azoto, sono solo 20, ma con essi è possibile costruire un'infinità di proteine diverse. Per comprendere meglio il meccanismo attraverso il quale ciò è realizzabile, possiamo fare un paragone con le parole e le lettere dell'alfabeto: queste ultime infatti sono circa una ventina, come gli amminoacidi, ma con esse, cambiandone il tipo e l'ordine, si possono scrivere infinite parole differenti. Utilizzando le stesse lettere, ma cambiandone l'ordine, si scrivono parole diverse come roma, ramo, mora o amor; cambiando invece una sola lettera dalla parola roma si ottiene rima e da ramo si ottiene remo. Allo stesso modo nelle proteine la sostituzione anche di un singolo amminoacido, sulle molte centinaia che spesso sono presenti, fa cambiare completamente le caratteristiche e le proprietà della proteina stessa.
Le lunghe catene di aminoacidi si piegano e si deformano in modo da conferire alla proteina una determinata conformazione tridimensionale: quando le catene si dispongono in modo grossolanamente parallelo si hanno le proteine fibrose, con forma allungata e lineare, quando invece le catene si ripiegano su loro stesse si generano le proteine globulari, con forme irregolari ma compatte; a questa differenza nella forma corrisponde una diversità del ruolo. Le proteine svolgono infatti molte funzioni, che possono essere schematicamente ordinate nel modo seguente:
a) funzioni strutturali, in quanto contribuiscono a dar forma e sostegno al corpo degli organismi animali. Le che proteine svolgono questo ruolo sono principalmente fibrose e si trovano nelle ossa, nei tendini, nei legamenti, nella pelle, nonché nella struttura interna di vari organi ;
b) funzioni catalitiche, sono portate avanti dagli enzimi, un gruppo molto importante di proteine globulari che rende possibile lo svolgimento delle numerosissime reazioni che si sviluppano negli organismi viventi;
c) funzioni di movimento: sia nei muscoli degli animali, che nelle strutture delle singole cellule, il movimento è sempre assicurato dalla contrazione di specifiche proteine ;
d) funzioni di trasporto: il passaggio delle sostanze attraverso la membrana cellulare è infatti assicurato da specifiche proteine di membrana; inoltre le proteine sono anche il mezzo di trasporto utilizzato dagli organismi animali per trasferire sostanze di vario genere da un organo all’altro del corpo attraverso il sangue ;
e) funzioni di protezione: sono svolte da particolari proteine, dette anticorpi, prodotte dal sistema immunitario con il compito di difendere l’organismo da talune malattie;
A queste funzioni se ne associano diverse altre, che noi però, per semplificarci il lavoro, tralasceremo.
I glucidi: questi composti, detti anche zuccheri oppure carboidrati, in quanto costituiti da carbonio, ossigeno e idrogeno, svolgono negli animali esclusivamente la funzione di combustibili, cioè di sostanze utilizzate per essere bruciate. Nei vegetali invece, attraverso la cellulosa, presente, come vedremo più avanti, nella parete delle cellule vegetali, essi svolgono anche funzione di sostegno, in quanto danno forma e rigidità al corpo della pianta.
Anche i glucidi sono composti a catena, e si dividono in: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.
I monosaccaridi sono i singoli anelli della catena (il prefisso mono, vuol dire uno, mentre il termine saccaride vuol dire zucchero; letteralmente zucchero singolo) ed il più importante di essi è senz'altro il glucosio. Esso rappresenta infatti sia il combustibile fondamentale, utilizzato da tutti gli esseri viventi, compreso l'uomo, sia l'elemento di base per costruire i carboidrati a catena lunga. Il glucosio viene sintetizzato dalle piante, con la fotosintesi clorofilliana. Altri monosaccaridi, meno importanti, sono il fruttosio, presente nella frutta ed il galattosio, presente nel latte; infine negli acidi nucleici troviamo il deossiribosio (nel DNA) ed il ribosio (nell'RNA).
I disaccaridi sono zuccheri formati da due monosaccaridi uniti tra loro (il prefisso di significa infatti due), ovvero da una catena di due soli anelli. Il più importante è il saccarosio, cioè il normale zucchero da cucina, composto da una molecola di glucosio ed una di fruttosio legate assieme. Esso si ritrova in tutte le piante ed è ricavato industrialmente dalla barbabietola o dalla canna da zucchero. Altri disaccaridi sono il lattosio, che si trova nel latte ed è formato da un anello di glucosio ed uno di galattosio, ed il maltosio, che si trova nel malto ed è formato dall'unione di due anelli di glucosio.

I polisaccaridi sono invece formati da catene lunghissime di molecole di glucosio. I più importanti sono i tre seguenti:
Cellulosa: è il componente fondamentale della parete delle cellule vegetali e come tale è presente sia nelle cosiddette "fibre" della frutta e della verdura, sia nella crusca della farina, sia infine in numerosi prodotti di origine vegetale, quali ad esempio la carta ed il cotone. E' un composto che gli animali non riescono a digerire, perché non riescono a scinderlo nelle singole molecole di glucosio che lo formano, da utilizzare poi a scopo energetico. Fanno eccezione gli animali erbivori ed alcuni altri, tra cui ad esempio le termiti, che, grazie a microrganismi che vivono in simbiosi nel loro stomaco, riescono a digerire anche la cellulosa.

Amido: rappresenta la sostanza di riserva utilizzata dalle piante; lo ritroviamo ad esempio nei tuberi delle patate ed in molti semi, come i chicchi del grano o del riso. Lo ritroviamo quindi anche in tutti i derivati della farina, come il pane e la pasta, e costituisce dunque un elemento essenziale nella dieta dell'uomo.
Glicogeno: è lo zucchero presente nei muscoli degli animali e quindi nella carne che noi mangiamo.
I lipidi: comprendono un’ampia varietà di composti organici naturali, accomunati dalla caratteristica di essere tutti insolubili in acqua; al loro interno si possono individuare i seguenti gruppi principali: i trigliceridi, a loro suddivisi in grassi ed oli, le cere, i fosfolipidi e gli steroidi.
Trigliceridi: sono rappresentati sia dai grassi, che dagli oli,e derivano il loro nome dal fatto di essere costituiti da una molecola di glicerolo, detto anche glicerina, a cui si legano tre molecole di acidi grassi (vedi figura).
I grassi sono tutti solidi a temperatura ambiente ed hanno prevalentemente origine animale; tra essi possiamo ricordare il lardo e lo strutto, il burro, ma anche la margarina ed il burro di cacao, che sono invece di origine vegetale. Negli animali il grasso svolge principalmente la funzione di riserva energetica; quando anche noi mangiamo più di quanto riusciamo a consumare, il nostro organismo non butta via il combustibile in eccesso, ma lo trasforma in grasso, utilizzabile nei momenti in cui può esservi carenza di cibo. Rispetto a carboidrati e proteine, i grassi hanno un potere energetico circa doppio, ovvero a parità di peso liberano bruciando circa il doppio di energia di questi altri composti. Per gli animali quindi, che non possono portarsi dietro peso eccessivi, immagazzinare energia sotto forma di grassi, anziché di proteine o di zuccheri, risulta molto conveniente.
Gli oli, al contrario dei grassi, sono invece liquidi a temperatura ambiente e sono prevalentemente di origine vegetale; tra di essi possiamo ricordare l’olio di oliva e tutti gli oli di semi, ma anche l’olio di fegato di merluzzo, che è invece di origine animale.
Cere: sono composti di origine sia animale, sia vegetale, che in genere svolgono funzione protettiva ed impermeabilizzante. Si ritrovano ad esempio sulla superficie superiore delle foglie e sulla buccia di molti frutti, con lo scopo di impedire la penetrazione dell'acqua, così come si ritrovano come impermeabilizzanti sulle penne degli uccelli acquatici.
Fosfolipidi: sono un gruppo di composti simili ai trigliceridi, ma da cui si differenziano a causa della sostituzione di uno dei tre acidi grassi con un gruppo fosforico.Tale struttura conferisce ai fosfolipidi un atteggiamento duplice nei confronti dell’acqua: la parte costituita dal gruppo fosforico e dal glicerolo, detta anche testa, ha infatti comportamento idrofilo (letteralmente amico dell’acqua), mentre i due acidi grassi, detti anche code, hanno comportamento idrofobo (letteralmente che fugge dall’acqua). Questo fatto è importante perché, quando i fosfolipidi sono mescolati all’acqua, tendono a disporsi in un doppio strato, con le code idrofobe rivolte verso l’interno e le teste idrofile rivolte verso l’esterno, andando a formare la struttura di base delle membrane cellulari.
Steroidi: sono lipidi con struttura diversa da quella degli altri fin qui descritti; nel nostro organismo svolgono importanti funzioni, originando ad esempio molti tipi di ormoni. Gli steroidi sono prodotti a partire dal colesterolo, una sostanza naturale che svolge un ruolo anche all’interno delle membrane cellulari. Nel tempo il colesterolo ha acquisito una pessima fama: infatti una sua concentrazione eccessiva nel sangue porta alla formazione di depositi solidi all’interno dei vasi sanguigni che favoriscono l’insorgere di malattie cardiovascolari (infarti, ictus ecc.). In verità non è il colesterolo in se ad essere cattivo, bensì una sua presenza eccessiva nel sangue, determinata, oltre che da fattori genetici, da difetti dell’alimentazione.
Gli acidi nucleici sono anch’essi composti polimeri, i cui monomeri sono i nucleotidi. I nucleotidi sono a loro volta formati dall’unione di tre unità:

una base azotata, un monosaccaride ed un gruppo fosforico

Esistono 5 tipi di basi azotate, ognuna delle quali viene rappresentata con l’iniziale del nome: Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G), Timina (T) e Uracile (U); il monosaccaridi invece può essere il Ribosio (R) oppure il Deossiribosio (D). Infine il gruppo fosforico è lo stesso che abbiamo già incontrato nei fosfolipidi. Per formare le catene degli acidi nucleici i nucleotidi si collegano a migliaia, legandosi l’uno all’altra attraverso il gruppo fosforico, che si mette a ponte tra due di loro.
Gli acidi nucleici, che si trovano nel nucleo della cellula, possiedono tutte le informazioni relative al funzionamento della cellula stessa. Essi possono essere assimilati ai dischi magnetici presenti all'interno dei computer, i quali contengono a loro volta tutte le informazioni necessarie al lavoro del computer stesso. Nei dischi magnetici le informazioni sono scritte in un linguaggio formato da due sole lettere: la lettera + (o lettera 1) e la lettera ─, (o lettera 0), dette bit (binary digit o cifra binaria), che corrispondono alle due polarità magnetiche. Una lettera dell'alfabeto latino, oppure un numero, è rappresentato da una sequenza di 8 lettere + o ─, che insieme formano un byte (binary digit eight). Per la lettera A, ad esempio, la sequenza è 11000001. All’interno dei dischi magnetici dunque le lunghissime sequenze di 1 e 0 vanno lette ad otto a otto. Negli acidi nucleici le lettere sono invece 4, essendo rappresentate dai nucleotidi, e vanno lette a tre a tre; nel linguaggio degli acidi nucleici quindi le parole sono costituite da sequenze anche lunghissime di triplette di nucleotidi.
Esistono due tipi di acido nucleico, il DNA e l'RNA; essi differiscono tra loro sia per la struttura, che per le funzioni. Nell’RNA le quattro basi azotate sono l’adenina, la guanina, la citosina e l’uracile, mentre il monosaccaride è costituito dal ribosio. La sigla RNA è infatti un’abbreviazione del nome inglese ribonucleic acid, che in italiano risulta acido ribonucleico. La struttura dell’RNA è costituita da una singola catena di nucleotidi. L’RNA, infine, viene pordotto nel nucleo della cellula, ma poi esce da esso per andare nel citoplasma a svolgere le sue funzioni. Nel DNA le quattro basi azotate sono invece l’adenina, la guanina, la citosina e la timina, mentre il monosaccaride è il deossiribosio. La sigla DNA è infatti un’abbreviazione del nome inglese deoxyribonucleic acid, che in italiano risulta acido deossiribonucleico. Nel DNA inoltre due catene di nucleotidi si uniscono frontalmente, legandosi attraverso le rispettive basi azotate; il legame tra basi è molto specifico, nel senso che la timina si lega sempre all’adenina e la citosina si lega sempre alla guanina. Il DNA infine rimane sempre all'interno del nucleo cellulare e rappresenta il vero e proprio archivio in cui vengono conservate le informazioni necessarie allo svolgimento di tutte le funzioni cellulari. Volendo rimanere all'analogia con i computer potremmo dire che il DNA costituisce il disco fisso o hard disk, mentre l'RNA rappresenta una specie di floppy disk, che può trasportare altrove le informazioni copiate.
Oltre gli acidi nucleici i nucleotidi formano anche un composto, denominato ATP. ATP è una abbreviazione del nome inglese Adenosin Tri Phosphate, da cui si capisce che esso è formato da una molecola di adenina, una di deossiribosio e tre gruppi fosforici. Questa sostanza immagazzina e distribuisce l’energia all'interno della cellula, comportandosi come una specie di pila ricaricabile. Quando carichiamo una pila compiano una reazione endoergonica , perché forniamo alla pila dell'energia, che rimane immagazzinata al suo interno; viceversa quando la pila si scarica, facendo ad esempio funzionare la nostra radio, si compie una reazione esoergonica , perché l'energia immagazzinata con la carica esce adesso dalla pila. Noi possiamo compiere questo ciclo tante volte quanto vogliamo, trasferendo l'energia elettrica dell'impianto di casa alla nostra radio attraverso la pila.
La cellula si comporta con l'ATP esattamente come noi ci comportiamo con la pila ricaricabile. L'ATP è la forma carica di energia, mentre la forma scarica è costituita dall'ADP (Adenosin Di Phosphate), una molecola simile all'ATP, ma con solo due gruppi fosforici. L'ADP quindi con l'aggiunta di un gruppo fosforico si trasforma in ATP e si carica di energia, mentre l'ATP perdendo un gruppo fosforico si trasforma in ADP, scaricandosi.

Per questi argomenti vedere anche il capitolo 3 del libro di testo

Tra le più importanti proteine strutturali troviamo il collagene, l’elastina e la cheratina.

Le proteine che assicurano la contrazione dei muscoli sono l’actina e la miosina.

Basti pensare all’emoglobina, che trasporta ossigeno ed anidride carbonica nel sangue o alle altre proteine che trasportano nel sangue molecole di grassi o di colesterolo

Si definiscono endoergoniche le reazioni che assorbono energia

Si definiscono esoergoniche le reazioni che producono energia

Per ciclo si intende una serie di eventi o di fenomeni che si ripetono l'uno dopo l'altro, in successione, come ad esempio il ciclo delle stagioni.

Composti organici biomolecole