Corso di Scienze Naturali Biologia di Base I PARTE Le Biomolecole
Le Caratteristiche della Vita Nessuno, ancora oggi, è ancora in grado di dare una definizione esatta ed univoca della vita. Per stabilire se qualcosa sia o meno dotato di vita si ricorre ad una serie di caratteristiche: Movimento: gli esseri viventi sono generalmente in grado di muoversi spontaneamente. Reazione agli stimoli esterni: la capacità di percepire determinati messaggi dall ambiente e di reagire ad essi. Consumo di energia: le varie forme di vita sono sempre strutture estremamente complesse e, pertanto, dissipatrici di energia. Escrezione: eliminazione dei rifiuti prodotti dal metabolismo. Presenza di cellule: ad eccezione dei virus (che fra l altro non sono ritenute delle vere e proprie forma di vita da molti biologi) tutti gli esseri viventi sono formati da cellule. Complessità chimica: le molecole di cui sono formati sono caratterizzate da una complessità strutturale nettamente più alta di quella delle molecole del mondo inanimato. Composizione chimica: tutte le forma di vita del nostro pianeta hanno una composizione chimica sorprendentemente simile, fra l altro, da soli quattro elementi (vedi tabella) costituiscono il 98% di tutti gli atomi presenti negli esseri viventi.
Crescita e Sviluppo: gli esseri viventi sono in grado, grazie al metabolismo e l assunzione di sostanze dall ambiente, di aumentare le proprie dimensioni e, a volte, cambiare il proprio aspetto. Riproduzione ed Ereditarietà: nessuna forma di vita è in grado di vivere per sempre, la riproduzione e la trasmissione delle proprie caratteristiche alla discendenza è pertanto indispensabile alla conservazione della vita stessa. Adattamento: i cambiamenti ambientali costringono gli esseri viventi ad un continuo aggiornamento delle proprie caratteristiche, pena l estinzione.
La Chimica della Vita Nel XIX secolo i chimici pensavano che solo i viventi fossero in grado di sintetizzare i composti del carbonio e avevano perciò diviso la chimica in due settori: la chimica organica (parte della chimica che studia le sostanze organiche) e la chimica inorganica (parte della chimica che studia le sostanze inorganiche). Anche se oggi si conoscono molti composti del carbonio ottenuti per sintesi, il vecchio nome di chimica organica è rimasto in uso. La caratteristica principale delle molecole organiche presenti nelle diverse forme di vita (biomolecole) è la loro complessità dovuta alla capacità dell atomo di carbonio di formare con se stesso legami chimici semplici, doppi o tripli che danno luogo a catene di ogni tipo: lineari, ramificate, cicliche.
Strutture del Carbonio a) Disposizione dei quattro legami covalenti nel metano. b) Idrocarburo a catena laterale. c) Struttura ad anello di un idrocarburo aromatico.
Tale caratteristica è dovuta al fatto che i quattro legami chimici che si formano sono molto forti. Le varie forme di vita sono inoltre caratterizzate da una sorprendente uniformità chimica: i principali tipi di biomolecole come le proteine, i lipidi, i carboidrati o gli acidi nucleici, sono presenti in tutte le forme di vita. L unità di base degli esseri viventi, la cellula, può essere considerata una specie di sacchetto gonfio di acqua in cui sono disciolte o disperse numerose e complesse biomolecole, che differiscono fra loro anche per la diversa natura dei loro gruppi funzionali.
L acqua L acqua (H 2 O) è presente in ogni forma di vita, da sola costituisce dal 50% al 95% in peso di ogni essere vivente. La sua composizione chimica è stata accertata solo nei primi decenni del secolo scorso. La molecola dell acqua presenta caratteristiche fisiche e chimiche tali da rendere possibili i fenomeni biochimici e con essi la vita di tutti gli organismi animali e vegetali. L acqua è un composto molto stabile in cui i due atomi di idrogeno formano fra loro un angolo prossimo ai 105º. Il legame covalente che lega gli atomi di idrogeno a quello di ossigeno è polare, di conseguenza, l atomo di ossigeno di una molecola di acqua può attrarre un atomo di idrogeno di un altra molecola (legame idrogeno). Tale forza attrattiva tende a mantenere unite tra loro le molecole dell acqua.
La molecola polare dell acqua favorisce la dissociazione e la solubilità dei sali e in generale delle sostanze con la sua stessa natura polare (non scioglie bene ad esempio gli oli o la benzina perché non polari; olio e benzina invece si sciolgono bene fra loro: simile scioglie simile ). La densità (massa/volume) dell acqua aumenta con l aumentare della temperatura e raggiunge un massimo intorno ai 4 ºC per poi nuovamente diminuire. Questa caratteristica anomala fa sì che il ghiaccio galleggi permettendo in questo modo la sopravvivenza degli organismi acquatici nei periodi in cui la temperatura esterna scende sotto zero gradi centigradi. Molto importante è anche la tendenza delle molecole del vapore acqueo atmosferico ad assorbire le radiazioni infrarosse, quindi al mantenimento dell effetto serra.
Come conseguenza, l acqua presenta diverse proprietà di interesse biologico: Tensione superficiale: è la forza che agisce sulla superficie di un liquido e che tende a mantenere unite le sue molecole; la superficie dell acqua si comporta come una pellicola, tale da permettere a certi insetti di camminarvi sopra. Adesione: forza di natura polare tra le molecole d acqua e le superfici simili con cui viene in contatto. Permette all acqua di bagnare un corpo. Capillarità: risalita spontanea di un liquido in tubi sottili (detti appunto capillari), come avviene nel suolo e nei fusti delle piante. Calore specifico: occorre molta energia per riscaldare di 1 C dell acqua, quindi ciò consente agli esseri viventi di stabilizzare la temperatura interna rispetto a brusche variazioni.
I Carboidrati I Carboidrati sono sostanze organiche formate da carbonio, idrogeno e ossigeno (formula generale (CH 2 O) n, e sono detti anche glucidi, idrati di carbonio, zuccheri. Dal punto di vista chimico sono aldeidi o chetoni aventi nella loro molecola un numero variabile di ossidrili alcolici. Il nome carboidrati fa riferimento ad una definizione tradizionale ed è dovuto al fatto che l idrogeno e l ossigeno sono presenti nelle medesime proporzioni (2:1) in cui si trovano nella molecola dell acqua. I carboidrati si distinguono in: Monosaccaridi Oligosaccaridi Polisaccaridi I monosaccaridi comprendono gli zuccheri più semplici (glucosio, fruttosio, galattosio ecc.), che costituiscono le unità strutturali di tutti i carboidrati naturali. Vengono classificati in rapporto al numero di atomi di carbonio contenuti nella molecola e in base alla natura di derivati aldeidici o chetonici.
Si hanno pertanto triosi (3 atomi di Carbonio), tetrosi (4 atomi di Carbonio), pentosi (5 atomi di Carbonio), esosi (6 atomi di Carbonio), eptosi (7 atomi di Carbonio), ecc. Generalmente sono composti neutri, solubili in acqua, essi hanno sapore dolce più o meno intenso. Gli oligosaccaridi (saccarosio, lattosio, maltosio ecc.) e i polisaccaridi (amido, glicogeno, cellulosa, lignina, mureina, chitina ecc.) sono costituiti da singole unità di monosaccaridi legate fra loro. I polisaccaridi, in particolare, hanno proprietà chimiche e fisiche molto differenti da quelle degli zuccheri più semplici, non hanno mai sapore dolce e sono spesso poco solubili in acqua. I processi di sintesi e di demolizione dei carboidrati costituiscono uno degli aspetti essenziali del metabolismo cellulare legato soprattutto alla produzione di energia. Nelle cellule animali lo zucchero utilizzato a fini energetici è principalmente il glucosio, dalla cui demolizione si ottengono circa 690 kcal/mole, mentre nei vegetali riveste particolare importanza anche il saccarosio.
Fra i polisaccaridi utilizzati come materiale di riserva energetica i principali sono il glicogeno negli animali e l amido nelle piante e in numerosi microrganismi. La cellulosa nelle piante e la chitina negli artropodi sono invece utilizzati come materiale strutturale. Vanno inoltre ricordati gli zuccheri pentosi (ribosio e desossiribosio) che entrano nella composizione degli acidi nucleici e di molecole fondamentali quali l ATP.
I vegetali sono in grado di effettuare la sintesi dei carboidrati attraverso la fotosintesi. L uomo e gli altri animali, invece devono assumerli attraverso gli alimenti. Degli zuccheri contenuti negli alimenti l uomo utilizza soprattutto i monosaccaridi glucosio, fruttosio e galattosio, i disaccaridi saccarosio (il comune zucchero da tavola formato da glucosio + fruttosio) e lattosio (lo zucchero del latte formato da glucosio + galattosio), i polisaccaridi amido (contenuto ad esempio nella farina, nelle patate, ecc.) e glicogeno. Il valore nutrizionale degli zuccheri alimentari è legato alla quantità di glucosio che si ottiene dalla loro digestione intestinale, tale valore varia in relazione agli enzimi posseduti da ciascuna specie e alla loro capacità di scindere gli zuccheri complessi. L uomo ad esempio non è in grado di digerire la cellulosa che è presente nella maggior parte degli alimenti vegetali, al contrario i ruminanti, nel cui tratto digerente vivono speciali microrganismi, sono capaci di scinderla in unità di glucosio. Gli zuccheri assorbiti dall intestino possono essere utilizzati immediatamente dalle cellule oppure trasformati in glicogeno e immagazzinati negli organi (fegato, cuore e muscoli).
Tra i mammiferi erbivori, i ruminanti si distinguono per un particolare sistema di ingestione e digestione del cibo. Questi animali sono dotati di uno stomaco complesso composto di quattro camere. Il cibo viene masticato rapidamente, inghiottito e immagazzinato in una prima cavità, chiamata rumine. Quindi passa attraverso il reticolo dove viene ridotto in poltiglia e ritorna alla bocca per una lunga e lenta masticazione. A questo punto, il cibo viene deglutito nuovamente e passa attraverso l'omaso e l'abomaso, nei quali agiscono i succhi gastrici, per poi finire nell'intestino. Anche la dentatura dei ruminanti è predisposta a brucare l'erba e a ruminare: gli incisivi e i canini superiori sono sostituiti da un rivestimento corneo in corrispondenza con i denti dell'arcata inferiore. Sono ruminanti gli ovini, i bovini e anche animali a noi meno familiari, come la giraffa e il cammello.
I lipidi I lipidi sono sostanze insolubili in acqua e solubili nei solventi organici quali etere, cloroformio o benzene contenenti il gruppo funzionale degli acidi carbossilici (acidi grassi). Sono composti molto eterogenei e di difficile classificazione che possono essere distinti in: lipidi semplici, formati da una molecola di glicerolo unita a tre acidi grassi; e lipidi complessi che contengono anche altri elementi come l azoto, il fosforo e lo zolfo, (ad esempio i fosfolipidi, principali costituenti delle membrane cellulari). I lipidi semplici come i trigliceridi, sono immagazzinati come riserva energetica (tessuti adiposi), in virtù del loro elevato rendimento calorico (circa 9 Kcal/g).
I lipidi complessi entrano nella composizione delle strutture delle cellule (membrana plasmatica, membrana mitocondriale, membrane del reticolo endoplasmatico). Alcuni lipidi costituiscono inoltre molecole di particolare importanza biologica quali ormoni steroidi, vitamine A, D, E, K, prostaglandine, ecc. Nell uomo gli acidi grassi, provenienti dalla digestione dei trigliceridi presenti negli alimenti oppure dai depositi adiposi, forniscono oltre la metà del fabbisogno energetico quotidiano. Essi sono presenti negli oli vegetali (grassi insaturi) e animali come lardo, strutto, burro (saturi). Più sono lunghe le catene lipidiche più è densa la sostanza (dagli oli ai grassi animali alle cere, molto dense e compatte). Nei fosfolipidi il glicerolo è legato a un gruppo fosfato, che presenta caratteri idrofili, cioè solubilità in acqua. La parte non solubile (idrofobica) è invece rivolta all interno della struttura. In questo modo è possibile formare le membrane delle cellule, che altrimenti si scioglierebbero in acqua appena formate!!
Le proteine Le proteine (protidi) sono la principale componente organica dei viventi (anche più del 50 % del peso secco). Sono polimeri formati da catene di amminoacidi (i relativi monomeri), uniti tra loro per mezzo di legami peptidici. Tutte le proteine sono formate da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, in alcune sono presenti anche lo zolfo, il fosforo, lo zinco, il ferro e il rame. Gli amminoacidi naturali che formano le proteine sono in tutto venti, ma, come per le lettere dell alfabeto che combinate fra loro formano numerosissime parole, così il numero di proteine diverse ottenibili con gli amminoacidi è praticamente infinito. Ogni tipo di proteina svolge un ruolo specifico, scritto nella sequenza con cui sono distribuiti gli amminoacidi nella molecola stessa.
Per comprendere la struttura delle sostanze proteiche è bene definire i concetti di struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Per struttura primaria si intende la sequenza degli amminoacidi nella catena peptidica (es. D, E, A, R, N, E, E, ecc). Le strutture secondaria e terziaria sono determinate da legami a idrogeno e da altre interazioni polari che si stabiliscono tra le varie parti della catena polipeptidica conferendo alla molecola proteica una particolare configurazione spaziale che risulta essenziale per il suo funzionamento. Alcune proteine infine si trovano associate in più unità uguali tra loro, tale associazione costituisce la struttura quaternaria (presente ad esempio nell emoglobina). Negli organismi viventi le proteine vengono sintetizzate a partire dagli amminoacidi ricavati dall alimentazione grazie alle informazioni contenute nel DNA. La loro importanza fondamentale è dovuta al fatto che, oltre alla funzione strutturale quali componenti di cellule e tessuti, svolgono la funzione enzimatica risultando quindi indispensabili al metabolismo cellulare.
Acidi Nucleici Gli acidi nucleici sono le biomolecole particolarmente abbondanti nel nucleo delle cellule.ne abbiamo di due tipi: l'acido ribonucleico o RNA e l'acidodesossiribonucleico o DNA. Le unità di base degli acidi nucleici sono i nucleotidi che possono legarsi fra loro a formare catene anche molto lunghe dove ogni nucleotide è legato al successivo attraverso una molecola di acido fosforico. Ciascun nucleotide si compone di uno zucchero a cinque atomi di carbonio (desossiribosio nel DNA, ribosio nell'rna), un gruppo fosfato (molecola di acido fosforico) e una base azotata (una purina o una pirimidina). L'RNA è presente nelle cellule in quantità superiore rispetto al DNA dal quale si distingue per la diversa struttura e per essere formato da nucleotidi con uno zucchero a cinque atomi di carbonio diverso: il ribosio e da una base azotata: l'uracile al posto della timina. Vi sono tre tipi di RNA che si differenziano per la struttura e per il ruolo diverso svolto nella sintesi delle proteine, l'rna messaggero, transfer e ribosomiale.
La struttura degli acidi nucleici è stata determinata grazie all'analisi ai raggi X, Watson e Crick negli anni 50 per primi svilupparono un modello tridimensionale di tali molecole. La struttura del DNA consiste in due catene di nucleotidi a forma di elica avvolti intorno allo stesso asse e tenute insieme da legami a idrogeno. Tale struttura si deve all'appaiamento delle basi azotate che determina la saldatura delle due catene. Gli appaiamenti stabili sono quelli tra Adenina e Timina (o Uracile) e tra Guanina e Citosina.