L ACQUA E LE SUE PROPRIETÀ L acqua è una sostanza indispensabile per tutte le forme di vita. Ogni molecola di acqua (H2O) è formata da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, uniti tramite due legami di tipo covalente polare. All interno della molecola (che nel suo complesso è neutra) la carica elettrica negativa si concentra, infatti, attorno al nucleo dell atomo dell ossigeno, creando una parziale carica positiva sugli idrogeni. Tra l idrogeno di una molecola di H2O e l ossigeno di un altra molecola di H2O si creano quindi dei legami idrogeno a causa di queste parziali cariche. I legami a idrogeno sono legami intermolecolari e pertanto sono più deboli dei legami di tipo covalente o ionico. L acqua è dotata di particolari proprietà (come la tensione superficiale, la capillarità, l elevato calore specifico) che sono determinate dalla struttura chimica delle sue molecole e dalla formazione di legami a idrogeno. L ACQUA COME SOLVENTE Molte sostanze si sciolgono nell acqua formando delle miscele omogenee, chiamate soluzioni. Le sostanze che possono sciogliersi sono dette solubili. In queste soluzioni il componente più abbondante, che definiamo solvente, è l acqua; le sostanze disciolte, presenti in minore quantità, sono detti soluti. Per essere solubile in acqua una sostanza deve essere ionica o polare. Le sostanze apolari (cioè non polari) si sciolgono soltanto in altre sostanze apolari (per esempio alcuni grassi si sciolgono nell acetone, che è un solvente apolare). Sono dette idrofile le molecole che si sciolgono nell acqua e idrofobe quelle che, al contrario sono insolubili in acqua. LE MOLECOLE BIOLOGICHE Il corpo degli organismi è formato oltre che dall acqua, che rappresenta fino al 95 % del loro peso quasi interamente da molecole organiche: composti che contengono atomi di carbonio. Molte molecole organiche derivano dall unione di molecole più piccole (monomeri) che si legano tra loro per dare molecole più grandi (polimeri).
I polimeri molto grandi sono comuni negli esseri viventi e sono chiamati macromolecole. Le macromolecole sono distinte in quattro classi principali: i carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici (il DNA e l RNA). I CARBOIDRATI I carboidrati, composti che contengono carbonio, ossigeno e idrogeno, sono le principali fonti di energia per le cellule. I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici, formati da una sola molecola. Il glucosio, un monosaccaride che contiene sei atomi di carbonio, è la principale fonte di energia per gli esseri umani e gli altri vertebrati. Il fruttosio e il galattosio sono altri monosaccaridi molto importanti. Le molecole dei vari monosaccaridi possono unirsi tra loro per dare zuccheri con molecole più grandi. Il saccarosio, per esempio, la cui molecola è formata da due unità diverse (una molecola di glucosio e una di fruttosio), è un disaccaride. I carboidrati formati da centinaia o migliaia di unità si chiamano polisaccaridi. I LIPIDI Le macromolecole dei lipidi sono formate da atomi di carbonio, ossigeno e idrogeno, proprio come i carboidrati, ma hanno caratteristiche del tutto differenti, che dipendono dalla diversa disposizione degli atomi, cioè dal modo in cui essi sono legati tra loro a formare queste macromolecole. Una delle caratteristiche che accomuna tutti i lipidi è il fatto che non si sciolgono nell acqua (si dice che sono insolubili in acqua). I lipidi comprendono un vasto gruppo di macromolecole che svolgono diverse funzioni negli organismi. 1. I grassi servono a immagazzinare energia (come avviene con i carboidrati). Le caratteristiche di un grasso dipendono dalla lunghezza dello scheletro carbonioso che costituisce gli acidi grassi e dalla presenza o meno di doppi legami covalenti nelle catene stesse. I lipidi che contengono acidi grassi in cui non compaiono doppi legami sono detti saturi e sono solidi a temperatura ambiente, tipo il burro e il grasso della carne. I lipidi che contengono acidi grassi in cui compaiono doppi legami sono detti insaturi e sono liquidi a temperatura ambiente, come l olio d oliva e gli oli di semi. 2. Le cere hanno la funzione di proteggere la pelle, rendere impermeabili il pelo e le penne degli animali, oltre che le foglie e i frutti delle piante terrestri.
3. I fosfolipidi sono un gruppo di lipidi particolarmente importanti perché formano le membrane che delimitano tutte le cellule. Ogni molecola di fosfolipide ha una duplice natura: è idrofila (cioè ha affinità per l acqua) in corrispondenza della «testa», ed è idrofoba (cioè non ha affinità per l acqua e tende ad allontanarsi da essa) in corrispondenza delle due «code» formate da acidi grassi. LE PROTEINE Dopo l acqua, le proteine sono le sostanze più abbondanti nelle cellule e sono coinvolte nella maggior parte dei processi biologici che si svolgono in esse. Le proteine svolgono molte funzioni: facilitano le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule, regolano l entrata e l uscita di alcune sostanze dalle cellule, servono come sostegno e sono coinvolte nel movimento degli organismi. Le macromolecole proteiche sono formate da unità più piccole dette amminoacidi. Ogni molecola di amminoacido presenta due gruppi funzionali legati a un atomo di carbonio (C) centrale: il gruppo carbossilico ( COOH) e il gruppo amminico ( NH2). Il carbonio centrale è legato anche a un atomo di idrogeno (H) e a un gruppo di atomi (indicato genericamente con R), che differenzia i vari tipi di amminoacidi. Esistono solo 20 tipi di amminoacidi. La sequenza degli amminoacidi in una proteina rappresenta la sua struttura primaria. Una volta che la proteina è stata assemblata, gli amminoacidi formano tra loro legami a idrogeno che determinano un ripiegamento della molecola. Tale configurazione tridimensionale, detta struttura secondaria. La struttura secondaria può ripiegarsi e determinare la complessa struttura terziaria di alcune proteine. Molte proteine sono formate da più catene di amminoacidi legate tra loro. L insieme delle diverse catene rappresenta la loro struttura quaternaria. Dalla forma delle proteine dipende la funzione che esse svolgono.
IL DNA L acido desossiribonucleico si presenta come una sostanza bianca, zuccherina e leggermente acida. La sua molecola è un polimero, cioè una molecola molto lunga costituita da unità relativamente piccole. Nel caso del DNA i monomeri sono nucleotidi, i quali a loro volta sono formati da tre parti chimicamente distinte: un gruppo fosfato; uno zucchero che presenta 5 atomi di carbonio, il desossiribosio e una base azotata. Lo scheletro del polimero del DNA è costituito da un alternanza di molecole di desossiribosio e di gruppi fosfato, mentre le basi azotate si legano alle molecole di zucchero e sporgono lateralmente. Nel DNA si trovano quattro basi diverse: due ad anello singolo appartenenti alla classe delle pirimidine la citosina (C) e la timina (T) e due ad anello doppio che appartengono alle purine l adenina (A) e la guanina (G).
La struttura del DNA descritta da Watson e Crick è costituita da due filamenti polinucleotidici appaiati tra loro. I due filamenti sono tenuti insieme da legami a idrogeno che si instaurano tra le basi azotate. L appaiamento delle basi: la timina si può unire solo con l adenina la guanina si può abbinare solo con la citosina. I due filamenti che costituiscono la molecola sono inoltre antiparalleli, ovvero sono orientati in direzioni opposte. La molecola di DNA presenta una forma a doppia elica dato che i due filamenti che la costituiscono si avvolgono intorno all asse di allungamento della molecola stessa.