Le molecole
biologiche
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Il carbonio è l’elemento di base
delle biomolecole
Una cellula batterica può
contenere fino a 5000 tipi
diversi di composti organici.
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Il carbonio deve acquistare quattro
elettroni per essere stabile
Ciascun atomo di carbonio può formare un legame
con altri quattro atomi.
Il legame carbonio-carbonio è di tipo covalente ed è
stabile, consente quindi la formazione di catene di
carbonio molto lunghe e resistenti.
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La grande varietà di biomolecole
I gruppi funzionali
sono combinazioni
specifiche di atomi
e conferiscono alle
molecole proprietà
caratteristiche.
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Gli isomeri
Le molecole organiche che hanno identica formula
molecolare (sono cioè formate dallo stesso tipo e
numero di atomi), ma che differiscono per il modo in
cui i loro atomi (o gruppi funzionali) sono disposti sono
dette isomeri.
Nelle reazioni chimiche gli isomeri si comportano in
modo diverso.
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Le macromolecole
I carboidrati, i lipidi, le proteine e gli acidi nucleici sono
delle molecole di grosse dimensioni (polimeri) formate da
subunità molecolari unite tra loro.
Le classi di macromolecole
Categoria
Esempio
Monomero/i
Carboidrati* Polisaccaride (amido)
Monosaccaride (glucosio)
Lipidi
Grasso (olio)
Glicerolo e acidi grassi
Proteine*
Polipeptide (albumina) Amminoacido
Acidi nucleici* DNA, RNA
Nucleotide
*Le macromolecole più grosse sono dei polimeri, costruiti unendo insieme un gran numero
di subunità dello stesso tipo (monomeri), di solito con legami covalenti.
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I polimeri
Per la sintesi di un polimero, la cellula usa una reazione
di condensazione, in cui viene liberata una molecola
d’acqua. La reazione avviene grazie all’intervento degli
enzimi, che mettono a contatto diretto i monomeri.
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I polimeri
La reazione opposta è la demolizione di un polimero.
Durante questo processo, una molecola d’acqua viene
usata per rompere i legami tra i due monomeri. Il termine
idrolisi significa infatti «spezzare con l’acqua».
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I carboidrati
I carboidrati sono usati dagli organismi come fonti di
energia immediata e come componenti strutturali.
I carboidrati sono formati da carbonio (C), idrogeno (H)
e ossigeno (O), con un rapporto di 1 : 2 : 1.
I carboidrati semplici, o zuccheri, possono essere:
•monosaccaridi (una singola molecola di zucchero);
•disaccaridi (due monosaccaridi).
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I carboidrati
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I carboidrati
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I monosaccaridi e i disaccaridi
I carboidrati semplici forniscono energia a pronto rilascio.
Il glucosio è un monosaccaride ed è la principale fonte
di energia dei viventi; la sua formula molecolare è
C6H12O6.
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I monosaccaridi e i disaccaridi
Il ribosio (C5H10O5) e il desossiribosio (C5H10O4) sono
monosaccaridi importanti in quanto molecole costitutive
degli acidi nucleici RNA e DNA.
Il saccarosio è un importante disaccaride, si tratta infatti
della forma in cui gli zuccheri sono trasportati nelle piante.
E’ formato da due monosaccaridi (glucosio e fruttosio) che
si uniscono grazie a una reazione di condensazione.
Il lattosio è un disaccaride che si trova nel latte; esso
deriva dall’unione di una molecola di glucosio e una di
galattosio (un isomero del glucosio).
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I polisaccaridi
I polisaccaridi sono i polimeri dei monosaccaridi. Sono
carboidrati complessi con funzioni strutturali e di riserva.
L’amido è la forma in cui il glucosio è immagazzinato nelle
piante; il glicogeno negli animali e nei funghi.
La cellulosa è un polisaccaride con funzione strutturale
contenuto nelle piante; la chitina in alcuni animali e funghi.
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I lipidi forniscono energia e protezione
I composti organici classificati come lipidi sono molto
diversificati.
La maggior parte dei lipidi è insolubile in acqua a causa
delle catene di idrocarburi non polari.
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Alcuni alimenti ricchi di lipidi
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I grassi e gli oli sono eccellenti
molecole di riserva
Gli acidi grassi possono essere:
•saturi – non presentano doppi legami tra gli atomi di
carbonio della catena idrocarburica;
•insaturi – hanno invece uno o più doppi legami tra gli
atomi di carbonio della catena.
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I fosfolipidi sono componenti della
membrana plasmatica
Come i grassi, i
fosfolipidi contengono
glicerolo e tre gruppi ad
esso legati.
Nei fosfolipidi soltanto
due di questi gruppi
sono però degli acidi
grassi, mentre il terzo
gruppo è un fosfato
polare.
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Gli steroidi e le cere
Gli steroidi possono avere la
funzione di stabilizzare la
membrana esterna delle
cellule, oppure funzioni
ormonali.
Le cere formano uno strato
protettivo che riduce la perdita
di acqua; in molti animali
servono a proteggere e
mantenere in salute la pelle e il
pelo.
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le cere
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Il colesterolo è un lipide: danni alle
arterie
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Le proteine sono molecole versatili
Le proteine svolgono molte funzioni di grande importanza,
eccone alcune fondamentali per gli animali:
•sostegno– in forma di cheratina (nei capelli e nelle
unghie) e di collagene (nei legamenti e nei tendini);
•metabolismo – gli enzimi catalizzano le reazioni;
•trasporto – le proteine di trasporto della membrana
plasmatica consentono l’ingresso e l’uscita di sostanze
dalla cellula;
•difesa – gli anticorpi distruggono gli agenti patogeni e
prevengono le infezioni;
•regolazione – alcuni ormoni, come l’insulina, sono
proteine di regolazione;
•movimento – l’actina e la miosina sono componenti dei
tessuti muscolari.
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Una proteina è un polimero formato
da una sequenza di amminoacidi
Gli amminoacidi sono essenzialmente composti da:
•un atomo di carbonio centrale;
•un gruppo amminico (-NH2);
•un gruppo carbossilico (-COOH);
•un gruppo R, che è variabile e
rappresenta il resto della molecola.
In tutto, le proteine dei viventi contengono una ventina
di amminoacidi diversi, combinati in un enorme numero
di sequenze possibili.
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Le particolarità del gruppo R
differenziano tra loro gli amminoacidi
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I polipeptidi
Un polipeptide è una catena di molti amminoacidi uniti
da legami peptidici.
Una proteina
polipeptidiche.
può
contenere
una
o
più
catene
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La forma di una proteina è correlata
alla sua funzione
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La struttura terziaria di una proteina include
una
supplementare
sagomatura
tridimensionale che risulta dalla interazione tra i
gruppi R . Ad esempio , gruppi R idrofobici tendono
a raggrupparsi verso l'interno della proteina , mentre
gruppi R idrofili si orientano verso l'esterno della
proteina . Ulteriori sagomature tridimensionali si
verificano quando un aminoacido cisteina si lega ad
un'altra cisteina attraverso un ponte disolfuro
(legame) . Questo fa sì che la proteina si arrotoli,
mediante una torsione, intorno al legame stesso (
Figura
6
)
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• La struttura quaternaria descrive una
proteina che è assemblata da due o più
catene peptidiche separate. L' emoglobina
(proteina) , ad esempio , è costituita da quattro
catene peptidiche che sono tenute insieme da
legami idrogeno , interazioni tra gruppi R , e
legami disolfuro
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Tutti gli amminoacidi (tranne la glicina) hanno
l’atomo di carbonio α legato a quattro gruppi
diversi: il carbonio alfa [C α] (asimmetrico)
è quindi un centro chiralico o otticamente
attivo
Gli amminoacidi che hanno un centro
asimmetrico nel carbonio alfa possono esistere
in due forme speculari (D ed L)
dette stereoisomeri, isomeri ottici o
enantiomeri
NOTA BENE: le proteine contengono
solo L- amminoacidi.
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Gli acidi nucleici dirigono l’attività
cellulare
Gli acidi nucleici DNA e RNA portano informazioni sotto
forma di codici.
Un acido nucleico è un polimero di nucleotidi.
Un nucleotide è un complesso
molecolare formato da:
•un fosfato – l’acido fosforico;
•uno zucchero pentoso;
•una base azotata – guanina,
adenina, citosina, timina o uracile.
(a 5 atomi di C)
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Il DNA (acido desossiribonucleico)
Il DNA si trova all’interno del nucleo
e contiene l’informazione genetica.
Il DNA è un doppio filamento e ha
una struttura a doppia elica.
Lo zucchero pentoso del DNA è il
desossiribosio.
Le basi azotate presenti nel DNA
sono la guanina, l’adenina, la
citosina e la timina.
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L’RNA (acido ribonucleico)
L’RNA convoglia le informazioni
codificate nei geni dal DNA ai
ribosomi per la sintesi proteica.
I nucleotidi dell’RNA sono allineati
lungo un unico filamento.
Lo zucchero pentoso dell’RNA è il
ribosio.
Le basi azotate presenti nell’RNA
sono la guanina, l’adenina, la
citosina e l’uracile.
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RNA e DNA a confronto
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L’ATP è il trasportatore di energia
delle cellule
L’ATP (adenosin-trifosfato) è un nucleotide composto da
tre parti:
•la base adenina;
•lo zucchero pentoso ribosio;
•tre gruppi fosfato legati tra loro da legami covalenti.
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L’ATP è il trasportatore di energia
delle cellule
L’ATP è una molecola ad alta energia: la rottura dei
legami covalenti dei due gruppi fosfato più esterni
da parte di un enzima (idrolisi) libera infatti molta
energia.
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