Le biomolecole sono i mattoni invisibili che costruiscono ogni essere vivente, dalla cellula del lievito nel pane al neurone del cervello umano.
Le quattro grandi famiglie del vivente
Quando osservi una mela appoggiata sul tavolo sembra un oggetto semplice, eppure migliaia di molecole organiche lavorano insieme per mantenerla viva fino al raccolto. Tutte queste molecole appartengono a sole quattro grandi famiglie chimiche: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Le chiamiamo biomolecole perché sono prodotte e utilizzate dagli organismi viventi, anche se oggi alcune si possono sintetizzare in laboratorio. Hanno tutte in comune lo scheletro di carbonio, un atomo capace di formare quattro legami stabili e di costruire catene lunghissime. Insieme al carbonio troviamo idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo, che formano oltre il novantanove per cento della materia di un organismo. Studiarle significa comprendere come funzionano la nutrizione, la crescita, la difesa immunitaria e perfino l'ereditarietà dei caratteri.
I carboidrati: l'energia rapida
I carboidrati sono molecole formate da carbonio, idrogeno e ossigeno, con una formula generale del tipo Cn(H2O)n, da cui il nome che ricorda l'acqua. Si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi, secondo il numero di unità monomeriche che li compongono. Il glucosio è il monosaccaride più importante, perché viene utilizzato come combustibile principale dalle cellule durante la respirazione cellulare. Quando mangi una fetta di pane bianco, l'amido contenuto al suo interno viene scomposto dalla saliva in molecole più piccole, fino a liberare glucosio assorbibile dall'intestino. Lo zucchero da cucina che metti nel caffè, il saccarosio, è un disaccaride formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio. Negli organismi i polisaccaridi servono anche come materiali strutturali: la cellulosa forma la parete delle cellule vegetali, mentre la chitina costituisce il guscio dei gamberi.
I lipidi: riserva, isolamento e segnali
I lipidi sono molecole molto eterogenee, accomunate dal fatto di essere insolubili in acqua e solubili nei solventi organici come l'etere. Comprendono i trigliceridi, i fosfolipidi, gli steroidi e le cere, ciascuno con funzioni specifiche all'interno dell'organismo. I trigliceridi, formati da una molecola di glicerolo e tre acidi grassi, sono la principale riserva energetica degli animali e concentrano nove chilocalorie per grammo. L'olio di oliva che condisce l'insalata è un trigliceride liquido a temperatura ambiente, mentre il burro è ricco di trigliceridi saturi che lo rendono solido. I fosfolipidi sono i mattoni delle membrane cellulari: hanno una testa idrofila e due code idrofobe e si dispongono in un doppio strato. Gli steroidi, come il colesterolo e gli ormoni sessuali, hanno una struttura ad anelli fusi e regolano molti processi fisiologici dell'organismo.
Le proteine: gli artigiani della cellula
Le proteine sono polimeri formati dall'unione di amminoacidi, piccole molecole che possiedono un gruppo amminico e un gruppo carbossilico. Negli organismi viventi si utilizzano soltanto venti amminoacidi diversi, eppure dalla loro combinazione derivano milioni di proteine differenti. Il legame che unisce due amminoacidi consecutivi si chiama peptidico e si forma con l'eliminazione di una molecola d'acqua. La sequenza degli amminoacidi, detta struttura primaria, determina poi il ripiegamento tridimensionale della proteina, da cui dipende la sua funzione biologica. Pensiamo all'emoglobina nei globuli rossi, che trasporta l'ossigeno dai polmoni ai tessuti grazie a una tasca di legame contenente ferro. Anche gli anticorpi che riconoscono i virus e gli enzimi come la lattasi del nostro intestino sono proteine con forme tridimensionali estremamente precise.
Gli acidi nucleici: il manuale di istruzioni
Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi, ciascuno formato da uno zucchero a cinque atomi di carbonio, un gruppo fosfato e una base azotata. Esistono in due forme principali: il DNA, che contiene desossiribosio, e l'RNA, che contiene invece ribosio come zucchero. Il DNA è una doppia elica, scoperta da Watson e Crick nel 1953, e custodisce le informazioni genetiche dell'organismo. Le basi azotate del DNA sono adenina, timina, citosina e guanina; l'adenina si appaia con la timina e la citosina con la guanina. Quando una cellula si divide, il DNA viene duplicato fedelmente affinché ogni cellula figlia riceva una copia completa delle istruzioni. L'RNA messaggero, invece, porta l'informazione dal nucleo ai ribosomi, dove gli amminoacidi vengono assemblati per formare nuove proteine.
Polimeri e monomeri: il gioco dei mattoncini
Tre delle quattro classi di biomolecole — carboidrati, proteine e acidi nucleici — sono polimeri, cioè catene formate dall'unione di molte unità più piccole chiamate monomeri. La costruzione di un polimero avviene tramite una reazione di condensazione, che elimina una molecola d'acqua per ogni legame formato. La reazione opposta, l'idrolisi, rompe il legame aggiungendo una molecola d'acqua e separa il polimero nei suoi monomeri. Quando digerisci la pasta, gli enzimi del tuo apparato digerente compiono idrolisi sull'amido per liberare singole molecole di glucosio assorbibili. Allo stesso modo, quando il corpo costruisce un muscolo, riunisce amminoacidi assunti con la carne o i legumi formando nuove proteine per condensazione. I lipidi non sono veri polimeri perché non possiedono unità ripetitive identiche, ma si formano comunque tramite reazioni di condensazione tra glicerolo e acidi grassi.
Le biomolecole nella vita di tutti i giorni
Conoscere le biomolecole aiuta a leggere consapevolmente le etichette nutrizionali dei prodotti che acquistiamo al supermercato. Quando una confezione di yogurt indica "5 g di proteine, 12 g di carboidrati, 3 g di grassi", sta descrivendo esattamente queste classi biochimiche. Le calorie totali si calcolano sapendo che ogni grammo di carboidrati e proteine fornisce circa 4 kcal, mentre ogni grammo di lipidi ne fornisce circa 9. La medicina sfrutta le biomolecole quotidianamente: l'insulina iniettata dai diabetici è una proteina, mentre gli antibiotici come la penicillina agiscono su enzimi batterici. Anche i test del DNA permettono di identificare le persone con altissima precisione, e vengono usati in medicina legale e nella ricerca delle paternità. Studiare le biomolecole significa quindi comprendere meglio il funzionamento del proprio corpo, della propria alimentazione e del mondo naturale che ci circonda.
Ricorda
- Esistono quattro grandi classi di biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici, tutte costruite intorno allo scheletro del carbonio.
- I carboidrati sono la principale fonte di energia rapida; i polisaccaridi servono anche come riserva (amido, glicogeno) e sostegno strutturale (cellulosa, chitina).
- I lipidi includono trigliceridi (riserva), fosfolipidi (membrane) e steroidi (ormoni); non sono polimeri ma si formano per condensazione.
- Le proteine sono polimeri di venti amminoacidi diversi e svolgono ruoli enzimatici, strutturali, di trasporto e di difesa immunitaria.
- DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi: il DNA conserva le informazioni genetiche, l'RNA partecipa alla sintesi delle proteine.
- I polimeri si formano per condensazione (eliminazione di acqua) e si scompongono per idrolisi (aggiunta di acqua).
Piccolo esercizio di verifica (sul quaderno): Disegna una tabella a quattro colonne, una per ciascuna classe di biomolecole. In ogni colonna scrivi i monomeri costitutivi, gli elementi chimici principali, due funzioni biologiche e un esempio concreto presente nella tua dieta o nel tuo corpo. Poi rispondi a questa domanda: "Se a pranzo assumo 60 g di pasta (carboidrati), 25 g di olio d'oliva (lipidi) e 20 g di petto di pollo (proteine), quante chilocalorie totali ho assunto?". Mostra tutti i passaggi del calcolo utilizzando i fattori energetici medi delle tre classi.