Le biomolecole sono i mattoni della vita e il metabolismo è l'insieme delle reazioni chimiche che, dentro le cellule, le costruiscono, le demoliscono e ne ricavano energia per ogni nostra attività.
Introduzione: dalla colazione alle cellule
Quando al mattino mangiate una fetta di pane integrale con marmellata e un bicchiere di latte, state introducendo nel vostro corpo un campionario completo di biomolecole: amido, zuccheri semplici, proteine del glutine e della caseina, grassi del burro, vitamine e sali minerali. Nel giro di poche ore queste sostanze verranno scomposte nei loro monomeri, assorbite dall'intestino e distribuite alle cellule attraverso il sangue, dove parteciperanno a reazioni chimiche straordinariamente coordinate. Le biomolecole non sono solo cibo: sono anche i componenti strutturali delle vostre membrane cellulari, gli enzimi che digeriscono il pasto, gli ormoni che regolano la sazietà e il DNA che custodisce le istruzioni per costruire ogni vostro tessuto. Comprendere queste molecole significa capire come la materia inerte si organizzi per dare origine ai fenomeni della vita, dalla contrazione di un muscolo al pensiero che state formulando ora. Il metabolismo, parola che deriva dal greco metabolē (cambiamento), è il flusso continuo di trasformazioni chimiche che mantiene un organismo in vita e lontano dall'equilibrio termodinamico. Studiare biomolecole e metabolismo, quindi, è il modo con cui la chimica racconta la biologia.
I carboidrati: energia pronta e strutture di sostegno
I carboidrati, o glucidi, sono composti formati da carbonio, idrogeno e ossigeno con formula generale (CH₂O)ₙ e rappresentano la principale fonte di energia immediatamente disponibile per le cellule. Si distinguono in monosaccaridi come glucosio, fruttosio e galattosio, in disaccaridi come saccarosio (zucchero da tavola) e lattosio (zucchero del latte), e in polisaccaridi come amido, glicogeno e cellulosa. Un esempio quotidiano illuminante è la differenza tra una patata e un foglio di carta: entrambi sono ricchi di unità di glucosio, ma nella patata il glucosio è unito da legami α-glicosidici che noi possiamo digerire grazie all'amilasi, mentre nella carta i legami β-glicosidici della cellulosa resistono ai nostri enzimi e attraversano intatti l'intestino. Il glicogeno è la forma di riserva animale, accumulato soprattutto nel fegato e nei muscoli, e viene mobilizzato rapidamente durante uno sforzo fisico o un digiuno notturno per mantenere costante la glicemia. La cellulosa, invece, costituisce la parete delle cellule vegetali e per noi rappresenta la fibra alimentare, fondamentale per la salute intestinale anche se non energetica. La formazione di un disaccaride avviene per condensazione, con eliminazione di una molecola d'acqua, mentre la sua scissione richiede idrolisi, ovvero l'aggiunta d'acqua: questa coppia di reazioni è uno dei principi unificanti della biochimica.
I lipidi: riserva energetica e architettura delle membrane
I lipidi sono una categoria eterogenea di molecole accomunate dall'insolubilità in acqua e dalla solubilità nei solventi organici; comprendono i trigliceridi, i fosfolipidi, gli steroidi e le cere. I trigliceridi, costituiti da glicerolo esterificato con tre acidi grassi, rappresentano la più efficiente forma di riserva energetica: ogni grammo libera circa 9 kcal contro le 4 kcal di un grammo di carboidrati o proteine, e proprio per questa densità energetica gli animali migratori, come le rondini che attraversano il Sahara, accumulano grasso prima del lungo viaggio. Gli acidi grassi possono essere saturi, con tutti legami singoli tra i carboni, oppure insaturi, con uno o più doppi legami che introducono pieghe nella catena e abbassano il punto di fusione: per questo il burro è solido a temperatura ambiente mentre l'olio d'oliva è liquido. I fosfolipidi, dotati di una testa polare idrofila e di due code idrofobe, si organizzano spontaneamente in acqua formando il doppio strato che costituisce ogni membrana cellulare, una struttura selettiva e dinamica come un setaccio intelligente. Tra gli steroidi spicca il colesterolo, indispensabile per la fluidità delle membrane e precursore di ormoni come testosterone, estrogeni e cortisolo, oltre che dei sali biliari che emulsionano i grassi nell'intestino. Non tutti i lipidi servono come riserva: le cere proteggono dalla disidratazione le foglie e le penne degli uccelli, mentre i pigmenti carotenoidi delle carote sono lipidi che svolgono funzioni protettive e di segnalazione.
Le proteine: macchine molecolari versatili
Le proteine sono polimeri di amminoacidi uniti da legami peptidici e rappresentano le molecole più versatili del mondo vivente, capaci di svolgere funzioni strutturali, catalitiche, di trasporto, di difesa, di movimento e di regolazione. Esistono venti amminoacidi standard, di cui nove essenziali per l'uomo perché il nostro organismo non sa sintetizzarli e dobbiamo introdurli con la dieta, motivo per cui una alimentazione vegetariana ben bilanciata deve combinare cereali e legumi per ottenere il profilo amminoacidico completo. La struttura di una proteina si organizza su quattro livelli gerarchici: la struttura primaria è la sequenza lineare degli amminoacidi, la secondaria comprende le α-eliche e i foglietti β stabilizzati da legami a idrogeno, la terziaria è il ripiegamento tridimensionale complessivo e la quaternaria descrive l'associazione di più catene polipeptidiche, come avviene nell'emoglobina con le sue quattro subunità. Un esempio quotidiano della relazione struttura-funzione è ciò che accade quando cuocete un uovo: il calore rompe i legami deboli che mantenevano ripiegate le proteine dell'albume, le catene si srotolano e si aggrovigliano formando una rete solida e bianca, fenomeno chiamato denaturazione e generalmente irreversibile. Gli enzimi sono proteine specializzate nella catalisi: abbassano l'energia di attivazione delle reazioni biochimiche e funzionano con una specificità da serratura-chiave verso il proprio substrato, come la lattasi che riconosce e idrolizza solo il lattosio. Senza enzimi le reazioni metaboliche sarebbero così lente da rendere impossibile la vita.
Gli acidi nucleici e il metabolismo energetico
Gli acidi nucleici, DNA e RNA, sono polimeri di nucleotidi formati da una base azotata, uno zucchero pentoso e un gruppo fosfato; conservano e trasmettono l'informazione genetica che dirige la sintesi di tutte le proteine cellulari. Il DNA, organizzato in doppia elica nei cromosomi, è il deposito stabile dell'informazione, mentre l'RNA messaggero ne porta una copia operativa ai ribosomi dove l'informazione viene tradotta in sequenze proteiche. Una molecola particolarmente importante è l'ATP, adenosina trifosfato, considerata la moneta energetica universale della cellula perché libera energia immediatamente utilizzabile quando uno dei suoi legami fosfato terminali viene idrolizzato. Il metabolismo si divide in catabolismo, che demolisce le molecole complesse liberando energia, e anabolismo, che costruisce molecole complesse consumando energia: queste due vie sono strettamente accoppiate dall'ATP e dai coenzimi NAD⁺ e FAD, che trasportano elettroni. La respirazione cellulare aerobica è la via catabolica più importante: parte dal glucosio, lo demolisce attraverso glicolisi, ciclo di Krebs e catena respiratoria, e produce fino a circa trenta molecole di ATP per ogni glucosio, restituendo CO₂ e acqua come prodotti finali. Esiste anche una via anaerobica, la fermentazione, che vi è familiare ogni volta che mangiate yogurt (fermentazione lattica) o pane lievitato (fermentazione alcolica dei lieviti) e che vi si attiva nei muscoli durante uno scatto intenso, producendo acido lattico e quella sensazione di bruciore.
Ricorda
- Le quattro classi di biomolecole sono carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici, ciascuna con funzioni specifiche e con strutture strettamente legate al ruolo biologico.
- I monomeri si uniscono per condensazione con perdita di acqua e si separano per idrolisi con aggiunta di acqua: è il principio di costruzione e demolizione di quasi tutte le macromolecole.
- Gli enzimi sono proteine catalitiche altamente specifiche che rendono possibili e veloci le reazioni del metabolismo.
- Il metabolismo si articola in catabolismo, che libera energia, e anabolismo, che la consuma; l'ATP è la moneta energetica che collega le due vie.
- La respirazione cellulare aerobica produce molto più ATP della fermentazione anaerobica, ma quest'ultima permette di continuare a produrre energia in assenza di ossigeno.
Esercizio di verifica attivo: sul tuo quaderno disegna uno schema a blocchi che parta dalla fetta di pane della colazione e arrivi alla produzione di ATP in una cellula muscolare. Indica esplicitamente: 1) la digestione dell'amido in glucosio (precisando l'enzima coinvolto), 2) l'assorbimento intestinale e il trasporto ematico, 3) la glicolisi nel citoplasma con il bilancio netto di ATP, 4) il ciclo di Krebs nella matrice mitocondriale con i coenzimi ridotti prodotti, 5) la catena respiratoria sulla membrana mitocondriale interna con il ruolo dell'ossigeno. Sotto lo schema, scrivi in cinque righe cosa cambierebbe se la stessa cellula muscolare lavorasse in carenza di ossigeno durante uno sprint.