Biomolecole e Metabolismo Cellulare: Funzioni e Processi Energetici

Le Biomolecole

Le biomolecole, molecole sintetizzate dagli esseri viventi, si dividono in quattro classi fondamentali:

• Carboidrati
• Lipidi
• Proteine
• Acidi nucleici

I Carboidrati

I carboidrati, o glucidi, rappresentano la prima fonte di energia per gli organismi. Tra i carboidrati troviamo gli zuccheri, come il glucosio (C₆H₁₂O₆).

In base al numero di unità base che li costituiscono, si distinguono in:

• Monosaccaridi
• Disaccaridi
• Polisaccaridi

I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici. A seconda del numero di atomi di carbonio, si dividono in triosi, tetrosi, pentosi, esosi, ecc.

Se la molecola contiene un gruppo aldeidico viene detta aldoso, se contiene un gruppo chetonico è un chetoso.

L'isomeria ottica

Le molecole che presentano carboni chirali (atomi di carbonio legati a 4 sostituenti diversi tra loro) hanno la capacità di deviare la luce polarizzata. Le lettere D e L indicano la deviazione verso destra o verso sinistra della luce rispetto al piano della luce polarizzata.

Si tiene conto della posizione del gruppo ossidrile (—OH) del carbonio C5: se è a destra la configurazione è D, se è a sinistra è L. Gli isomeri D o L sono diffusi in quantità diversa in natura e spesso hanno una funzionalità diversa negli organismi.

Formule di Haworth

I monosaccaridi si presentano prevalentemente in forma ciclica; per rappresentarli si utilizzano le formule di Haworth. La chiusura dell’anello avviene tramite la reazione tra il gruppo —OH e il gruppo aldeidico o chetonico. Le lettere α e β distinguono la posizione del gruppo —OH:

• Se il gruppo —OH è rivolto verso il basso, la configurazione è α.
• Se il gruppo —OH è rivolto verso l'alto, la configurazione è β.

Gli anelli a cinque termini sono detti furanosi (come il fruttosio), mentre quelli a sei termini sono detti piranosi (come il glucosio).

I Disaccaridi

I disaccaridi derivano dall’unione di due monosaccaridi. Alcuni esempi fondamentali sono:

• Maltosio (α-D-glucosio + α-D-glucosio)
• Lattosio (β-D-glucosio + β-D-galattosio)
• Saccarosio (α-D-glucosio + β-D-fruttosio)

I Polisaccaridi

I polisaccaridi derivano dall’unione di molte unità di monosaccaridi (da 100 a più di 3000). I più importanti sono:

• L'amido: riserva di carboidrati tipica delle piante.
• Il glicogeno: riserva di carboidrati tipica degli animali.
• La cellulosa: con funzione strutturale nelle piante.

I polisaccaridi possono legarsi alle proteine della superficie cellulare formando le glicoproteine: quelle presenti sui globuli rossi consentono di classificare i quattro gruppi sanguigni (A, B, AB, 0).

I Lipidi

I lipidi sono composti insolubili in acqua (idrofobi) ma solubili in solventi organici apolari. Svolgono diversi ruoli fondamentali:

• Riserva energetica concentrata (grassi).
• Ruolo strutturale (costituenti della membrana cellulare).
• Ruolo funzionale (ormoni steroidei, vitamine liposolubili).

I grassi, gli oli e le cere sono trigliceridi. Essi sono formati da glicerina e tre molecole di acidi grassi, le cui catene (R—, R′—, R″—) possono essere sature o insature.

Distinguiamo i lipidi in:

• Grassi solidi (grassi animali): ricchi di acidi grassi saturi.
• Grassi liquidi (oli vegetali): ricchi di acidi grassi insaturi, come gli acidi oleico, linoleico e linolenico.

I Fosfolipidi

I fosfolipidi sono lipidi contenenti acido fosforico. Appartengono a questo gruppo i fosfogliceridi, costituenti essenziali delle membrane biologiche, formati da glicerina, due molecole di acidi grassi e un gruppo fosfato legato a un gruppo X.

Le membrane cellulari sono composte da un doppio strato fosfolipidico, le cui code idrofobiche sono orientate verso l’interno, mentre le teste idrofile si orientano verso il mezzo acquoso esterno (extracellulare) e l’interno della cellula (citoplasma).

Classificazione e Funzioni

• Saponificabili: trigliceridi e fosfolipidi (contengono acidi grassi).
• Non saponificabili: ormoni steroidei e vitamine liposolubili.
• Saponi: sali degli acidi grassi prodotti dalla reazione tra un acido grasso e un metallo alcalino. Presentano una parte polare idrofila e una parte apolare idrofoba (lipofila).

Le funzioni principali dei lipidi includono la riserva energetica, la funzione strutturale, funzionale e protettiva (come il sebo).

Le Proteine

Le proteine, o peptidi, sono presenti in ogni cellula vivente e sono indispensabili per il funzionamento dell’organismo. Sono biopolimeri formati da monomeri chiamati amminoacidi. La loro complessità varia in base al numero di monomeri:

• Peptidi: pochi amminoacidi.
• Polipeptidi: qualche decina di amminoacidi.
• Proteine: centinaia o migliaia di amminoacidi.

Gli amminoacidi sono costituiti da un carbonio stereogenico legato a un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale R, specifica per ogni amminoacido. A seconda del pH, possono comportarsi sia da acido che da base (comportamento anfotero).

Gli amminoacidi si uniscono tramite il legame peptidico tra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico di un altro, con la liberazione di una molecola di acqua.

Livelli di Organizzazione delle Proteine

1. Struttura primaria: l'ordine sequenziale degli amminoacidi nella catena.
2. Struttura secondaria: ripiegamenti locali della catena (alfa-elica o foglietto-beta) stabilizzati da legami a idrogeno.
3. Struttura terziaria: conformazione tridimensionale complessiva dovuta a interazioni tra le catene laterali.
4. Struttura quaternaria: unione di più catene polipeptidiche (subunità).

La perdita della conformazione nativa è detta denaturazione. Le proteine si dividono in:

• Proteine fibrose: insolubili e robuste (es. cheratina dei capelli, collagene dei tendini).
• Proteine globulari: solubili e con funzioni dinamiche (es. enzimi, ormoni, emoglobina).

Gli Enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori biologici altamente specifici. Agiscono su molecole dette substrati legandosi a esse in una regione specifica chiamata sito attivo.

Il processo segue queste fasi: il substrato si lega al sito attivo formando il complesso enzima-substrato (E-S), avviene la reazione, si formano i prodotti e l'enzima si rigenera per un nuovo ciclo catalitico.

Gli Acidi Nucleici

Il DNA (acido deossiribonucleico) e l'RNA (acido ribonucleico) sono i depositari dell’informazione genetica. Sono polimeri di nucleotidi, composti da una base azotata, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e un gruppo fosfato.

Le basi azotate del DNA sono: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). Nel DNA, l'adenina si lega sempre alla timina (A-T) e la guanina alla citosina (G-C). Nell'RNA, la timina è sostituita dall'uracile (U).

Metabolismo ed Energia Cellulare

Le reazioni chimiche cellulari richiedono il superamento di una soglia chiamata energia di attivazione. I catalizzatori accelerano le reazioni abbassando tale soglia senza essere consumati.

Gli enzimi agiscono come biocatalizzatori, avvicinando i reagenti e indebolendo i loro legami chimici.

Sito attivo: luogo fisico dove si inseriscono i substrati. L'unione tra enzima e substrato può modificare la conformazione dell'enzima stesso (adattamento indotto).

L'attività enzimatica può essere regolata da inibitori (competitivi o non competitivi) e può richiedere la presenza di cofattori o coenzimi. Inoltre, ogni enzima ha un pH ottimale e una temperatura ottimale di funzionamento.

L'ATP (Adenosina Trifosfato)

L'ATP è la principale molecola di scambio energetico della cellula. È formata da adenina, ribosio e tre gruppi fosfato. Quando un legame fosfato si rompe, l'ATP diventa ADP (adenosina difosfato), liberando energia utilizzabile dalla cellula.

Trasporto Cellulare

La membrana regola il passaggio delle sostanze:

• Trasporto passivo: avviene secondo gradiente di concentrazione, senza consumo di energia.
• Trasporto attivo: avviene contro gradiente di concentrazione e richiede energia (ATP).
• Esocitosi: espulsione di grandi sostanze tramite vescicole.
• Endocitosi: ingresso di grandi sostanze tramite l'invaginazione della membrana.

La Fotosintesi Clorofilliana

La fotosintesi è un processo anabolico ed endotermico che trasforma l'energia luminosa in energia chimica (glucosio). Avviene nei cloroplasti grazie a pigmenti come la clorofilla.

Si divide in due fasi:

• Fase luminosa: l'energia solare viene catturata per produrre ATP e ossigeno (dall'acqua).
• Fase oscura (Ciclo di Calvin): l'ATP e la CO₂ vengono utilizzati per sintetizzare il glucosio.

Equazione generale: 6CO₂ + 6H₂O + energia solare → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

La Respirazione Cellulare

La respirazione cellulare è un processo catabolico che demolisce il glucosio per produrre energia. Coinvolge coenzimi come il NAD+ e il FAD.

Equazione generale: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energia (ATP)

Le quattro fasi della demolizione del glucosio sono:

1. Glicolisi: avviene nel citoplasma; trasforma il glucosio in piruvato producendo 2 ATP e 2 NADH.
2. Reazione preparatoria: il piruvato entra nel mitocondrio e diventa Acetil-CoA, liberando CO₂.
3. Ciclo di Krebs: serie di reazioni che producono ATP, NADH, FADH₂ e CO₂.
4. Trasporto degli elettroni: avviene sulla membrana interna del mitocondrio; gli elettroni ceduti dai coenzimi permettono la produzione della maggior parte dell'ATP (fino a 32 molecole totali).

In assenza di ossigeno o mitocondri, la cellula ricorre alla sola glicolisi, producendo solo 2 ATP.