Le molecole organiche

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Categoria:Biologia

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MOLECOLE ORGANICHE
Le molecole organiche sono quelle molecole contenenti carbonio che si trovano negli esseri viventi. Una singola cellula batterica contiene circa 5000 tipi differenti di molecole. Queste migliaia di molecole sono costituite da pochi elementi (CHNOPS) e pochi tipi di molecole svolgono ruoli fondamentali nei sistemi viventi. Negli organismi si trovano in grandi quantita` quattro tipi differenti di molecole organiche: i carboidrati (costituite dagli zuccheri), i lipidi (molecole non polari che comprendono i grassi e le cere), le proteine (costituite da aminoacidi) e i nucleotidi (molecole complesse che giocano un ruolo chiave negli scambi energetici e che possono combinarsi per formare molecole grandi dette acidi nucleici). Tutte queste molecole contengono carbonio, idrogeno e ossigeno; le proteine contengono anche azoto e zolfo, mentre i nucleotidi e alcuni tipi di lipidi contengono azoto e fosforo.
IL RUOLO CENTRALE DEL CARBONIO
Lo scheletro del carbonio
Un atomo di carbonio possiede sei protoni e sei elettroni, due nel primo livello di energia e quattro nel secondo. Un atomo di carbonio puo` quindi formare legami covalenti con un massimo di quattro atomi differenti. Molto importante per la funzione biologica e` il fatto che gli atomi di carbonio possano formare legami tra loro. La forma complessiva di una molecola organica dipende dalla disposizione degli atomi di carbonio che compongono lo scheletro della molecola. La forma della molecola a sua volta determina le molte proprieta` e funzioni all'interno dei sistemi viventi.
I composti costituiti soltanto da carbonio e idrogeno sono detti idrocarburi; essi sono i tipi piu` semplici tra i composti organici: nonostante gran parte di loro si forma dai resti di organismi morti milioni di anni fa, non sono molto importanti nei sistemi viventi, mentre hanno una grande importanza dal punto di vista economico in quanto tutti i combustibili liquidi sono idrocarburi.
I gruppi funzionali
Le proprieta` chimiche di una molecola organica derivano principalmente da gruppi di atomi detti gruppi funzionali; questi si attaccano allo scheletro del carbonio e sostituiscono uno o piu` atomi di idrogeno presenti nella molecola dell'idrocarburo. Il gruppo -OH (ossidrilico)e` un esempio di gruppo funzionale: quando un atomo di idrogeno si lega covalentemente ad un atomo di ossigeno, un elettrone esterno dell'ossigeno rimane spaiato e puo` formare un legame covalente con un atomo di carbonio. Un idrocarburo che contiene un gruppo ossidrilico al posto di uno o piu` atomi di idrogeno e` chiamato alcool.
Molti gruppi funzionali sono polari e hanno zone di carica positiva e zone di carica negativa. Conferiscono quindi solubilita` e carica elettrica locale alle molecole che li contengono.

Il fattore energia
I legami covalenti sono stabili, forti e hanno elettroni che si muovono in orbitali posti attorno a due o piu` nuclei atomici. Questi legami possiedono forze differenti secondo la disposizione degli orbitali. Anche gli atomi che compongono le molecole sono in continuo movimento, vibrando e ruotando attorno agli assi dei loro legami; se questo movimento diventa sufficientemente rapido, cioe` se gli atomi possiedono abbastanza energia cinetica, i legami si spezzano e si separano l'uno dall'altro. La forza di legame è espressa in termini di energia (kilocalorie per mole) necessaria per spezzare il legame in condizioni standard di temperatura e pressione.
Quando un legame covalente si spezza, gli atomi si separano e ciascun atomo di solito si riprende il proprio elettrone; si ottengono cosi` atomi che tornano ad avere i livelli energetici esterni incompleti e quindi non sono stabili. Gli atomi cercheranno di formare nuovi legami covalenti per stabilizzarsi che saranno identici o diversi da quelli precedenti secondo gli atomi che si trovano nelle immediate vicinanze. Le reazioni chimiche in cui si formano nuove combinazioni spesso riguardano un cambiamento nelle configurazioni elettroniche e nella forza dei legami. Secondo le forze relative dei legami spezzati e quelli riformati, il sistema libera o cattura energia.
Nei sistemi viventi si sono evolute strategie per ridurre al minimo l'energia richiesta per avviare un'equazione e la percentuale d'energia liberata sotto forma di calore che possono avvenire grazie agli enzimi, molecole proteiche specializzate; gli enzimi sono componenti essenziali delle reazioni degli esseri viventi.
CARBOIDRATI: ZUCCHERI E POLIMERI DEGLI ZUCCHERI
I carboidrati sono le principali molecole di riserva di molti esseri viventi e costituiscono anche molti componenti strutturali delle cellule viventi.
I carboidrati si formano con piccole molecole dette zuccheri. Ci sono tre tipi di carboidrati che si classificano secondo il numero di zuccheri che contengono: i monosaccaridi (zuccheri semplici), come il glucosio e il fruttosio, contengono una sola molecola di zucchero; i disaccaridi sono formati da due molecole di zucchero unite da un legame covalente, come saccarosio e lattosio; i polisaccaridi, come la cellulosa e l’amido, contengono molte molecole di zucchero legate tra loro. Le grosse molecole costituite da subunita` simili o identiche sono dette polimeri e le subunita` monomeri.
Monosaccaridi: energia pronta per i sistemi viventi
I monosaccaridi sono composti organici formati da carbonio, idrogeno e ossigeno; possono essere rappresentati con la formula (CH²O)n. A causa di questi rapporti numerici, gli zuccheri e le molecole piu` grandi formate da zuccheri sono anche definiti carboidrati (“idrati del carbonio”).
I monosaccaridi sono caratterizzati dalla presenza di un gruppo ossidrilico e da un gruppo aldedico o chetonico: questi sono gruppi funzionali che rendono gli zuccheri molto solubili in soluzioni acquose e, nelle molecole con più di cinque atomi di carbonio, modificano drasticamente la struttura della molecola. In soluzione, il gruppo aldedico o chetonico tende a reagire con il gruppo ossidrilico dando vita a una struttura ciclica. Quando si forma “l’anello”, il gruppo ossidrilico, che si trova sul primo atomo di carbonio, puo` trovarsi al di sopra o al di sotto rispetto al piano dell’anello: la forma che presenta il gruppo ossidrilico al di sotto del piano e` detta alfa-glucosio; quella in cui il gruppo ossidrilico si trova al di sopra del piano e` detta beta-glucosio (nel caso del glucosio).
Questa piccola differenza tra alfa e beta glucosio puo` condurre nei sistemi viventi a differenze significative riguardo alle proprietà delle macromolecole formate da glucosio.
Come avviene negli idrocarburi, la combustione o ossidazione, produce anidride carbonica e acqua.
CH²O)n + nO² (CO²)n + (H²O)n
Questa reazione libera energia sotto forma di calore.
Una delle principali risorse d’energia per l’uomo e per gli altri vertebrati e` il glucosio. Generalmente e` in questa forma che viene trasportato lo zucchero negli animali.
Disaccaridi: forme di trasporto
In molti organismi gli zuccheri sono spesso trasportati come disaccaridi. Il saccarosio e` la forma in cui le cellule fotosintetiche nelle piante trasportano lo zucchero alle altre parti del corpo vegetale. Il saccarosio e` costituito da glucosio e fruttosio. Molti insetti trasportano lo zucchero nel sangue sotto forma di trealosio, costituito da due unita` di glucosio unite insieme. Un altro comune disaccaride e` il lattosio, costituito da glucosio e galattosio.
Una molecola d’acqua viene eliminata nella formazione di nuovi legami tra due monosaccaridi. Questa reazione chimica e` detta condensazione. Quando un disaccaride e` scisso nei due monosaccaridi che lo compongono, la molecola d’acqua viene di nuovo aggiunta. Questa scissione e` detta idrolisi e libera energia.
Polisaccaridi di riserva
I polisaccaridi sono costituiti da monosaccaridi legati in lunghe catene; alcuni di essi costituiscono le forme di riserva degli zuccheri. L’amido e` il principale polisaccaride vegetale di riserva. Puo` essere presente sotto forma di amilosio e amilopectina: entrambe le forme consistono di molecole di glucosio unite tra loro.
Il glicogeno e` il principale zucchero di riserva degli animali superiori. Ha una struttura simile a quella dell’amilopectina ma e` molto piu` ramificato. Nei vertebrati il glicogeno e` immagazzinato principalmente nel fegato e nei tessuti muscolari. Quando nella corrente sanguigna il glucosio e` presente in eccesso, nel fegato si accumula glicogeno. Quando, invece, la concentrazione di glucosio nel sangue diminuisce, l’ormone glaucone prodotto dal pancreas e` liberato nella corrente sanguigna: il glaucone stimola il fegato ad idrolizzare il glicogeno in glucosio che entra nel flusso sanguigno. La formazione di polisaccaridi da monosaccaridi richiede energia. Di conseguenza, quando le cellule hanno bisogno di energia, questi polisaccaridi possono essere idrolizzati a monosaccaridi che, a loro volta, possono essere ossidati e fornire cosi` l’energia per le funzioni cellulari.
Polisaccaridi di struttura
Nei sistemi viventi una delle piu` importanti funzioni molecolari e` quella di formare i composti strutturali di cellule e tessuti. La principale molecola di struttura delle piante e` la cellulosa nella quale e` contenuta la meta` di tutto il carbonio organico presente della biosfera.
Le molecole di cellulosa costituiscono la parte fibrosa della parete delle cellule vegetali: le fibre di cellulosa formano un involucro esterno intorno alla cellula vegetale.
La cellulosa e` un polimero del glucosio, come l’amido e il glicogeno. Tutti i sistemi viventi possono usare l’amido e il glicogeno come fonti di energia, ma solo pochi organismi possono idrolizzare la cellulosa. Questo dipende dalla struttura dei tre carboidrati. L’amido e il glicogeno sono interamente costituiti da unita` alfa. La cellulosa invece, e` formata interamente da unita` beta. Questa lieve differenza ha un effetto profondo sulla struttura tridimensionale delle molecole che si allineano parallele formando microfibrille di cellulosa cristallina, inattaccabili dagli enzimi che demoliscono i polisaccaridi di riserva.
La chitina, che e` il principale componente dell’esoscheletro degli insetti, e` un altro resistente tipo di polisaccaride.
Molecole organiche

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