Oggi, la biologia molecolare spiega l’insieme dei processi viventi in termini di sostanze chimiche coinvolte con un approccio che ha rivoluzionato la biologia nel suo complesso. La Terra è composta in tutto da circa 92 elementi stabili, presenti in quantità variabili. Circa 16 elementi sono richiesti dalle cellule e sono, quindi, essenziali per la vita. Di conseguenza, l’elenco degli elementi essenziali è relativamente breve. Inoltre, circa il 99% della materia vivente è costituito da soli 4 elementi: carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Tali elementi costituiscono la maggior parte del nostro corpo , anche perché la maggior parte delle molecole presenti nelle cellule e negli organismi sono composti di carbonio combinati con idrogeno e ossigeno, compresi i carboidrati, i lipidi e gli acidi nucleici, i cosi detti composti organici. L’elemento azoto è combinato con carbonio, idrogeno e ossigeno in composti chiamati amminoacidi, da cui sono costruite le proteine. 

L’atomo di carbonio . Il carbonio ha proprietà uniche, così straordinarie che rendono possibile la vita.  Infatti, gli atomi si combinano per formare molecole adottando una disposizione stabile di elettroni nei gusci esterni di ciascun atomo. Gli atomi sono più stabili quando il loro guscio esterno di elettroni è completo. Il primo guscio elettronico di un atomo può contenere fino a due elettroni . Il secondo fino a un massimo di otto elettroni. Il carbonio è un atomo relativamente piccolo: ha quattro elettroni nel suo secondo guscio ed è in grado di formare quattro legami forti e stabili. I legami che uniscono gli atomi di carbonio sono chiamati legami covalenti. Nel legame covalente, gli elettroni sono condivisi tra gli atomi (vedi i 4 legami covalenti nel metano Fig.01 .01).I legami covalenti sono i legami più forti presenti nelle molecole biologiche. Questo significa che c’è bisogno del massimo apporto di energia per romperli e che forniscono una grande stabilità alle molecole biologiche, molte delle quali sono molto grandi. Gli atomi di carbonio sono anche in grado di formare legami covalenti con atomi di ossigeno, azoto e zolfo, formando diversi gruppi di molecole organiche con proprietà specifiche e di reagire tra loro per formare catene estese ed estremamente stabili. Questi “scheletri di carbonio” possono essere catene diritte, catene ramificate o anelli (Fig. 01.02).Esistono almeno due milioni e mezzo di composti organici, più del totale dei composti conosciuti di tutti gli altri elementi, in realtà. I quattro legami covalenti degli atomi di carbonio si dispongono agli angoli di un tetraedro regolare (una piramide a base triangolare) , perché le quattro coppie di elettroni si respingono e quindi si posizionano il più lontano possibile l’una dall’altra. Se ci sono diversi gruppi attaccati a ciascuno dei quattro legami attorno a un atomo di carbonio, ci sono due modi diversi di disporre i gruppi (Fig. 01.03).Questo può portare a forme di molecole che sono immagini speculari l’una dell’altra. Si dice che gli atomi di carbonio con quattro diversi atomi o gruppi attaccati siano asimmetrici. Inoltre , possono formare tra loro più di un legame e condividere due elettroni per formare un doppio legame. I composti del carbonio che contengono doppi legami carbonio=carbonio sono noti come “insaturi” (come i grassi insaturi di importanza biologica). Infatti, carbonio, azoto e ossigeno formano tutti doppi legami. Fortunatamente, tutti i composti del carbonio rientrano in un numero relativamente piccolo di “famiglie” di composti come gli alcoli, gli acidi organici, i chetoni e le aldeidi. Le famiglie sono identificate in base ad una parte della loro molecola che è il gruppo funzionale, che conferisce loro le proprietà chimiche caratteristiche. (Per la struttura chimica di questi gruppi funzionali  Fig. 01.04). Il resto della molecola organica è indicato come gruppo R. A causa di queste proprietà, esistono numerose molecole contenenti uno “scheletro” di carbonio. Ora sappiamo che gli organismi viventi controllano la loro composizione e le loro funzioni mediante una complessa rete di reazioni chimiche. Un risultato è la presenza nelle cellule di una vasta gamma di composti organici.

Metabolismo Le molecole coinvolte nel metabolismo sono chiamate collettivamente metaboliti .Molti metaboliti sono prodotti negli organismi, ma altri sono importati dall’ambiente, come sostanze alimentari, acqua e gas anidride carbonica e ossigeno. Il metabolismo in realtà consiste in catene (sequenze lineari) e cicli di reazioni chimiche catalizzate da enzimi ,catalizzatori biologici ,come succede nella respirazione, nella fotosintesi, nella sintesi proteica e in moltissimi altri percorsi (Fig.01.05). A seconda che comportino l’accumulo o la disgregazione di molecole organiche le reazioni possono essere classificate in due tipi: anaboliche e cataboliche. Nelle reazioni anaboliche, le molecole più grandi vengono formate da molecole più piccole. Esempi sono la sintesi di proteine da amminoacidi e la sintesi di polisaccaridi da zuccheri semplici. Le reazioni coinvolte includono le reazioni di condensazione. Nelle reazioni cataboliche, le molecole più grandi vengono scomposte. Esempi sono la digestione di cibi complessi e scomposizione degli zuccheri nella respirazione. Le reazioni coinvolte includono reazioni di idrolisi.

Metabolismo ed energia. Ogni molecola contiene una quantità di energia immagazzinata pari alla quantità di energia necessaria per sintetizzarla in primo luogo. Quindi l’energia chimica esiste nella disposizione strutturale degli atomi nella molecola, piuttosto che nei legami chimici tra gli atomi. Quando il glucosio viene ossidato in anidride carbonica e l’acqua nella respirazione delle cellule aerobiche viene trasferita energia che non è più in magazzino ma è in movimento, in energia attiva. In realtà, solo una parte dell’energia immagazzinata in una molecola è disponibile; è l’ energia libera, che può essere utilizzata per compiere lavoro. Le reazioni che rilasciano energia libera sono note come reazioni esoergoniche (Fig. 01.06).Le molecole di ATP lavorano nel metabolismo ,agendo come intermedi comuni, collegando le reazioni che richiedono energia e quelle che producono energia. L’ossidazione del glucosio è un esempio di reazione esoergonica. D’altra parte, le reazioni che richiedono energia sono chiamate reazioni endoergoniche. Le numerose reazioni endoergoniche che si verificano nel metabolismo sono rese possibili dall’accoppiamento di reazioni esoergoniche. L’accoppiamento avviene attraverso una molecola chiamata adenosina trifosfato (ATP), considerata la valuta energetica in biologia. Le molecole di ATP lavorano nel metabolismo agendo come intermedi comuni, collegando le reazioni che richiedono energia e quelle che producono energia. I processi metabolici coinvolgono principalmente l’ATP, direttamente o indirettamente. Osserviamo ora i metaboliti cellulari con la loro struttura chimica( Fig. 01.07).

L’ acqua Negli esseri viventi l’acqua costituisce la maggior parte della loro struttura ( il 65% e il 95% in massa della maggior parte delle piante e degli animali multicellulari e circa l’80% di una cellula umana) . L’acqua ha alcune proprietà insolite. La molecola è costituita da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno combinati insieme condividendo elettroni (legame covalente). Tuttavia, la molecola è triangolare piuttosto che lineare e il nucleo dell’atomo di ossigeno allontana gli elettroni (con carica negativa) dai nuclei di idrogeno (con carica positiva) – con una conseguenza interessante. Sebbene nel complesso la molecola sia elettricamente neutra, esiste una carica negativa sull’atomo di ossigeno e una carica positiva sugli atomi di idrogeno. In altre parole, la molecola d’acqua porta al suo interno una distribuzione ineguale di carica elettrica. Questa disposizione è nota come molecola polare (Fig. 01.08). Gli atomi di idrogeno caricati positivamente sono attratti dagli atomi di ossigeno caricati negativamente delle molecole d’acqua vicine, provocando forze chiamate legami idrogeno, legami deboli rispetto ai legami covalenti, ma abbastanza forti da tenere insieme le molecole d’acqua e da attrarre molecole d’acqua verso particelle cariche o verso una superficie carica. In effetti, i legami idrogeno rappresentano in gran parte le proprietà uniche dell’acqua. L’acqua ha una massa molecolare relativa di soli 18, eppure è un liquido a temperatura ambiente. Questo è sorprendente e contrasta con le piccole molecole come i gas, ad esempio il metano (CH4) di massa molecolare 16. Allo stesso modo, né l’ammoniaca (NH3 ) di massa molecolare 17 né l’anidride carbonica (CO2, 44) sono liquidi a temperatura ambiente. Ma nessuna di queste molecole contiene legami a idrogeno. Nei gas, le molecole sono ampiamente distanziate e libere di muoversi indipendentemente. Nei liquidi, le molecole sono più vicine tra loro. Nel caso dell’acqua, i legami idrogeno avvicinano molto le molecole l’una all’altra, per cui l’acqua è un liquido alle temperature e alla pressione che esistono su gran parte della superficie terrestre. Di conseguenza, abbiamo un mezzo liquido con proprietà termiche e solventi distintive. Per esempio, per aumentare la sua temperatura è necessaria molta energia termica per rompere i legami idrogeno che limitano i movimenti delle molecole. Questa proprietà è la sua capacità termica specifica che è la più alta di qualsiasi sostanza conosciuta. Di conseguenza, gli ambienti acquatici come ruscelli e fiumi, stagni, laghi e mari sono molto lenti a cambiare temperatura quando cambia la temperatura dell’aria circostante. Ecco perché gli ambienti acquatici hanno temperature molto più stabili rispetto agli ambienti terrestri. Un’altra conseguenza è che le cellule e i corpi dell’organismo non cambiano prontamente la temperatura. Gli organismi voluminosi, in particolare, tendono ad avere una temperatura corporea stabile di fronte a una temperatura circostante fluttuante, sia in condizioni estreme di caldo che di freddo. I legami idrogeno tra le molecole d’acqua rendono difficile la loro separazione ed evaporazione. Ciò significa che è necessaria molta energia per trasformare l’acqua liquida in vapore acqueo (gas). Questa quantità di energia è il calore latente di vaporizzazione, che per l’acqua è molto alta. Di conseguenza, la sua evaporazione nel sudore sulla pelle, o nella traspirazione delle foglie verdi, provoca un marcato raffreddamento. Le molecole in fuga portano con sé molta energia. La quantità di energia termica che deve essere sottratta all’acqua per trasformarla in ghiaccio è molto grande, così come quella necessaria per sciogliere il ghiaccio. Questa quantità di energia è il calore latente di fusione . Di conseguenza, sia il contenuto delle cellule che l’acqua nell’ambiente sono sempre lenti a congelare in condizioni di freddo estremo. La coesione è la forza con cui le singole molecole si uniscono. Le molecole d’acqua si uniscono a causa del legame idrogeno che si rompono e si riformano continuamente con altre molecole d’acqua circostanti .

L’ adesione è la forza con cui le singole molecole si aggrappano al materiale e alle superfici circostanti. I materiali con un’affinità per l’acqua sono descritti come idrofili. L’acqua aderisce fortemente alla maggior parte delle superfici e può essere aspirata lungo colonne, ad esempio attraverso tubi stretti come i vasi xilematici dei fusti delle piante, senza pericolo che la colonna d’acqua si rompa (Fig.01.09). Rispetto ad altri liquidi, ha proprietà adesive e coesive estremamente forti che ne impediscono la “rottura” sotto tensione. Collegata alla proprietà della coesione è la proprietà della tensione superficiale. Le molecole d’acqua più esterne formano legami idrogeno con le molecole d’acqua sottostanti. Ciò conferisce una tensione superficiale molto elevata, superiore a qualsiasi altro liquido eccetto il mercurio. La tensione superficiale dell’acqua è sfruttata dagli insetti che “pattinano in superficie” . La cuticola cerosa dell’insetto impedisce di bagnare il suo corpo e la sua massa non è abbastanza grande da rompere la tensione superficiale. Sotto la superficie, le molecole d’acqua scivolano l’una sull’altra molto facilmente. Questa proprietà è la bassa viscosità. Di conseguenza, l’acqua scorre facilmente attraverso capillari stretti e piccoli spazi e pori. Ancora, è un potente solvente per sostanze polari quali: sostanze ioniche come il cloruro di Sodio (Na+ e Cl– ); tutti i cationi (ioni caricati positivamente) e gli anioni (ioni caricati negativamente)che vengono circondati da un guscio di molecole d’acqua orientate , le molecole organiche contenenti carbonio con gruppi ionizzati (come il gruppo carbossilico –COO– e il gruppo amminico –NH3 +);le molecole organiche solubili come gli zuccheri che si dissolvono in acqua a causa della formazione di legami idrogeno con i loro gruppi idrossilici leggermente carichi (–OH) Una volta che si sono dissolte, le molecole (il soluto) sono libere di muoversi nell’acqua (il solvente) e, di conseguenza, sono chimicamente più reattive rispetto a quando si trovavano nel solido non disciolto. D’altra parte, le sostanze non polari sono respinte dall’acqua, come nel caso dell’olio sulla superficie dell’acqua, quindi sono idrofobiche (odiano l’acqua) (Fig.01.10).

Carboidrati e lipidi , composti di carbonio, idrogeno e l’ossigeno usati per fornire e immagazzinare energia. I carboidrati sono il gruppo più numeroso di composti organici presenti negli esseri viventi. Includono zuccheri, cellulosa, amido e glicogeno. I carboidrati sono composti che contengono solo tre elementi: carbonio, idrogeno e ossigeno, con idrogeno e ossigeno sempre presenti nel rapporto 2:1 (come lo sono in acqua – H2O), quindi possono essere rappresentati dalla formula generale Cx (H2O) y.

Si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Monosaccaridi , gli zuccheri semplici, sono carboidrati con molecole relativamente piccole. Hanno un sapore dolce e sono solubili in acqua. In biologia, il glucosio è un monosaccaride particolarmente importante perché: tutte le foglie verdi producono glucosio utilizzando l’energia della luce; i nostri corpi trasportano il glucosio nel sangue; tutte le cellule usano il glucosio nella respirazione; nelle cellule e negli organismi, il glucosio è l’elemento costitutivo di molte molecole più grandi.

Gli atomi di carbonio di una molecola organica possono essere numerati. Questo ci permette di identificare quali atomi sono interessati quando la molecola reagisce e cambia forma. Ad esempio, quando si forma l’anello di glucosio, l’ossigeno sul carbonio-5 si attacca al carbonio1. Si noti che l’anello di glucosio contiene cinque atomi di carbonio e un atomo di ossigeno (Fig.01.12).I composti che hanno gli stessi atomi componenti nelle loro molecole ma che differiscono nella disposizione degli atomi sono detti isomeri. Molti composti organici esistono in forme isomeriche. Ad esempio: nella struttura ad anello del glucosio le posizioni dei gruppi –H e –OH che sono attaccati all’atomo di carbonio 1 possono scambiarsi, dando origine a due isomeri noti come ÿ-glucosio e ÿ-glucosio; un composto organico che ha quattro diversi raggruppamenti chimici attaccati a un singolo atomo di carbonio dà origine a un modello tridimensionale che può essere costruito in due modi. Questi sono identici tranne per il fatto che sono immagini speculari l’uno dell’altro. Le due forme di gliceraldeide sono esempi (Fig.01.12). Hanno le stesse proprietà chimiche, ma in soluzione ruotano il piano della luce piano-polarizzata in direzioni opposte, e quindi sono gli isomeri ottici. Una forma ruota il piano della luce polarizzata a destra e si dice che sia destrogira (rappresentata nel nome da D-), e l’altra ruota il piano della luce polarizzata a sinistra e si dice che sia levogira (rappresentata da L-).Monosaccaridi importanti nelle cellule viventi sono il glucosio, fruttosio e galattosio , esempi di zuccheri esosi che si trovano comunemente nelle cellule e negli organismi. Altri zuccheri monosaccaridi prodotti dalle cellule e utilizzati nel metabolismo includono: – zuccheri a 3 atomi di carbonio (triosi), primi prodotti della fotosintesi; zuccheri a 5 atomi di carbonio (pentosi), vale a dire ribosio e desossiribosio.

I polisaccaridi sono formati da moltissimi residui di monosaccaridi condensati insieme. Ogni residuo è legato da un legame glicosidico( “Poli” significa molti ). Quindi un polisaccaride è un esempio di molecola gigante, una macromolecola. Normalmente, ogni polisaccaride contiene un solo tipo di monomero. La cellulosa è un esempio, costruita dal monomero glucosio. La cellulosa è di gran lunga il carboidrato più abbondante: costituisce oltre il 50% di tutto il carbonio organico. Le pareti cellulari delle piante verdi e i detriti delle piante sul suolo sono i luoghi in cui si trova la maggior parte della cellulosa. È un materiale estremamente resistente: insolubile, resistente e durevole e leggermente elastico. Le fibre di cellulosa sono diritte e non avvolte. Quando vengono estratte dalle piante, le fibre di cellulosa hanno molti usi industriali, come cotone, le trasformiamo in carta, fibre di rayon per la produzione di abbigliamento, nitrocellulosa per esplosivi, acetato di cellulosa per fibre multiuso e cellophane per imballaggi. La cellulosa è un polimero di molecole di ÿ-glucosio unite insieme da legami glicosidici tra il carbonio-4 di una molecola di ÿ-glucosio e il carbonio-1 della successiva. Le successive unità di glucosio sono collegate a 180° l’una all’altra (Figura 01.15). Questa struttura è stabilizzata e rafforzata da legami idrogeno tra unità di glucosio adiacenti nello stesso filamento e, nelle fibrille di cellulosa, anche da legami idrogeno tra filamenti paralleli. Nelle pareti delle cellule vegetali la forza aggiuntiva deriva dalle fibre di cellulosa che vengono deposte in strati che corrono in direzioni diverse.

L’amido è una miscela di due polisaccaridi: – l’amilosio è una catena non ramificata di diverse migliaia di unità ÿ-glucosio legate in 1,4 .- L’amilopectina ha catene più corte di 1,4 unità ÿ-glucosio legate ma, in aggiunta, ci sono punti di diramazione di 1,6 legami lungo le sue catene (Figura 01.16) .Nell’amido, i legami tra i residui di glucosio uniscono le molecole come un’elica. L’intera molecola è stabilizzata da innumerevoli legami idrogeno tra parti delle molecole componenti di glucosio. L’amido è il principale carboidrato di riserva della maggior parte delle piante. Si deposita in grani compatti nei plastidi chiamati leucoplasti. E’ un’importante fonte di energia anche nella dieta di molti animali. La sua utilità risiede nella compattezza e insolubilità della sua molecola. Inoltre, viene prontamente idrolizzato per formare lo zucchero quando richiesto. A volte vediamo l”amido solubile’ come ingrediente di cibi lavorati. Qui le sue molecole sono state scomposte in brevi tratti, rendendole più facilmente dissolte.

Il glicogeno è un polimero di ÿ-glucosio, chimicamente molto simile all’amilopectina, anche se più grande e più ramificato. Il glicogeno è una delle riserve energetiche del nostro corpo e viene utilizzato e respirato secondo necessità. Granuli di glicogeno sono visibili nelle cellule del fegato , nelle fibre muscolari e in tutti i tessuti del corpo umano. L’unica eccezione è nelle cellule del cervello. Qui non vengono immagazzinate praticamente riserve di energia. Invece, le cellule cerebrali richiedono un apporto costante di glucosio dalla circolazione sanguigna(Figura 0 1.17).

I lipidi contengono gli elementi carbonio, idrogeno e ossigeno, così come i carboidrati, ma la percentuale di ossigeno è molto inferiore. Sono presenti come grassi animali e oli vegetali e anche come fosfolipidi delle membrane cellulari. Grassi e oli sembrano sostanze piuttosto diverse, ma la loro unica differenza è che a circa 20ºC (temperatura ambiente) gli oli sono liquidi e i grassi solidi. I lipidi sono insolubili in acqua. In effetti, generalmente si comportano come molecole che “odiano l’acqua”, una proprietà descritta come idrofobica. Tuttavia, possono essere disciolti in solventi organici, come alcol (ad esempio etanolo) e propanone (acetone). I grassi e gli oli trigliceridi sono formati da reazioni tra acidi grassi e un alcol chiamato glicerolo, in cui viene rimossa l’acqua (reazione di condensazione). Tre acidi grassi si combinano con un glicerolo per formare un trigliceride. Per la struttura di un acido grasso, che si trova comunemente nelle cellule e del glicerolo , e poi per i passaggi per la formazione dei trigliceridi Fig. 01.21. Nelle cellule, gli enzimi catalizzano la formazione di trigliceridi e anche la scomposizione dei gliceridi per idrolisi .Gli acidi grassi presenti nei grassi e negli oli hanno lunghe “code” di idrocarburi. Questi sono tipicamente lunghi circa 16-18 atomi di carbonio, ma possono essere lunghi tra 14 e 22. Le proprietà idrofobiche dei trigliceridi sono dovute a queste code di idrocarburi. Una molecola di trigliceridi è abbastanza grande, ma relativamente piccola rispetto alle macromolecole polimeriche come l’amido e la cellulosa. È solo a causa delle loro proprietà idrofobiche che le molecole di trigliceridi si aggregano in enormi globuli in presenza di acqua, dando loro l’aspetto di macromolecole.

Descriviamo le molecole di acidi grassi come “acidi” perché il loro gruppo funzionale (–COOH) tende a ionizzare leggermente per produrre ioni idrogeno – che è la proprietà di un acido: COOH yz –COO– + H+.È questo gruppo funzionale di ciascuno dei tre acidi organici che reagisce con i tre gruppi funzionali COH del glicerolo per formare un trigliceride. I legami formati in questo caso sono noti come legami estere (Figura 1.19).

Lipidi saturi e insaturi. Abbiamo visto che gli acidi grassi combinati in un trigliceride possono variare in lunghezza. Ma, gli acidi grassi presenti nei lipidi alimentari (i lipidi che mangiamo comunemente) variano anche in un altro modo più importante. Per comprendere questa differenza bisogna ricordare che gli atomi di carbonio, combinati insieme in catene, possono contenere uno o più doppi legami. Un doppio legame si forma quando atomi di carbonio adiacenti condividono due coppie di elettroni, piuttosto che la singola coppia di elettroni. I composti del carbonio che contengono doppi legami carbonio=carbonio sono noti come composti insaturi . Quando invece tutti gli atomi di carbonio di una molecola organica sono uniti insieme da legami singoli (la catena idrocarburica è costituita da –CH2–CH2– ripetuti più e più volte), allora il composto è saturo. Questa differenza è di particolare importanza negli acidi grassi che sono componenti dei nostri lipidi alimentari (Figura 1.20).I lipidi costituiti esclusivamente da acidi grassi saturi sono noti come grassi saturi .I Grassi saturi sono i principali costituenti di burro, strutto, sugna e burro di cacao .I lipidi costituiti da uno o più acidi grassi insaturi sono indicati come grassi insaturi . Questi si trovano in quantità significative in molti grassi e oli comuni: costituiscono circa il 70% dei lipidi presenti nell’olio d’oliva. Dove c’è un singolo doppio legame nella catena di carbonio di un acido grasso, il composto viene indicato come un acido grasso monoinsaturo. Tuttavia, è possibile che ci siano due o più doppi legami nella catena del carbonio. I lipidi con due (e talvolta tre) doppi legami sono presenti in grandi quantità negli oli di semi vegetali, come mais, soia e olio di semi di girasole. Questi sono esempi di acidi grassi polinsaturi. I grassi con acidi grassi insaturi si sciolgono a una temperatura inferiore rispetto a quelli con acidi grassi saturi, perché le loro code di idrocarburi insaturi non si raccolgono così strettamente come fanno quelle dei grassi saturi. Questa differenza tra grassi saturi e polinsaturi è importante nella produzione di creme spalmabili come la margarina e burro, poiché queste “si spalmano meglio, direttamente dal frigorifero”. I grassi polinsaturi sono importanti per la salute delle nostre arterie.

In molte molecole organiche, la rotazione di una parte della molecola rispetto a un’altra parte è possibile attorno a un singolo legame covalente –C–C–. Tuttavia, quando due atomi di carbonio sono uniti da un doppio legame (–C=C–) non c’è libertà di rotazione in questo punto della molecola. Noi possiamo dimostrare il significato di ciò in un acido grasso monoinsaturo di formula chimica C17H33COOH, dove il doppio legame si verifica nel punto medio della catena idrocarburica, tra gli atomi di carbonio 9 e 10 (Figura 1.21). In una possibile forma di questa molecola, le due parti della catena idrocarburica si trovano sullo stesso lato del doppio legame. Questa molecola è la forma cis dell’acido. La forma alternativa ha le due parti della catena idrocarburica su lati opposti. Questa è la forma trans della molecola .I grassi cis e trans sono significativi perché: i nostri enzimi possono “riconoscere” la differenza tra le forme cis e trans delle molecole e i loro siti attivi ; gli enzimi del metabolismo lipidico generalmente riconoscono e possono innescare il metabolismo delle forme cis , ma non delle forme trans; le diete ricche di grassi trans aumentano il rischio di malattia coronarica aumentando i livelli di colesterolo LDL nel sangue e abbassando i livelli di colesterolo HDL .Gli acidi grassiOmega-3 sono un gruppo selezionato di acidi grassi polinsaturi presenti in natura. Sono chimicamente speciali in quanto hanno da tre a sei doppi legami nella coda degli idrocarburi e, in particolare, il primo doppio legame è sempre posizionato tra il terzo e il quarto atomo di carbonio dall’estremità opposta (omega) della catena idrocarburica a il gruppo carbossilico. Un certo numero di acidi grassi omega-3 si trovano negli oli vegetali e di pesce e si ritiene che siano particolarmente benefici . Quando i trigliceridi vengono ossidati nella respirazione, viene trasferita molta energia e utilizzata per produrre, ad esempio, ATP. Massa per massa, i grassi e gli oli trasferiscono più del doppio dell’energia rispetto ai carboidrati, quando vengono respirati. Questo perché i grassi sono relativamente bassi in atomi di ossigeno (il carbonio dei lipidi è più ridotto di quello dei carboidrati), quindi più ossigeno nella respirazione dei grassi proviene dall’atmosfera. Nell’ossidazione dei carboidrati, più ossigeno è presente nella molecola di carboidrati stessa. Grassi e oli, quindi, formano una riserva di energia concentrata. Poiché sono insolubili, la presenza di grasso o olio nelle cellule non provoca acqua osmotica di captazione. Un deposito di grasso è tipico soprattutto degli animali che sopportano lunghe stagioni sfavorevoli in cui sopravvivono con riserve di cibo immagazzinate nel corpo. Gli oli sono spesso un importante deposito di energia nelle piante, nei loro semi e frutti, ed è comune che frutti e semi – inclusi mais, olive e semi di girasole – siano usati commercialmente come fonte di oli commestibili per l’uomo. La completa ossidazione di grassi e oli produce una grande quantità di acqua, molto di più rispetto a quando la stessa massa di carboidrati viene respirata. Gli animali del deserto come il cammello e il topo del deserto trattengono gran parte di questa acqua metabolica all’interno del corpo, aiutandoli a sopravvivere quando non c’è acqua liquida da bere. Lo sviluppo degli embrioni di uccelli e rettili, mentre si trovano nei loro gusci, beneficia anche dell’acqua metabolica formata dall’ossidazione del grasso immagazzinato nel tuorlo d’uovo. Il colesterolo lipidico è un particolare lipide, uno steroide, che ha una struttura chimica diversa da quella degli acidi grassi. Lo “scheletro” di uno steroide è un insieme di complessi anelli di atomi di carbonio; la maggior parte della molecola è idrofoba, ma il gruppo polare –OH è idrofilo (Figura01.21). Il colesterolo è presente nel plasma sanguigno e ha importanti funzioni nel corpo: è un componente essenziale delle membrane plasmatiche di tutte le cellule; contribuisce alla produzione degli ormoni sessuali progesterone, estrogeni e testosterone e anche una certa crescita gli ormoni .Inoltre, I sali biliari sono sintetizzati da esso. Questi composti sono necessari per il trasporto di lipidi in il plasma sanguigno. Di conseguenza, il colesterolo è essenziale per un metabolismo normale e sano. Un essere umano adulto che segue una dieta a basso contenuto di colesterolo forma circa 800 mg di colesterolo nel fegato ogni giorno. Tuttavia, le diete ricche di acidi grassi saturi (cioè grassi animali) spesso portano a livelli anormalmente elevati di colesterolo nel sangue. L’eccesso di colesterolo nel sangue, presente come LDL, può causare l’aterosclerosi, la progressiva degenerazione delle pareti delle arterie. Una conseguenza diretta di ciò è una maggiore probabilità di formazione e circolazione di coaguli di sangue, che portano a ictus e attacchi di cuore (noti come infarti del miocardio).Gli acidi grassi omega-3, d’altra parte, possono aiutare a prevenire le malattie cardiache riducendo la tendenza del sangue a formare coaguli e dandoci membrane plasmatiche sane e ben funzionanti ricche di fibre muscolari cardiache.Il fosfolipide ha una struttura chimica simile al trigliceride; qui, uno dei gruppi di acidi grassi è sostituito dal fosfato (Figura 0 1.22) Questo fosfato è ionizzato ed è, quindi, solubile in acqua. Quindi i fosfolipidi combinano le proprietà idrofobiche delle code di idrocarburi con le proprietà idrofile del fosfato. Le molecole di fosfolipidi formano mono strati e doppi strati in acqua.

 Le proteine – hanno una vasta gamma di funzioni negli organismi viventi. Esse costituiscono circa i due terzi della massa secca totale di una cellula. Differiscono dai carboidrati e dai lipidi in quanto contengono l’elemento azoto e, solitamente l’elemento zolfo, oltre a carbonio, idrogeno e ossigeno. Gli amminoacidi sono le molecole da cui vengono costruiti i peptidi e le proteine , in genere diverse centinaia o addirittura migliaia di molecole di amminoacidi vengono combinate insieme per formare una proteina. Si noti che i termini “polipeptide” e “proteina” possono essere usati in modo intercambiabile ma, quando un polipeptide è lungo circa 50 residui di amminoacidi, è generalmente accettato che sia diventato una proteina. Come suggerisce il nome, gli amminoacidi sono formati da due gruppi: 1) un gruppo amminico (–NH2) ;2) un gruppo acido organico (gruppo carbossilico –COOH). Questi gruppi sono attaccati allo stesso atomo di carbonio negli amminoacidi che si accumulano nelle proteine. Attaccata qui c’è una parte della catena laterale della molecola, chiamata gruppo R. Le proteine degli esseri viventi sono costituite da soli 20 amminoacidi diversi, in proporzioni diverse. Basta notare che i gruppi R di questi amminoacidi sono tutti molto diversi e di conseguenza gli amminoacidi (e le proteine che li contengono) hanno caratteristiche chimiche differenti (Figura 01.23). Due amminoacidi si combinano insieme con la perdita di acqua per formare un dipeptide. Questo è un altro esempio di reazione di condensazione. Il gruppo amminico di un amminoacido reagisce con il gruppo carbossilico dell’altro, formando un legame peptidico (Figura 01.24). Un’ulteriore reazione di condensazione tra il dipeptide e un altro amminoacido si traduce in un tripeptide. In questo modo si formano lunghe catene di residui amminoacidici, uniti da legami peptidici. Si assemblano così peptidi o catene proteiche, un amminoacido alla volta, in presenza di un enzima specifico. Le proteine differiscono nella varietà, nel numero e nell’ordine degli amminoacidi che le costituiscono. L’ordine di amminoacidi nella catena polipeptidica è controllata dalle istruzioni codificate memorizzate nel DNA dei cromosomi nel nucleo. La modifica di un amminoacido nella sequenza di una proteina può alterarne completamente le proprietà. Una volta costruita la catena, una proteina assume una forma specifica importante per le proteine perché correlata alla loro funzione. Questo è particolarmente vero nelle proteine che sono enzimi, come vedremo. I quattro livelli di struttura di una proteina sono mostrati nella Fig. 01.26. Quando una proteina perde la sua forma tridimensionale, diciamo che è stata denaturata. Il calore o una piccola deviazione del pH dall’optimum possono avere questo effetto. Quando questo accade a piccole proteine, si scopre che generalmente ritornano alla loro forma precedente, una volta rimosse le condizioni che hanno innescato la denaturazione. Questa osservazione ha suggerito che è semplicemente la sequenza amminoacidica di una proteina che decide la sua struttura terziaria. Questo potrebbe essere vero per molti polipeptidi e piccole proteine. Tuttavia, nella maggior parte delle proteine all’interno dell’ambiente cellulare, il ripiegamento è un processo rapido in cui sono normalmente coinvolte alcune proteine accessorie, compresi gli enzimi. Questi possono determinare la forma tanto o più della struttura primaria (Fig.01.25).

Ogni individuo ha un proteoma unico. La maggior parte degli organismi assemblano le proprie proteine dagli stessi amminoacidi, ma le proteine di ogni singolo organismo sono uniche. Il proteoma è l’intero insieme di proteine espresse dal genoma del singolo organismo. È perché il genoma, l’insieme delle informazioni genetiche di un organismo, è unico per ogni individuo che anche il proteoma che fa esprimere le proteine in geni è unico.

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