LA CHIMICA FACILE - Lezione 13 - Le Biomolecole

Lezione 13 del mio corso della chimica facile. In questa lezione parleremo delle molecole della vita. Introdurrà il concetto di biochimica, vedremo quali sono gli atomi che costituiscono gli esseri viventi e poi parleremo dell'importanza dell'acqua per la vita. E cominceremo con le biomolecole, quindi introdurre il concetto di polimeri e vedremo in particolare i carboidrati, i lipidi, amminoacidi, le proteine e gli acidi nucleici. E infine vedremo le singole funzioni biologiche di queste molecole.

Cominciamo. La vita è un fenomeno naturale ancora misterioso ed in parte sconosciuto. La cosa certa affermata fino ad ora è la necessità di una sorgente energetica costante e continua nel tempo. La vita stessa è costituita da un insieme di complesse interazioni chimiche fisiche, messo in moto è mantenuto in equilibrio tra un costante flusso energetico. Sulla terra ci sono due sorgenti energetiche che hanno alimentato la vita per miliardi di anni: quella solare e tutti quanti conosciamo perché alimentari e le medie ci insegnano la fotosintesi e l'importanza delle piante per la catena alimentare. E quella che pochi conoscono, ma che di fatto è stata la prima sorgente energetica sua terra, ovvero quella geotermica. Infatti, sulla terra ci sono queste due fonti energetiche che sono state costanti e continue per miliardi di anni, lo sono ancora oggi, che praticamente alimentano tutta la vita del pianeta. In particolare, le sorgenti geotermiche sono stati il luogo in cui è cominciata alle vita. Poi questa si è voluta e ha saputo sfruttare anche l'energia solare. Quindi la vita fotosintetica, che si basa su l'energia cliente da sole, è venuta dopo di quella invece che è nata e si è voluta intorno alle sorgenti geotermiche.

La vita è un fenomeno in cui materia ed energia danno origine ai dei sistemi complessi che possono reagire con l'ambiente per mantenere un ordine complesso, una combinazione perfetta di elementi che danno origine a materia vivente. Le sue caratteristiche sono: ricettività, ovvero percepisce l'ambiente esterno e reagisce in base ai cambiamenti dell'ambiente esterno; crescita, la vita tende a crescere e ad aumentare la sua massa; poi trasformazione di energia, la vita, tutte le forme di vita sono caratterizzati dalla capacità di saper assorbire l'energia dell'ambiente e saperla trasformare in processi chimici e fisici; poi la riproduzione, la vita esiste sulla terra da miliardi di anni perché continua a trasmettere le sue caratteristiche a generazioni future, quindi si riproduce. Se la vita non avesse avuto questa capacità, si sarebbe estinta molto tempo fa; e poi ancora il metabolismo, ovvero la capacità di utilizzare l'energia assorbita dall'ambiente esterno per costruire molecole complesse a partire da molecole semplici. Queste sono solo le caratteristiche principali della vita. Poi ratta ci possono essere anche altre, ma in particolare caritas può essere definita in base a queste caratteristiche. Sappiamo che è un fenomeno naturale, probabilmente è diffusa in tutto l'universo, ma l'unico caso che possiamo studiare è qui sulla terra. Anche se ci sono sospetti che su altri mondi del sistema solare possa esserci la vita, gli scienziati continuano inviare i sogni e tutto il sistema negli ambienti dove sembrano esserci le condizioni perché si possa formare la vita, dalle lune di Giove a Marte. E adesso pare anche vedere sia un nuovo candidato. Ma in definitiva possiamo anche identificarla con questa definizione: vita chimica autosufficiente e capace di evoluzione darwiniana per selezione naturale.

Vediamo ora qual è la chimica della vita. Tutte le forme di vita sulla terra sono costituite principalmente da quattro soli atomi e sono: idrogeno, che compone il 9,5% di tutte le forme di vita del pianeta; l'ossigeno, che compone il 65%; il carbonio, il 18,5%; e l'azoto, il 3%. Tutte le forme di vita sulla terra sono caratterizzate da essere costituite da questi quattro atomi. Poi ci sono anche altri 20 che hanno un peso molto minore, ma comunque siano delle funzioni importantissime che sono: sodio e potassio, il calcio e fosforo, zolfo e ferro. Però principalmente la maggior parte della biomassa del pianeta è costituita da questi quattro atomi. E qui vediamo un grafico che ci fa vedere in proporzione le singole componenti. L'ossigeno è praticamente componente più diffuso nella biomassa terrestre. Però studiando la vita sulla terra, gli scienziati hanno scoperto che non bastano solo questi quattro atomi per avere la vita, perché questi quattro atomi sono anche tra i più diffusi dell'universo, però non è detto che ci sia vita ovunque ci sono questi quattro atomi. Serve un'altra condizione, ovvero un ambiente perfetto o un solvente perfetto, ovvero un ambiente dove questi elementi possono interagire e formare le complesse molecole che costituiscono gli esseri viventi. E sulla terra il solvente indispensabile per la vita è l'acqua. E pare che l'acqua possa essere solvente per la vita ovunque. Infatti, i nostri scienziati stanno cercando acqua liquida nel sistema solare, perché acqua liquida significa un ambiente idoneo alla vita. Questa è una luna di Giove, Europa, dove gli scienziati sospettano fortemente ci sia un oceano di acqua liquida sotto la crosta ghiacciata del satellite. E pare che non sia l'unico satellite ghiacciato del sistema solare a ospitare oceani sotterranei sotto la crosta. Poi gli scienziati stanno scoprendo negli ultimi anni in molti altri pianeti intorno ad altre stelle. E questo è uno dei tanti pianeti scoperti di recente. In particolare, questo è un pianeta della stella Trappist-1, una nana rossa, che ospita diversi pianeti rocciosi, di cui tre all'interno della zona abitabile, ovvero quella zona intorno a una stella dove un pianeta si trova alla giusta distanza per poter ospitare acqua liquida in superficie. Quindi gli scienziati sono alla caccia di acqua su altri mondi, perché tutto quello che abbiamo studiato in biologia in questi anni ci suggerisce che acqua liquida significa vita. Quindi dove c'è acqua liquida, ci sono le condizioni affinché le molecole si organizzino a formare qualcosa di simile alla vita.

Andiamo avanti e vediamo perché l'acqua è un solvente perfetto. Infatti, questo è un paesaggio di come doveva essere la terra all'inizio della sua formazione. L'acqua è sempre stata presente fin da subito, perché era un prodotto di degassazione dei vulcani e proveniva dal cielo sotto forma di comete che cascavano sul pianeta. Quest'acqua accumulata negli oceani del pianeta ha creato un ambiente fisicamente chimicamente idoneo alla formazione della vita. Perché l'acqua è così importante? Questa è la molecola d'acqua, l'abbiamo già vista nelle lezioni precedenti. Vediamo che l'acqua ha una forma particolare, infatti è una molecola molto polarizzata, perché è caratterizzata da un legame idrogeno, in cui abbiamo un grosso ossigeno elettronegativo che crea un polo negativo in un lato della molecola e due piccoli idrogeni positivi che creano due poli positivi dall'altra parte della molecola. Quindi la molecola è fortemente polarizzata. Questa capacità di essere polarizzata le permette di sciogliere e mantenere in soluzione molte sostanze chimiche. Infatti, oggi i mari sono salati perché sciolgono le rocce della crosta terrestre, quindi sali rimangono in sospensione nell'acqua. Questa caratteristica di poter sciogliere le rocce e mantenere in sospensione molte sostanze chimiche, ma anche di essere polarizzata, le permette di poter favorire tutte quelle reazioni chimiche e la realizzazione di tutte quelle molecole che oggi riconosciamo nel fenomeno della vita. E come ho detto prima, in particolare la vita sembra essere nata proprio dalle sorgenti geotermali in fondo all'oceano, dove il calore della terra forniva quella sorgente energetica costante e continua indispensabile alla vita, e dove di fatto poi l'acqua, ricca di sostanze chimiche provenienti dalle sorgenti termali e interagendo con quelle delle sorgenti dell'oceano, hanno creato quelle condizioni che hanno messo in moto i complessi meccanismi metabolici che oggi caratterizzano gli esseri viventi. E il fatto stesso che l'acqua a questa caratteristica di solvente ed è liquida alle giuste temperature idonee alla vita, lo rende l'ambiente ideale, perfetto affinché si possano realizzare le condizioni per poter dare origine alla vita. Per questo gli scienziati che stanno studiando altri mondi stanno cercando ambienti con acqua su altri mondi, perché dove c'è acqua, ci sono le condizioni perché ci sia la vita.

Andando avanti, vediamo in particolare quali sono le biomolecole che studieremo in questa lezione. Parleremo dei lipidi, vedremo i carboidrati, quindi gli zuccheri, parleremo degli acidi nucleici, DNA ed RNA, ma non solo. E poi infine vedremo gli amminoacidi e le proteine. Tutte queste molecole sono costituite principalmente da quattro elementi chimici principali che sono idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto.

Cominciamo la nostra lezione parlando dei polimeri, perché vedremo che le molecole organiche sono caratterizzate da essere dei polimeri. Che cosa sono i polimeri? Le molecole chimiche sono caratterizzate dal fenomeno della polimerizzazione, ovvero della concatenazione di elementi simili chiamati monomeri, che vanno a costituire catene lineari, ramificate o espanse, che costituiscono il punto focale su cui si sviluppa la complessità della biochimica. Abbiamo un elemento chiamato monomero, che sarebbe praticamente una molecola con formula ben definita, e poi abbiamo il polimero, che è una catena di questo elemento che si ripete all'infinito. Quindi il polimero è una catena di monomeri che si possono ripetere in conformazioni diverse: da lineari, ramificate o anche estese. Le molecole organiche sono molto complesse e la loro complessità è proprio data dal grado di polimerizzazione dei monomeri di base su cui sono composti. Ad esempio, abbiamo glucosio e saccarosio per i carboidrati, amminoacidi per le proteine, acidi grassi per oli e burro, e poi nucleotidi per gli acidi nucleici.

Quindi vedremo in particolare queste biomolecole. Cominciamo dai carboidrati. I carboidrati sono molecole molto importanti, costituente principali delle piante sotto forma di cellulosa e fonte energetica per tutti gli organismi. Calcolate che la cellulosa è la componente di tessuto organico più diffusa sulla terra. Immaginate solamente quante piante ci sono sulla terra. Sono le molecole organiche più semplici prodotte dalla fotosintesi e alla base di tutte le catene alimentari fotosintetiche. La fotosintesi è questa, la vedremo in particolare in biologia, e consiste in sei molecole di anidride carbonica che reagiscono con sei molecole di acqua, che mi danno una molecola di zucchero, in particolare glucosio (C6H12O6) e sei atomi di ossigeno, che per nostra fortuna vengono rilasciati in atmosfera sotto forma di scarto. Oggi l'atmosfera della terra è ricca di ossigeno e ci permette di respirare perché le piante producono in continuazione tramite la fotosintesi tantissimo ossigeno. Però il loro scopo non è produrre ossigeno, il loro scopo è produrre zucchero. L'ossigeno è il prodotto di scarto che ha letteralmente riempito l'atmosfera di questo gas per noi molto prezioso. Il glucosio, in particolare, è il monomero base di molti carboidrati importanti per la vita. Nella sua forma monomerica, ovvero la molecola singola, si presenta in versione ciclica come figura qui accanto. Questa è la molecola, ma in natura noi la vediamo sempre appallottolata in versione ciclica. Quindi questa molecola si chiude a cerchio in questo modo, e questo è il monomero di glucosio che vediamo negli esseri viventi. Forma un esagono dove abbiamo nei sei vertici 5 carboni e un ossigeno.

Andiamo avanti e vediamo a livello biologico perché sono così importanti i carboidrati. In particolare, sono importanti per la loro funzione energetica. I carboidrati conservano energia nei loro legami chimici e sono le molecole biologiche più semplici utilizzate come carburante nei metabolismi degli esseri viventi. Quando noi andiamo a fare attività fisica, la prima cosa che bruciamo sono gli zuccheri, il glucosio. Quando il nostro corpo finisce di bruciare gli zuccheri, comincia a bruciare i grassi come combustibile di riserva. Con la loro ossidazione, infatti, che avviene tramite il metabolismo cellulare, rilasciano energia utile ai processi vitali di tutte quante le cellule. Un grammo di glucosio rilascia fino a 4 kcal di energia. Poi abbiamo anche la funzione di riserva. I carboidrati possono essere conservate come riserva. Infatti, sia vegetali che gli animali hanno modi diversi per compattarle e immagazzinarle. Nei vegetali lo vediamo sotto forma di amido, mentre negli animali sotto forma di glicogeno. Lo vedremo a breve in particolare. E poi la funzione strutturale. I carboidrati possono essere molecole costituenti degli esseri viventi. La cellulosa e le fibre vegetali sono catene sviluppate e ramificate di zuccheri. Gli animali di zuccheri possono costituire parte della membrana cellulare, associate a delle proteine. E gli erbivori, infatti, ricavano gli zuccheri che bruciano dalla cellulosa dei vegetali che mangiano. Quindi, in particolare, le funzioni biologiche di queste molecole sono tre: energetica, quando vengono bruciati nel metabolismo delle cellule; di riserva, quando vengono immagazzinate come scorta energetica per momenti futuri; e poi funzione strutturale, costituiscono le pareti delle membrane cellulari vegetali. Quindi, in particolare, costituiscono le piante.

Andiamo avanti e parliamo dei carboidrati monosaccaridi. I carboidrati sono tutti quei composti costituiti da un carbonio e l'equivalente di una molecola d'acqua. Infatti, non a caso si chiamano carboidrati, ovvero carbonio più acqua. La formula generica è questa, o meglio questa in particolare, ovvero per ogni atomo di carbonio c'è lo stesso equivalente di acqua. Facciamo degli esempi: se io ho tre atomi di carbonio, devo avere l'equivalente di tre molecole d'acqua, quindi tre carboni più tre H2O. Allora la molecola carboidrato diventa C3H6O3, ovvero il rapporto tra il carbonio e l'ossigeno è 1 a 1, invece tra il carbonio e l'idrogeno e l'ossigeno a idrogeno è 2 a 1. Quindi su tre carboni, ho sei idrogeni e tre ossigeni. Se ho quattro carboni, ho quattro carboni, otto idrogeni e quattro ossigeni. Se ho cinque carboni, ho cinque carboni, dieci idrogeni e cinque ossigeni. Se ho sei carboni, ho sei carboni, dodici idrogeni e sei ossigeni. I primi si chiamano triosi, ovvero gli zuccheri composti da tre carboni. I secondi sono tetrosi, ovvero quattro, quindi sono gli zuccheri costituiti da quattro carboni. I terzi sono i pentosi, ovvero i carboidrati con 5 carboni, e li vedremo in particolare quando faremo gli acidi nucleici. E infine gli ultimi sono gli esosi, ovvero i carboidrati con 6 carboni, e sono quelli più importanti nel caso dell'alimentazione del metabolismo biologico. Lo vedremo anche quando faremo i metabolismi nella prima lezione. Utilizziamo uno zucchero a tre carboni, un trioso, per poter vedere in che modo si possono distinguere gli zuccheri. Quindi consideriamo la catena carboniosa con tre carboni, perché abbiamo detto che è un trioso. Ci mettiamo i gruppi OH e gli idrogeni, e nell'ultimo carbonio c'è il gruppo funzionale aldeide. Allora, cosa dobbiamo dire di questa molecola? I carboni non interessati dal gruppo funzionale aldeide sono carboni con ibridazione sp3, infatti ciascuno di loro ha quattro legami singoli con il carbonio circostante e con idrogeno e gruppo OH. Mentre il carbonio della catena che in questo zucchero si trova al vertice della catena, coinvolto nel gruppo funzionale aldeide, con ibridazione sp2, e di conseguenza i tre legami, di cui due singoli e uno doppio, sono impegnati con il carbonio della catena, con l'idrogeno e con un ossigeno. Questo è lo zucchero in versione aldeide, ovvero caratterizzato dal gruppo funzionale aldeide. Poi esiste l'altra versione dello zucchero. Prendiamo sempre la catena carboniosa, però stavolta il gruppo funzionale interessa un carbonio dentro la catena, quindi il carbonio ibridato sp2 si trova all'interno della catena ed è interessato da un gruppo funzionale chetonico. Vi ricordo che il gruppo funzionale chetonico è quello che consiste in un ossigeno legato con doppio legame a un carbonio interno della catena ibridato sp2. Questa versione di zucchero si chiama chetonica. Quindi lo zucchero può essere in versione aldeide, se è caratterizzato da un gruppo funzionale aldeide al vertice della catena, oppure si può presentare in versione chetonica, se caratterizzato da un gruppo funzionale chetonico all'interno della catena.

In questa slide possiamo vedere due tabelle, dove abbiamo gli zuccheri in versione aldose e gli zuccheri in versione chetonica, o chiamati anche chetosi. Quindi li vediamo distinti in: aldotriosi, aldopentosi, aldoesosi. Nel caso di chetosi: chetosi, chetotetrosi, chetopentosi e chetoesosi. Qui sono evidenziati in giallo quelli più importanti anche a livello biologico, per esempio, nel caso degli aldosi abbiamo importanti il trioso di gliceraldeide, il pentoso di ribosio e 2-deossi-ribosio, e tra gli esosi il glucosio e il galattosio. Queste "di" ci dicono che la molecola è sviluppata in versione destrosa, vuol dire che esiste anche una versione simmetrica in cui la molecola è sviluppata a sinistra, però a livello biologico sono importanti queste versioni. Nel caso dei chetoni abbiamo di importante il triosio diidrossiacetone e l'esoso di fruttosio. Sono tutti quanti zuccheri che poi vedremo anche come importanti molecole biologiche. Però normalmente i carboidrati si organizzano in una struttura ciclica e a volte le molecole con la stessa formula bruta si possono organizzare in molecole conformi struttura diversa. Questa è la molecola dell'esoso, importante il glucosio (C6H12O6). Il glucosio lo possiamo trovare in natura in versione ciclica, dove abbiamo la formazione di un esagono in cui dei sei vertici, 5 sono carboni e 1 ossigeno, abbiamo una coda esterna come CH2OH. Questo qui è il glucosio. La stessa molecola si può montare a formare invece un pentagono, in cui dei cinque vertici, quattro sono carboni e uno ossigeno, con esternamente due code CH2OH. Questo è il fruttosio. Quindi abbiamo due versioni dell'esoso, fruttosio e glucosio, che hanno la stessa formula bruta. Queste due versioni sono molto importanti in biologia. Quindi possiamo semplicemente dire che già qui abbiamo due forme isomeriche molto importanti. Poi a loro volta si possono suddividere in ulteriori forme isomeriche in base a come sono sviluppati i vari gruppi attaccati ai carboni. Quindi qui possiamo vedere che in queste versioni questi due elementi sono invertiti, sono semplicemente due versioni isomeriche della stessa molecola.

Nel glucosio, in questa lezione non scenderemo nel dettaglio delle varie versioni isomeriche che può assumere questa molecola, però sappiate che è molto versatile e che in biologia determinate molecole sono caratterizzate da versioni isomeriche. Lo vedremo soprattutto quando faremo gli acidi nucleici.

Andiamo avanti e vediamo come si possono presentare queste forme cicliche. Ad esempio, anche qui possiamo avere una conformazione a sedia o a barca nel caso degli esosi, in cui l'esagono può essere piegato in questo modo o in quest'altro modo. Addirittura può capitare che la stessa molecola possa modificare la sua morfologia in base alle condizioni dell'ambiente in cui si trova. Qui vediamo una migliore rappresentazione di questa molecola. La parte più scura e più spessa ci dà un'immagine in prospettiva. Praticamente in questa rappresentazione, i trattini più spessi vogliono dare un senso di profondità a quest'immagine, infatti i tratti più scuri sono quelli rivolti verso noi, l'osservatore, mentre quelli più sottili verso la profondità della raffigurazione. Dobbiamo però ricordarci che questi atomi di carbonio sono tutti ibridati sp3, a parte quello del gruppo funzionale, e quindi il loro angolo caratteristico è di 109,5 gradi.

Andiamo avanti e vediamo come monosaccaridi possono reagire tra loro formando dei complessi. Ad esempio, possiamo avere un monosaccaride che si lega con un altro monosaccaride formando un disaccaride, ovvero due. Questo è il disaccaride, ovvero una molecola formata da due saccaridi o monosaccaridi legati insieme. Possiamo avere anche diversi monosaccaridi legati insieme formando gli oligosaccaridi, se sono meno di dieci. Quindi quando queste catene di disaccaridi non superano il valore di 10 elementi, vengono da tre a dieci elementi, si possono considerare oligosaccaridi. Oligo vuol dire pochi. Se invece sono caratterizzati da molti elementi, anche centinaia o migliaia, vengono definiti polisaccaridi, ovvero tanti saccaridi. Li vedremo adesso in dettaglio.

Cominciamo dai disaccaridi. Si formano ogni volta che due monosaccaridi si legano formando un disaccaride. I più importanti sono: glucosio più fruttosio, che mi dà una molecola di saccarosio. Vi ricordo che questo simbolo ci dice che ogni volta che si legano, abbiamo l'emissione di una molecola d'acqua. Però, se comunemente chiamato zucchero, a temperatura e pressione ambientale si presenta allo stato solido oppure si discioglie in soluzione. Poi abbiamo il maltosio, ottenuto dal legame di due monosaccaridi di glucosio. Anche qui, quando questi due glucosio si legano, abbiamo l'emissione di una molecola d'acqua. E il maltosio, conosciuto come zucchero di malto, è formato per condensazione di due molecole di glucosio. Presenta diverse forme isomeriche. Poi ancora abbiamo il glucosio più galattosio. Anche qui, il loro legame va a emettere una molecola d'acqua e mi formano il lattosio. Il lattosio costituisce circa il 5% del latte dei mammiferi, con diverse distribuzioni delle diverse specie e soprattutto diverse contributi calorici percentuali nel latte stesso. Allora, ogni volta che due monosaccaridi si legano, abbiamo l'emissione di una molecola d'acqua. In questo caso, il processo si chiama condensazione. Quando nei processi di digestione, dove alcuni enzimi vanno a rompere questo legame, abbiamo invece l'assorbimento di una molecola d'acqua e il processo si chiama idrolisi o idratazione, perché ha bisogno di acqua per poter rompere questi legami. Poi lo vedremo quando faremo i processi metabolici.

Andiamo avanti e parliamo invece adesso dei polisaccaridi. Abbiamo visto che tra i disaccaridi e polisaccaridi esiste anche la famiglia degli oligosaccaridi, però in realtà a livello biologico hanno poca importanza, mentre ci interessano moltissimo i polisaccaridi, che sono in particolare l'amido, il glicogeno e anche la cellulosa. Cominciamo dall'amido. I polisaccaridi sono quei carboidrati complessi dove abbiamo un numero di monosaccaridi maggiore di 10 legati tra loro, però ovviamente qui stiamo parlando di centinaia o migliaia di saccaridi legati insieme. Nel caso dell'amido, questi possono formare catene singole o catene debolmente ramificate. Le catene singole le chiamiamo amilosio, quelle debolmente ramificate amilopectina. L'amido è un polisaccaride vegetale, lo troviamo nel pane, nel riso, della pasta, nelle patate, nei cereali, e praticamente il 20% è di tipo amilosio, ovvero a catena singola, mentre l'80% si presenta sotto forma di amilopectina, ovvero catena debolmente ramificata. Poi abbiamo il glicogeno. Una volta che mangiamo o digeriamo degli zuccheri o dell'amido, quelli che non vengono processati subito devono essere immagazzinati e vengono immagazzinati sotto forma del glicogeno, ovvero questo polisaccaride altamente ramificato. Vedete qui la ramificazione molto complessa, che ha lo scopo di immagazzinare e mantenere gli zuccheri di riserva fin quando servono. Dov'è che vengono immagazzinati? Negli animali, il fegato è l'organo che accumula glicogeno per poter essere rilasciato quando serve. Quando ci serve glicogeno perché stiamo facendo attività fisica, perché comunque lo dobbiamo bruciare, questo deve essere scomposto nei suoi monosaccaridi. Allora qui abbiamo il processo di glicogenolisi, dove praticamente assorbendo acqua, degli enzimi vanno a rompere i legami tra i monosaccaridi, rilasciando così praticamente questi zuccheri liberi. Questi zuccheri passeranno nel sangue e finiranno nelle cellule, perché verranno poi bruciati nei processi di respirazione cellulare, che vedremo in dettaglio nella prossima lezione, quella sui metabolismi. Detto questo, andiamo a vedere l'altro polisaccaride molto importante che è la cellulosa. In questo caso non abbiamo catene singole, debolmente o fortemente ramificate, ma abbiamo invece un vero e proprio tessuto, ovvero le singole catene di cellulosa sono legate lateralmente da dei legami che praticamente vanno a renderla struttura di fatto un vero e proprio tessuto, quindi molto resistente. La cellulosa è il costituente principale delle piante, quindi il polisaccaride più diffuso sulla terra, perché le piante sono la parte più grande della biomassa del pianeta. Gli erbivori che si cibano delle piante hanno il sistema digerente idoneo a digerire tutti questi legami. Infatti, se andiamo a confrontare il sistema digerente di un erbivoro con quello di un carnivoro, di un onnivoro come siamo noi, ad esempio, vediamo che l'intestino dell'erbivoro è molto più lungo e sviluppato, addirittura presenta un secondo intestino, messo con l'appendice. Perché qui? Perché per rompere tutti questi legami ci vuole molta energia e molto tempo. Quindi l'intestino di un erbivoro è molto sviluppato proprio perché i legami da rompere per separare i singoli monosaccaridi sono veramente tanti. Al contrario, invece, un carnivoro ha un intestino molto meno sviluppato. Addirittura nel nostro caso, il secondo intestino, l'appendice, si è ridotto con l'evoluzione nei millenni, perché nei carnivori non è sfruttata e quindi in biologia, quando c'è una componente del corpo che non è sviluppata, col tempo si atrofizza. E vediamo che i carnivori, l'intestino appendice è veramente ridotto o addirittura inutile. Quindi in realtà si vede che gli erbivori hanno un intestino sviluppato per rompere questi legami. Gli erbivori passano la maggior parte del loro tempo a mangiare a digerire, perché proprio un lavoro molto grande è ricavare energia dalla cellulosa, mentre i carnivori, invece di fare questo lavoro, semplicemente ricavano energia da chi lo fa per loro, ed è il concetto della catena alimentare, che poi vedremo bene in biologia. Addirittura le mucche hanno più di uno stomaco e rigurgitano più volte lo stesso cibo, perché per rompere tutti quei legami ci vuole un lungo processo di fermentazione. E da qui possiamo capire la differenza di questi polisaccaridi. Detto questo, andiamo avanti e parliamo dell'ultimo polisaccaride importante in chirurgia, che è la chitina. La chitina è un polisaccaride dove la componente monomerica, ovvero lo zucchero che si ripete più volte, ha due gruppi funzionali: CH2OH e NH2. Se ricordate, NH2 è il gruppo ammonio. Questo monomero con questi due gruppi funzionali creano una struttura più rigida, tant'è che viene utilizzata dagli insetti ma anche dai crostacei per costruire il loro esoscheletro. Infatti, sia i crostacei che gli insetti hanno un esoscheletro, ovvero uno scheletro esterno costituito da questo zucchero. E possiamo trovare questo polisaccaride anche nei funghi. Quindi vedere quante sono e quali sono le funzioni degli zuccheri, da parte costituente di esseri viventi animali e vegetali, fino al proprio riserva energetica che va ad alimentare il metabolismo delle cellule.

Finiti i carboidrati, ora passiamo ai lipidi. I lipidi si suddividono in due grandi famiglie: idrolizzabili e non idrolizzabili, ovvero quelli che con l'aggiunta di acqua si possono scindere in molecole più semplici, oppure invece no. Quindi vediamo questa classificazione: idrolizzabili e non idrolizzabili. Lipidi idrolizzabili si possono suddividere in questa sotto-classificazione: trigliceridi, fosfolipidi, glicolipidi, con la loro sotto-classificazione. Mentre i non idrolizzabili sono gli steroidi, i terpeni ed altri. Questa caratteristica di reagire in modo diverso con l'acqua dà loro delle importanti funzioni biologiche che accelereremo in questa lezione, ma che vedremo bene in particolare quando faremo biologia e la cellula animale. Detto questo, vediamo in particolare la struttura principale della molecola. Questa è la struttura principale del fosfolipide, che in particolare è la molecola lipidica che vedremo in questa lezione. Quindi stiamo parlando dei lipidi idrolizzabili. Gli altri accennerò qui, ma li faremo anche in altre lezioni, perché hanno importanti funzioni biologiche. Ad esempio, gli steroidi sono degli importanti ormoni. In questa lezione vedremo in dettaglio, in particolare, i fosfolipidi. Allora, i fosfolipidi sono divisi in due parti: abbiamo una testa polare idrofila, ovvero la parte della molecola che sta bene a contatto con l'acqua, e una coda apolare idrofoba, ovvero la parte della molecola invece che sta male a contatto con l'acqua e che la respinge. Questa caratteristica gli conferisce delle importanti funzioni biologiche che accelereremo in questa lezione, ma che vedremo bene in particolare quando faremo biologia e la cellula animale. Detto questo, vediamo in particolare l'elemento comune della testa polare, che è il glicerolo, ovvero questa molecola dove abbiamo tre atomi di carbonio, tre di ossigeno e otto di idrogeno. Questa molecola è il punto in cui si agganciano le code, che sono degli acidi grassi. Infatti, abbiamo le molecole separate, però quando si legano a formare il fosfolipide, abbiamo questa reazione: ovvero un gruppo OH per ogni singolo acido grasso e un atomo di idrogeno per ogni gruppo funzionale OH del glicerolo si staccano dalla struttura formando una molecola d'acqua. E allora questo si forma un legame tra l'ossigeno del glicerolo e il carbonio dell'acido grasso. Infatti, alla fine, quando avviene questo legame che rilascia tre molecole d'acqua, abbiamo la molecola del fosfolipide, dove il glicerolo e gli acidi grassi sono collegati tramite questo ponte ossigeno. Quindi, quando la molecola di glicerolo si lega con gli acidi grassi per formare la molecola fosfolipide, abbiamo la formazione di questi legami che di fatto emettono una molecola d'acqua per ogni acido grasso che si è attaccato al glicerolo. Quindi, visto che normalmente ci sono tre code di acidi grassi, ogni volta che si forma un trigliceride, abbiamo tre molecole d'acqua che vengono rilasciate. E qui riconosciamo nella struttura della molecola ormai unita: la testa di glicerolo e le code di acidi grassi.

Parliamo in particolare adesso delle code. La coda apolare, quella parte della molecola che non sta bene a contatto con l'acqua, può essere costituita da code di acidi grassi saturi, dove tutti i carboni sono ibridati in sp3, e quindi abbiamo che tutti i carboni hanno quattro legami singoli che formano questa coda lineare. Oppure possiamo avere acidi grassi insaturi, in cui all'interno ci possono essere due o più carboni ibridati sp2 che mi formano questo doppio legame e un angolo di 120 gradi che creano la piega della coda. Infatti, la coda può essere rettilinea, come in questo caso, o piegata in quest'altro caso, quando c'è almeno una coppia di carboni ibridati sp2, perché sto specificando questo caso, perché da questa caratteristica dipendono molte proprietà chimiche fisiche della molecola, ad esempio la temperatura di fusione. Quindi, riassumendo, i lipidi hanno delle code di acidi grassi, queste appena spiegate, che hanno la caratteristica di respingere le molecole d'acqua, si definiscono idrofobe, e da questo deriva proprio un'importante funzione biologica di queste molecole. Queste molecole, come ho detto, possono essere in versione satura o insatura. La prima, quando abbiamo tutti i carboni ibridati sp3. La seconda, quando abbiamo o meno una coppia di carboni ibridati sp2. Questo è il concetto fondamentale di questa slide. Vi ricordo che alla fine di questa catena di acidi grassi abbiamo sempre un gruppo funzionale di acido carbossilico, con il quale l'acido grasso si attacca alla testa di glicerolo vista prima. Questa testa, qua, importantissimo da ricordare, che le catene di acidi grassi saturi sono lineari e quelle invece con doppio legame e carboni ibridati sp2 hanno una caratteristica piega, che cambia completamente il comportamento della molecola.

Vediamo in particolare questo slide, dove possiamo avere tutti i casi possibili. Abbiamo l'acido grasso saturo con la catena rettilinea, e poi diverse versioni di acidi grassi insaturi. L'acido grasso insaturo può essere rettilineo se in versione trans. Adesso vediamo cosa vuol dire. Mentre abbiamo questa catena curva nel caso ci fossero due carboni ibridazione sp2 con doppio legame, e si chiama cis-monoinsaturo. Possiamo anche avere più di due carboni a doppio legame, in questo caso abbiamo più di una curva, quindi la catena è ancora più curva e si possono chiamare cis-polinsaturi. Ad esempio, questo è il caso di due doppi legami cis in una catena polinsatura. Mentre quando abbiamo la versione trans dell'insaturo, nella versione trans, il doppio legame è fatto in questo modo, in cui i due carboni interessati hanno gli idrogeni in versione opposta. Questo fa sì che, nonostante il doppio legame, la catena rimanga rettilinea e quindi il fosfolipide rimanga allo stato solido a temperatura ambiente. Questa è un'importante conseguenza biologica. Infatti, tutti i lipidi che a temperatura ambiente sono solidi contribuiscono a provocare il colesterolo nel sangue, lo vedremo quando faremo biologia. Mentre nel caso in cui non ci sia la versione trans, ma la versione cis, ovvero gli idrogeni dei due carboni tra cui il doppio legame sono nello stesso verso, la catena è piegata e il fosfolipide si trova liquido a temperatura ambiente. Che questo lo vediamo negli oli. Gli oli sono dei grassi allo stato liquido a temperatura ambiente, che non contribuiscono a causare colesterolo. Quindi l'importante funzione biologica della presenza o non presenza di questa piega nella catena di acido grasso è la caratteristica di essere solido o liquido a temperatura ambiente e quindi di contribuire a causare o no il colesterolo nelle nostre arterie. Infatti, qui lo specifico: gli acidi grassi trans ingeriti con l'alimentazione sono considerati i veri killer che scombussolano in negativo i livelli di colesterolo nel sangue e aumentano il rischio di arteriosclerosi, perché proprio sono allo stato solido a temperatura ambiente e quindi vanno a intasare le vene.

Andiamo avanti e vediamo la differenza che c'è tra un grasso cis-monoinsaturo e cis-polinsaturo. In questo caso abbiamo l'acido oleico con 18 atomi di carbonio, dove il doppio legame interessa il nono carbonio della catena. Questo lo rende classificabile come un omega-9, ovvero un acido grasso insaturo in cui praticamente il primo carbonio della catena interessato dal doppio legame è il nono. Qui abbiamo invece un acido grasso polinsaturo, l'acido linoleico, con tre legami doppi, però il primo legame doppio della catena interessa il terzo carbonio della catena. Allora viene classificato come un omega-3. Questa classificazione omega-9, omega-3, EPA, vedremo ci sono anche gli omega-6, ci dice qual è il primo carbonio della catena di un acido cis-insaturo ad essere interessato dal doppio legame che causa di fatto la curvatura della molecola. Più una molecola presenta queste curve, più la sua temperatura di fusione è alta e quindi più si presenterà allo stato liquido a temperatura ambiente e quindi non causerà il colesterolo nelle nostre arterie.

Vediamo in particolare gli acidi grassi monoinsaturi. Sono gli acidi grassi con almeno una coppia di carboni ibridati sp2, quindi un solo legame doppio. Possono essere rappresentati in questo modo, con questa simbologia stilizzata. L'acido oleico, per esempio, appartiene agli omega-9, perché il nono carbonio della catena a essere interessato dal doppio legame e può essere sintetizzato con questa formula. Vediamo come si legge questa formula: ogni punto di questo segmento corrisponde a un carbonio. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 abbiamo otto atomi di carbonio interessati da ibridazione sp3. Il primo carbonio è circondato da tre idrogeni, quindi mettiamo il gruppo CH3. Poi sette di questi carboni, se sono all'interno della catena in ibridazione sp2, e quindi sono dei gruppi CH2, e li possiamo rappresentare così, con un CH2 preso sette volte. Poi abbiamo il primo carbonio interessato dal doppio legame, ovvero il nono della catena, che essendo in ibridazione sp2 e corrisponde a un gruppo CH, il doppio legame rappresentato con questo simbolo, e poi un altro carbonio ibridato sp2 con il suo gruppo CH, e sono praticamente questi due, uno e due. Poi abbiamo invece altri sette atomi di carbonio ibridati sp3, uno, due, tre, quattro, cinque, sei e sette, e infine l'ultimo carbonio che corrisponde al gruppo funzionale dell'acido carbossilico, con il quale l'acido grasso poi si legherà alla testa del glicerolo, COOH.

Possiamo vedere un'altra molecola in questo caso, l'acido palmitoleico. Qui vedremo che è il settimo carbonio della catena il primo ad essere interessato dal doppio legame, quindi possiamo classificare questa molecola come un omega-7. E possiamo vedere come si fa a scrivere la sua formula in modo sintetico. Quindi abbiamo il primo carbonio nella catena che è un sp3 con tre idrogeni, perché è sul vertice della catena. Poi ci sono 5 atomi di carbonio sp2 all'interno della catena, quindi caratterizzati da un gruppo CH2, allora uno, due, tre, quattro e cinque. Ecco il settimo carbonio della catena, che è il primo col doppio legame, quindi rappresentato con questo CH, il simbolo doppio legame, l'altro CH, e poi gli ultimi sette atomi di carbonio ibridati sp3 della catena, caratterizzati dal gruppo CH2, uno, due, tre, quattro, cinque, sei e sette, infine il carbonio del gruppo funzionale acido carbossilico. Quindi vedete come si possono rappresentare molecole così complesse con questa simbologia sintetizzata.

Vediamo invece i grassi polinsaturi, chiamati anche PUFA, quindi per la nomenclatura internazionale, l'acronimo PUFA sta per acidi grassi polinsaturi. E questi sono caratterizzati da più legami doppi. Infatti, qui abbiamo la sintesi della molecola, dove sono evidenziati i due legami doppi, circondati da ciascuno dalla coppia di carboni ibridati sp2 con il loro gruppo CH. Poi ci sono i gruppi intra-catena con carbonio ibridato sp3, CH2, sono quattro prima del primo legame, e li possiamo vedere in questa simbologia. Quindi qui vediamo praticamente questa molecola, dove praticamente il primo legame doppio della catena interessa il sesto carbonio. Quindi questo acido, l'acido linoleico, è caratterizzato come un omega-6. Il doppio legame crea una doppia curva, e quindi la molecola è quasi avvolta su se stessa. Questa forma caratteristica praticamente le conferisce uno stato liquido a temperatura ambiente. Ancora qui per vedere la stessa molecola distesa, ma normalmente si trova arrotolata in questa formazione. E quindi vediamo il primo carbonio della catena ibridato sp3 con i suoi tre idrogeni e il gruppo funzionale con cui poi questo acido grasso si andrà a legare a una testa fosfolipidica. L'abbiamo già visto nelle slide precedenti.

Adesso parliamo delle teste. La testa del fosfolipide è la parte polare della molecola, quella idrofila, quella che sta bene a contatto con l'acqua. È caratterizzata da una molecola di glicerolo, che con i suoi tre gruppi OH si lega agli acidi grassi appena spiegati. Questi possono essere tutti e tre acidi grassi saturi, allora il fosfolipide si trova allo stato solido a temperatura ambiente e lo troviamo ad esempio nel burro, e quindi può causare colesterolo. Oppure, se abbiamo anche solamente uno di questi tre acidi grassi in versione cis-monoinsatura o polinsatura, allora il fosfolipide si trova liquido a temperatura ambiente e non contribuisce a formare il colesterolo. Questa è proprio la cosa importante da ricordare, è tutta la parte dei lipidi, quand'è che sono solidi e quand'è che sono liquidi. Infatti, ho dedicato una slide proprio alla differenza tra grassi e oli.

La differenza principale è la temperatura di fusione. La temperatura di fusione dipende dalla forma degli acidi grassi di un trigliceride. Quindi, qui ad esempio, abbiamo la sintesi di un trigliceride con la sua testa di glicerolo e i tre acidi grassi. In questo caso sono tutti quanti tre acidi grassi saturi, e quindi questi lipidi li ritroviamo solidi a temperatura ambiente. Abbiamo detto che non devono per forza essere tutti quanti saturi. Può esserci anche un acido grasso insaturo in versione trans, e l'acido grasso in versione trans lo troviamo rettilineo, come fosse un acido grasso che abbiamo già visto prima. Se invece troviamo anche solamente uno dei tre acidi grassi in versione cis-monoinsatura o polinsatura, questo trigliceride si presenta in forma liquida e lo troviamo negli oli. Quindi la differenza che c'è tra il grasso e l'olio è semplicemente la forma della molecola, data dalla presenza o meno di catene di acidi grassi rettilinee o piegate. La differenza è tutta qua. Infatti, nella cultura mainstream, ovvero una cultura in cui tutti quanti noi cresciamo, ci viene insegnato che tutti i prodotti di origine animale tendenzialmente fanno male alla salute, mentre quelli di origine vegetale fanno bene. In realtà non è così. Ci sono acidi grassi mono e polinsaturi che fanno bene alla salute perché non causano colesterolo, che hanno un'origine animale, e sono i famosi omega-3 del pesce azzurro, ma troviamo anche nel salmone. Poi invece ci sono dei grassi vegetali trans, monoinsaturi o saturi, di origine vegetale, come il tanto temuto in questi anni olio di palma. Tutti quanti noi siamo cresciuti con la Nutella e con la Ferrero, che negli anni hanno utilizzato questo olio vegetale per poter rendere il loro prodotto a basso costo, perché è un olio molto economico. Ora che la cultura salutista è riuscita a convincere l'opinione pubblica che questi grassi fanno male perché fanno venire il colesterolo, abbiamo finalmente ottenuto un'adeguata risposta commerciale e i prodotti cominciano a boicottare questo olio. Ne hanno trovato altri che praticamente possono svolgere lo stesso ruolo senza contribuire a causare colesterolo. Però ancora oggi nel mondo molti prodotti di consumo a basso costo contengono l'olio di palma, perché di fatto è un prodotto molto economico e molto versatile. La cosa molto negativa di questo olio è che per produrlo in grandi quantità per tutto il mondo è stata distrutta la quarta foresta pluviale più grande del mondo, quella del Borneo, che anche una delle isole più grandi dell'Indonesia. E purtroppo queste piantagioni si stanno diffondendo anche in Amazzonia. Speriamo.

Che col tempo il mercato riesca a boicottare completamente questo prodotto. Andiamo avanti e vediamo qual è la funzione biologica dei lipidi.

Una delle forze principali, come già accennato prima, è quella di costituire le membrane cellulari. Infatti, proprio la caratteristica di ripido di essere da una parte idrofila (che sta a contatto con l'acqua) e una parte idrofoba (che sta a contatto con l'acqua) permette al cellulare di avere una conformazione liquida dentro un liquido. Cosa vuol dire? Le nostre cellule sono circondate da questa doppia struttura di fosfolipidi dove l'acqua non riesce a penetrare e non riesce a risolverli perché le code interne la respingono. È un discorso molto più complesso che faremo in particolare quando vedremo le cellule nel corso di biologia, però la cosa importante da ricordare è che i fosfolipidi sono la componente principale delle membrane cellulari animali. Nel caso digitale invece abbiamo la cellulosa, ma non ci interessa in questo corso.

Un'altra funzione importante dei lipidi è energetica. Il primo combustibile che il nostro corpo preferisce utilizzare è lo zucchero, quindi lo zucchero di combustibile numero uno. Quando lo zucchero finisce, perché se solo ce rapidamente, il nostro corpo continua a sopravvivere bruciando grassi. Quindi, se vogliamo dimagrire, non dubbi accedere con gli zuccheri alla nostra dieta, perché se mangiamo zuccheri, il nostro corpo è impegnato a bruciare quelli piuttosto che i grassi. Quindi normalmente nelle diete per dimagrire gli zuccheri sono ridotti perché si vuole costringere il corpo a bruciare i grassi anziché gli zuccheri. Quindi sono di fatto delle riserve energetiche di riserva. Il nostro corpo si è evoluto in un ambiente povero di cibo nelle savane africane e quindi il nostro corpo è progettato per accumulare e risparmiare risorse. Infatti, quando mangiamo questi grassi, il nostro capo invece di sperli quelli in eccesso tende ad accumularli sotto pelle, in modo da poter essere utilizzati in caso di emergenza. Però, ovviamente, nel mondo ricco e occidentale in cui viviamo oggi, non è lo stesso ambiente in cui ci siamo evoluti milioni di anni fa. Il nostro corpo, che è progettato per risparmiare, continua ad accumulare grassi anche se non ne ha effettivamente bisogno.

La terza molecola biologica di cui tratto in questa lezione sono le proteine. Le proteine sono una macromolecola, cioè molecola molto grande, e composte da migliaia di atomi ed è costituita da una catena di amminoacidi. Molte meno a ci possono essere anche centinaia o migliaia e quindi si può definire come un polimero di aminoacidi. Ma che cos'è un aminoacido? Un aminoacido è una molecola composta da un carbonio sp3 al centro della molecola, dove il legame soprastante è occupato da un idrogeno. A destra abbiamo il gruppo funzionale acido carbossilico (COOH), dove il carbonio è abitata sp2, fa un doppio legame con l'ossigeno e con 120 gradi un legame singolo con il gruppo OH. Mentre a destra abbiamo il gruppo amminico (NH2). Abbiamo già visto questi gruppi funzionali nella lezione della chimica organica. Il quarto che ci occupato da un radicale definito chiave. Infatti, in biologia possiamo trovare 20 diversi tipi di aminoacidi, dove la parte superiore, ovvero il carbonio, l'idrogeno e i due gruppi funzionali, sono uguali per tutti. Mentre la componente chiave, ovvero il radicale, di idrogeno e carbonio, cambia in ognuno di questi venti diverse aminoacidi. Perché ci interessa questa molecola? Perché questa molecola è il monomero costituente delle proteine. Possiamo rappresentare meglio anche in questo modo: il carbonio centrale con l'idrogeno, il gruppo funzionale al suo carbossilico qui a destra e il gruppo funzionale amminico a sinistra, con il radicale che viene chiamata chiave, che è l'unica componente che cambia nelle venti tipologie diverse di aminoacidi. Quindi la componente fissa dell'aminoacido è quella superiore, i due gruppi funzionali, il carbonio, l'idrogeno. La componente variabile nelle venti pressioni diverse pino acide è questa qua sotto, il radicale, che sarebbe la componente mobile.

Vediamo ora come si legano queste aminoacidi. Il legame tra 2000 cd si chiama legame peptidico. Avviene tra il gruppo funzionale carbossilico di un aminoacido e il gruppo funzionale amminico di un'altra minor cito. Cosa succede? Che il gruppo molecolare OH del gruppo carbossilico si lega con l'idrogeno del gruppo amminico dell'altro aminoacido e vanno a formare una molecola d'acqua. Quindi, ogni volta che abbiamo questo legame più etico, cioè l'emissione di una molecola d'acqua, questi due legami lasciate liberi si vanno a unire e quindi abbiamo che il carbonio di un gruppo carbossilico e l'azoto del gruppo carboni codir l'altro aminoacido si legano formando il legame peptidico. Quindi il legame prestiti così forma ogni volta tra due gruppi funzionali di 2 mila cd diversi e mettendo sempre una molecola d'acqua. Le proteine possono essere costituite fra centinaia o migliaia di meno ma ci di questo legame fatte molto forte. Tutti gli esseri viventi della terra utilizzano sempre gli stessi aminoacidi per ricostruire le loro proteine. Questi sono 20 e si possono distinguere in quattro grandi famiglie. Abbiamo i non polari idrofobi, quelli che non riescono a sciogliersi nell'acqua, quindi hanno un'incapacità a sciogliersi in acqua e sono questi: l'alanina, la valina, la metionina, la leucina, isoleucina, la prolina, il triptofano e la fenilalanina. Poi abbiamo i polari, ovvero quelli che si sciolgono facilmente in acqua, gli idrofili: la tirosina, l'attonina, la glutammina, la cucina, la serina, la cisteina e l'asparagina. Poi ci sono quelli bassi, povero che ne ha quasi compatto come una sostanza basica, che all'ora di cena, la reggina e la listed in a. E infine quelli acidi, che in acqua si comportano come una sostanza acida: acido glutammico e acido aspartico. I venti aminoacidi quindi si distinguono in base alle loro caratteristiche chimiche e fisiche, come abbiamo appena visto, ad esempio la solubilità o la capacità di comportarsi da acido o da base in una soluzione acquosa. Inoltre, per gli esseri umani, vanno distinti gli aminoacidi essenziali e quelli non essenziali. Ovvero, noi esseri umani, come tutti gli altri enti sulla terra, utilizziamo questi venti aminoacidi per costruire i nostri proteine. Solamente che 11 vengono prodotti dal nostro metabolismo interno. Gli altri nove non vengono prodotti e devono essere necessariamente assunti tramite l'alimentazione e quindi per questo motivo vengono chiamati essenziali. Poi, nonostante chimicamente siano possibili altri aminoacidi, la natura sulla terra ha scelto di utilizzare questi eventi per tutti gli esseri viventi del pianeta. Quindi, di fatto, una balena, un girasole, un batterio o io utilizziamo gli stessi aminoacidi per costruire le nostre proteine, dai tessuti connettivi come i capelli agli enzimi che aiutano a far funzionare il nostro metabolismo.

Andiamo avanti e parliamo di come si può classificare una proteina tramite quattro strutture. La struttura primaria è la sequenza di amminoacidi. Ogni proteina ha una sequenza caratteristica di venti aminoacidi, perché questi venti meno ma ci dire non utilizzati come le lettere di un alfabeto per scrivere un messaggio e quindi la sequenza di queste aminoacidi ne determinano la struttura principale, la primaria. Poi abbiamo la struttura secondaria. Questi aminoacidi possono essere piegati in due modi diversi, ovvero il legame che mantenuti queste aminoacidi può permettere due specifici movimenti che ci fanno piegare la catena di aminoacidi in due modi: o a beta foglietti oppure ad alpha elica. Quindi un tratto di questa catena di aminoacidi può essere piegata in questo modo, con questi legami intermedi che la mantengono, oppure in quest'altro modo, con legami tra la catena che mantiene fissa la struttura ad alpha elica. Ancora abbiamo la struttura terziaria. Non tutta la catena di aminoacidi è piegata nello stesso modo. Ci sono porzioni piegate in alpha elica e porzioni piegate in beta foglietti. Quindi la terza struttura ci dice la sequenza di porzioni piegate in alpha elica e di porzioni piegate in beta foglietti in tutta la struttura proteica. Poi abbiamo infine una quarta struttura, ovvero questa catena di aminoacidi può far parte di una macro proteina, ovvero una proteina più grande, è costituita da più catene aminoacidi. E quindi la quota struttura ci dice in quale parte di questa macro drina va a lavorare. Ad esempio, l'emoglobina, che è la proteina che il sangue utilizza per legare l'ossigeno e trasportarlo nel nostro corpo, è una macro proteina costituita da quattro catene di aminoacidi, due o quattro in più piccole. Allora la struttura quaternaria della macro proteina emoglobina ci dice dove va a mettersi ognuna delle singole quattro catene aminoacidi, quindi proteine più piccole che la compongono, che vengono quindi definite in questo caso subunità. Quindi le subunità sono il nome che acquisiscono le singole catene proteiche che costituiscono una proteina più grande, è definita appunto macro proteina. Quindi queste sono le quattro strutture specifiche che classificano ed hanno una funzione alle proteine.

Però una proteina può anche denaturarsi, ovvero può perdere la sua conformazione. Immaginiamo una proteina con la sua conformazione che gli dà una struttura in tre dimensioni. In questo caso vediamo una catena proteica che è piegata in un certo modo grazie a dei ponti tra la catena. Ci sono dei gruppi funzionali lungo la catena che creano questi ponti. Qui, per esempio, abbiamo quattro esempi di ponti. Possiamo vedere un ponte di solfuro, un ponte di legame idrogeno, un ponte al legame ionico oppure un ponte tramite forze di van der Waals. Questi ponti danno proprio la forma e la struttura della molecola, ma si possono rompere e quindi far perdere non aveva una sua struttura. Questo procedimento si chiama denaturazione. Quindi la molecola passa da avere una struttura caratteristica che gli dà la funzione biologica per cui è stata progettata dall'evoluzione, fino a fire a perdere e sciogliere la sua struttura primaria, quindi semplicemente nella sequenza di amminoacidi. Come può succedere questo? In due modi: con il calore. Ad esempio, quando cuociamo un uovo, stiamo rompendo in modo definitivo le catene proteiche dell'albumina di un uovo, che da trasparente diventa appunto bianco, e questa è una delle autorizzazioni definitiva. Oppure, quando una ragazza con i capelli mossi o ricci si fa la piastra per averli lisci, era in questo caso lei sta temporaneamente rompendo questi ponti tra le sue proteine che danno al capello la caratteristica forma mossa o riccia per avere i capelli lisci. In questo caso la denaturazione è temporanea e i capelli ritorneranno col tempo ad avere la loro caratteristica originaria. Quindi, riassumendo, la denaturazione quando la pratica viene letteralmente srotolata e perde la sua struttura complessa. Questo si chiama denaturazione e questo processo può essere temporaneo oppure definitivo. Per esempio, se temporaneo, la proteina può riacquistare la sua struttura originaria perché è fatta in modo che i legami tra le proteiche si ricostituiscono e quindi il processo si chiama rinaturazione. Oppure, se è definitiva, la proteina rimane così denaturata. Per esempio, alcuni trattamenti chimici possono modificare le proteine dei capelli in modo definitivo e quindi una persona che magari è riccia di capelli con questo trattamento chimico può avere i capelli lisci in modo definitivo, oppure sarà semplicemente una semplice stiraggio con la piastra. Se è temporaneo, sono semplici esempi. La cottura, ad esempio, dell'uovo o della carne, è praticamente una denaturazione definitiva. Una volta cotta la proteina della carne o dell'albumina non può più tornare com'era prima. Quindi abbiamo questi due casi particolari.

Dove troviamo le proteine? Quali sono le loro funzioni? Le proteine costituiscono parte dei tessuti connettivi come i capelli e le unghie. Sono proteine ormoni che aiutano a far funzionare il nostro corpo, come ad esempio l'insulina. Sono proteine le componenti di acuti come quello muscolare che hanno una funzione di contrasto e quindi far funzionare un muscolo. Ma le troviamo anche in altre parti del corpo, come ad esempio le proteine del sangue, l'emoglobina, che ha lo scopo di legare l'ossigeno e permettere al rosso di trasportarlo in tutto il corpo. Sono anche proteine gli enzimi che ci aiutano a digerire il lattosio nel nostro intestino o a smantellare le catene di carboidrati complessi dell'amido e del glicogeno all'interno del nostro corpo e così via. Le proteine le troviamo ovunque nel nostro corpo, hanno tantissime funzioni diverse e sono una delle macromolecole più importanti in biologia.

Ora parliamo dell'ultima via molecola che affronteremo in questa lezione, che sono gli acidi nucleici. Questa è la molecola più grande di tutte e ha l'importante ruolo di conservare le informazioni genetiche degli esseri viventi. In realtà, ha anche altre funzioni perché è coinvolta nei processi metabolici delle cellule, ma lo vedremo quando faremo i metabolismi. Però è importante sapere di questa molecola che è un complesso polimero di nucleotidi. Quindi c'è un elemento base, come nelle molecole precedenti, che si ripete a formare un polimero. Nei carboidrati, l'elemento base, il monomero che si ripeteva, era una molecola di zucchero, come ad esempio glucosio, che quindi si ripeteva tante volte a formare catene di glucosio. Nel caso delle proteine, l'elemento che si rivedeva, vero il monomero, era l'aminoacido, quindi le proteine sono catene di aminoacidi. In questo caso, l'elemento che si ripete è il nucleotide, che è un complesso molecolare che legandosi in catene forma gli acidi nucleici. Quindi adesso vediamo che cos'è questo nucleotide. Il nucleotide è un complesso molecolare è costituito da tre molecole più piccole. Abbiamo il gruppo fosfato, uno zucchero pentoso, ovvero uno zucchero composto da 5 atomi di carbonio, quindi la sua formula è C5H10O5, come abbiamo visto precedentemente, e poi una base azotata. Questo è l'elemento base, ovvero il monomero su cui si costruisce la catena polimero degli acidi nucleici. Quindi, ovviamente, tantino cutie di come questo messi in fila costituiscono l'acido nucleico.

Quindi leggiamo qui. Ho già detto: il nucleotide è il monomero fondamentale degli acidi nucleici. Si legano a formare catene doppie o singole, e vedremo tra poco dove doppie e dove singole, che possono svolgere sia il ruolo genetico che contribuire fisicamente alla sintesi delle proteine cellulari. Quest'ultima parte la vedremo in biologia in dettaglio. Andiamo un po' avanti e vediamo meglio questo nucleotide. In questa immagine possiamo vedere la sua reale struttura molecolare. Qui abbiamo il gruppo fosfato, che è costituito da un fosforo e quattro ossigeni, che ha una carica tre meno, quindi la carica non è proprio una molecola neutra, ma è una molecola ionizzata. Poi abbiamo lo zucchero pentoso, ovvero lo zucchero che ha 5 atomi di carbonio, che può essere ribosio nel RNA e desossiribosio nel DNA. La differenza tra ribosio e desossiribosio è che il desossiribosio ha un ossigeno in meno. Lo dice la parola: desossi ribosio, cioè ribosio senza ossigeno. Quindi, quando faremo RNA e DNA, sappiate che l'unica differenza che c'è tra il pentoso che sta nell'RNA e il pentoso che sta nel DNA è che quello che sta nel DNA ha un ossigeno in meno rispetto a quello che sta nell'RNA. Quindi si chiamano in due modi diversi: ribosio e desossiribosio. Questi due elementi sono la componente fissa dei nucleotide e si chiamano nucleotide, quindi ci sono sempre. Mentre la componente variabile, cioè quella che può cambiare, è la base azotata. Le basi azotate sono cinque, di cui due sono ad anello doppio e si definiscono purine, e tre sono ad anello singolo che si chiamano pirimidine. Questo è l'elemento che può variare nel nucleotide, che è l'insieme di tutti e tre gli elementi, ma lo vedremo adesso in dettaglio.

Allora parliamo adesso delle basi azotate. Abbiamo già visto che sono cinque. Ci sono le pirimidine, ovvero le basi azotate costituite da un anello singolo fatto di carbonio e azoto con dei gruppi funzionali che sono legati in periferia, e abbiamo la timina, la citosina e l'uracile. I carboni che compongono queste basi azotate sono ibridazioni sp2, quindi lo vediamo da questi doppi legami che si intervallano praticamente all'interno della struttura. La timina e la citosina le troviamo nel DNA, mentre la citosina e l'uracile le ritroviamo nell'RNA. Quindi nel DNA non è presente l'uracile, nel RNA non è presente la timina. Praticamente nel DNA la timina fa quello che l'uracile fa nell'RNA, ma vedremo questo tra poco in dettaglio. Poi abbiamo le purine, che sono le basi azotate ad anello doppio, dove un anello è esagonale e un altro invece pentagonale. Anche qui negli anelli abbiamo ai vertici carboni ibridati sp2 e atomi di azoto con i vari gruppi funzionali legati in modo periferico, e sono l'adenina e la guanina. Entrambe le basi azotate sono presenti sia nel DNA che nell'RNA. Quindi le uniche basi azotate che differiscono nel DNA e nell'RNA sono la timina e l'uracile. Nel DNA abbiamo la timina, nell'RNA lo stesso lavoro tra timina lo svolge l'uracile. Vedremo adesso le due molecole in dettaglio.

Infatti, cominciamo dall'RNA. La catena singola dell'RNA si avvolge su se stessa e le sue basi azotate trasportano informazioni e fuori dal luogo della cellula, ma questa molecola può anche avere funzioni di sintesi proteica al di fuori della cellula. Parleremo di questo processo in biologia. Vediamo adesso come è fatta la molecola. Intanto parliamo delle basi azotate che la caratterizzano. Abbiamo detto che qui c'è l'uracile al posto della timina. Quindi le purine sono l'adenina e la guanina. Le pirimidine sono l'uracile e la citosina. Vi ricordo che quando la molecola si lega con altre basi azotate, l'adenina si lega sempre solo con l'uracile e la guanina sempre solo con la citosina. Questo è il modo in cui si concatena la molecola, in cui abbiamo i vari nucleotidi: gruppo fosfato, zucchero pentoso e base azotata, che legate tramite un ossigeno ponte tra il gruppo fosfato di un nucleotide e lo zucchero pentoso invece di un altro nucleotide. Quindi abbiamo questa catena e queste sono la parte fissa della molecola, ovvero gruppo fosfato, zucchero pentoso, un gruppo fosfato, zucchero pentoso, il gruppo fosfato, zucchero pentoso e così via. Invece la parte variabile della molecola sono le basi azotate che si possono alternare lungo tutta la molecola. Qui vediamo meglio la struttura: la catena singola sintetizzata in questo modo. Il nastro arancione raffigura la parte fissa dei nucleotidi, che sono quindi lo zucchero e gruppo fosfato. I vari bastoncini colorati rappresentano le diverse basi azotate che si alternano. Come vedete, abbiamo la citosina, la guanina, l'adenina e l'uracile, sono le quattro basi azotate che si alternano lungo la molecola di RNA. L'RNA si chiama acido ribonucleico perché lo zucchero con cui è costituito è ribosio.

Andiamo avanti e vediamo invece il DNA, che è una catena doppia. Però al posto dell'uracile abbiamo la timina e quindi è la timina che si lega con l'adenina, stavolta, non c'è l'uracile. E quindi abbiamo questa struttura. Essendo una catena doppia, vediamo che le basi azotate di una catena si legano con le basi azotate dell'altra catena, sempre seguendo la regola: adenina con timina e guanina con citosina. Quindi sempre una purina con una pirimidina, mai due purine legate insieme, ma mai due pirimidine legate insieme. Vediamo meglio come si svolge questo legame. Qui abbiamo una sintesi e vediamo la parte fissa di gruppo fosfato e zucchero pentoso che fa da struttura portante della molecola. A destra per una catena, a sinistra dell'altra catena, e poi le due catene sono tenute insieme da legami a idrogeno delle basi azotate. L'adenina con la timina (sto parlando di DNA, quindi non c'è l'uracile) e la guanina con la citosina. In particolare, voglio far vedere che i legami a idrogeno tra l'adenina e la timina sono due, quindi adenina e timina si legano con due legami idrogeno, mentre la guanina e citosina si legano con tre legami idrogeno. Questo è molto importante da ricordare, perché i legami idrogeno sono più deboli dei legami covalenti. Quindi la molecola è come un libro, dentro contiene le informazioni genetiche per costruire un essere vivente, ma per poter essere letta come un libro deve essere aperta. Infatti, un libro chiuso non lo si può leggere. Quindi questi legami idrogeno sono volutamente deboli, in modo che la proteina che va a leggere il DNA, che poi quando faremo biologia vedremo che la DNA polimerasi rompe facilmente questi legami aprendo la molecola, inserisce il suo lettore e legge la sequenza di basi azotate. Infatti, la sequenza di basi azotate che il DNA utilizza come le lettere di un alfabeto a quattro lettere ci danno l'informazione genetica. Tutta la parte sulla lettura del DNA, trasmissione genetica, la faremo in biologia, però sappiate che lo scopo di questi legami idrogeno, volutamente deboli, è quello di rendere la molecola del DNA facilmente apribile in questo punto per poter permettere la lettura dell'informazione che conserva sotto forma di sequenza di basi azotate.

Andiamo avanti e parliamo adesso dell'ATP, l'adenosina trifosfato. Vi ho detto che le basi azotate hanno anche un'altra funzione, oltre a conservare l'informazione genetica, hanno l'importante funzione di partecipare ai processi energetici del metabolismo cellulare. Praticamente è una molecola che può conservare energia chimica sotto forma dei legami chimici e poterla liberare quando serve. Partiamo dal nucleotide: base, abbiamo già visto, gruppo fosfato, zucchero pentoso, base azotata. In questo caso, nell'adenosina trifosfato, la base azotata è sempre l'adenina. Quindi tutte e tre gli elementi sono fissi, non c'è una parte variabile. Però la cosa importante è vedere che ci sono altri due gruppi fosfati agganciati a creare una coda di tre gruppi fosfati. Perché questo? Perché il legame chimico tra i gruppi fosfati è molto energetico. Ogni volta che viene rotto, libera l'equivalente di 7,3 kcal per mole di molecole di ATP. Quindi questa molecola è una specie di batteria ambulante che può trattenere l'energia sotto forma di legami chimici e rilasciarla quando serve. Vedremo quando faremo biologia che queste molecole fanno funzionare, ad esempio, le pompe proteiche della membrana cellulare. Quando queste proteine devono funzionare, utilizzano queste molecole come delle batterie che funzionano quando gli si strappa la coda. Quindi è, è semplicemente una batteria usa e getta, però in realtà vedremo questa batteria può essere recuperata e riciclata. Quindi per ogni ATP ci sono due legami per gruppo fosfato che possono essere utilizzati. Una volta che l'ATP perde un gruppo fosfato con il legame e diventa ADP, cioè adenosina difosfato, perché da tre passa a due, può essere utilizzata una seconda volta e liberare altri 7,3 kcal per mole, stavolta di ADP. Pip, perché una volta che ha perso un gruppo fosfato e se cominci attaccare, non è più come detto prima un ATP ma una ADP. Fino a qua è conveniente, cioè fino a qua questa batteria rilascia abbastanza energia da rendere utile, quindi davvero un senso alla sua esistenza. Poi, in realtà, anche il legame tra il primo gruppo fosfato e lo zucchero pentoso contiene energia, però molta di meno. Infatti, se venisse rotta questo legame, rilascerebbe meno della metà dell'energia della rottura dei legami precedenti, solamente 3,4 kcal per mole di AMP, adenosina monofosfato. Perché dopo che ha perso due gruppi, non è più ATP o ADP, ma diventa adenosina monofosfato. Però l'adenosina monofosfato non ha abbastanza energia da rendere conveniente il suo utilizzo e quindi di fatto non succede mai che si rompa questo legame per ricavare questi 3,4 kcal per mole. Quindi, che cosa succede? Che una volta che l'ATP perde due gruppi fosfato, è inutilizzabile. Però può essere riciclato, ovvero durante i processi nella biologia in cui si ricava l'energia dello zucchero che mangiamo e dall'ossigeno che respiriamo, l'energia ricavata viene immagazzinata in questa molecola sotto forma di nuovi legami di gruppo fosfato. Qui ripeto la stessa cosa che ho detto adesso. La terza cessione, o quella tra il gruppo fosfato e lo zucchero pentoso, non è energeticamente conveniente, quindi non conviene e non avviene.

Andiamo avanti e vediamo meglio questo processo. Qui, diciamo, in questa slide sintetizzo quello che ho già detto. Si vede l'ATP con tre gruppi fosfato che rilascia energia quando ne perde uno e diventa ADP, che era solamente due. È possibile che durante le reazioni metaboliche in cui si ricava energia dal metabolismo cellulare, come vedremo nella prossima lezione, ovvero dalla combustione nei nostri mitocondri delle nostre cellule di zucchero e ossigeno, questa molecola possa essere rigenerata e quindi riciclata. Quindi non è una molecola usa e getta, è una molecola che si utilizza e poi può essere riciclata nuovamente all'infinito. E questa molecola di fatto porta a questi pacchetti di energia sotto forma di legami chimici in tutte le parti del corpo, in particolare dentro le cellule, e fa funzionare i vari processi biologici, ad esempio dalla distensione e contrazione dei nostri muscoli fino alle pompe proteiche delle membrane cellulari che permettono alla cellula di poter funzionare. Quindi è importantissimo. Quindi vedrete che gli acidi nucleici non hanno solamente la funzione genetica, ovvero quella di conservare e trasmettere i geni, ma anche quella di partecipare attivamente, far funzionare il metabolismo del nostro corpo.

Oltre all'ATP, esiste novate due molecole che fanno più o meno lo stesso lavoro ma in modo diverso, che sono il NAD e il FAD. Cominciamo a vedere il NAD. È un'altra molecola costituita da nucleotidi, stavolta sono due nucleotidi legati con due basi azotate diverse, e questa molecola trattiene energia sotto forma di un legame con un idrogeno extra. Qui abbiamo la forma scarica della molecola, forma carica, ovvero la differenza che c'è tra questa molecola e questa molecola è l'idrogeno extra che vediamo qui in cima. Praticamente, quando la molecola trattiene questo idrogeno extra, sta trattenendo un pacchetto di energia che può trasportare da una parte all'altra della cellula. In questa raffigurazione vediamo cosa succede, ovvero la molecola si riduce e si ossida acquistando o lasciando energia, e c'è la formula in cui c'è in più, ovvero la molecola NADP ionica più l'idrogeno che acquisisce durante l'assorbimento di energia più i due elettroni che di fatto acquisisce in questa reazione di ossidoriduzione, e qui abbiamo una molecola neutra finale dove praticamente ha accumulato l'energia sotto forma del legame con questo idrogeno. Di fatto, questa molecola partecipa ai processi metabolici trasportando questi pacchetti di energia da una parte all'altra della cellula.

Abbiamo anche un'altra molecola che fa lo stesso lavoro, un po' più complessa, qui c'è il nucleotide con un altro complesso molecolare e questo si chiama FAD. Anche questo fa da una versione a bassa da energia a quella che cambia, che praticamente ci sono due idrogeni extra nella versione carica della molecola. Infatti, quando la molecola è scarica, non ci sono questi due idrogeni. Durante questa reazione chimica, la molecola acquisisce i due idrogeni, quindi due elettroni, e diventa carica. La reazione è di questo tipo, e abbiamo che la molecola finale diventa FADH2.

Riassumendo, quali sono le funzioni degli acidi nucleici? La funzione primaria è quella genetica, ovvero quella di conservare e trasmettere le informazioni genetiche di un essere vivente. Poi abbiamo la funzione energetica, ovvero queste molecole, da ATP, trasportano i pacchetti di energia da un processo metabolico all'altro nel metabolismo di una cellula. Lo vedremo nell'importantissimo ciclo di Krebs, che faremo nella prossima lezione con i metabolismi. Il ciclo di Krebs è una serie di reazioni chimiche che avvengono dentro i mitocondri e permettono alle cellule di svolgere la loro respirazione. E poi un altro ruolo importante è quello della sintesi proteica, ovvero due forme di RNA, il messaggero (quindi mRNA) e quello di trasporto (il tRNA) lavorano insieme per sintetizzare le proteine in un organo della cellula chiamato ribosoma.

Detto questo, ho finito questa lezione. Nella prossima lezione parleremo delle vie metaboliche, quindi i vari metabolismi che avvengono dentro gli altri 20, in particolare dentro le cellule, e vedremo come molte molecole viste in questa lezione, in particolare l'ATP, lavorano in questi processi metabolici. Potete trovare questa lezione e tutto il corso completo sul mio canale YouTube e sono pagine Instagram e Facebook Prof Antonio Iacono. Grazie.