La composizione chimica degli esseri viventi

La materia vivente non è solo un insieme di sistemi fisico-chimici, è una struttura molto complessa capace di un comportamento altrettanto complesso.

La biologia molecolare e la biochimica studiano l’architettura molecolare della vita. Uno dei più importanti successi della biologia molecolare è stato quello della scoperta del DNA, il depositario dell’informazione genetica, della sua struttura e della sua duplicazione.

LA COMPOSIZIONE CHIMICA DEGLI ESSERI VIVENTI
In una cellula sono presenti diversi tipi di atomi, ioni e molecole e tutte le attività cellulari si svolgono secondo sequenze ordinate di reazioni chimiche.

La struttura chimica degli esseri viventi è composta da otto elementi fondamentali (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo, potassio e calcio) e da altri che variano in quantità molto ridotte e presenti in tracce (silicio, alluminioâ€¦).

COMPOSIZIONE CHIMICA DELL’UNIVERSO

COMPOSIZIONE CHIMICA DELL’UOMO

MOLECOLE
Le molecole sono delle aggregazioni funzionali di atomi, i quali stabiliscono tra loro dei legami, più o meno forti. Le molecole si dividono in due tipologie principali:

1) molecole organiche – aggregazioni di atomi in grado di costituire degli organi, ovvero delle unità anatomiche, fisiologiche e funzionali alla vita
2) molecole inorganiche – aggregazioni di atomi non in grado di costituire degli organi e quindi non in grado, da sole, di realizzare la vita.

Le molecole organiche sono composti chimici che contengono atomi di carbonio con numero di ossidazione < di ⁺4
Le molecole inorganiche sono composti chimici che non contengono atomi di carbonio o ne contenga con numero di ossidazione ugiale a ⁺4

Il carbonio con numero di ossidazione < di +4 fondamentale per la vita

Da quanto detto si evince chiaramente che la differenza biochimica tra molecola organica e molecola inorganica è la presenza o meno del carbonio con numero di ossidazione < di +4. Questo perchè è tale atomo ad essere fondamentale per le funzioni fisiologiche degli esseri viventi.

Da un punto di vista della struttura chimica le molecole organiche sono più complesse di quelle inorganiche.

Sono esempi di molecole inorganiche: l’acqua, i sali minerali, l’anidride carbonica, i bicarbonati, i carbonati e il monossido di carbonio.

Sono esempi di molecole organiche: i protidi, i glucidi, le vitamine, l’ATP, gli acidi nucleici.

Le molecole organiche dunque sono caratterizzate soprattutto per la presenza dei legami carbonio-idrogeno che sono fondamentali per la generazione delle sostanze nutritive che servono a far vivere la cellula.

LA CHIMICA DELLA VITA SULLA TERRA
La chimica della vita sulla Terra è fondamentalmente la chimica dell’acqua, che è la molecola inorganica più abbondante sul pianeta e la chimica del carbonio perchè è l’atomo che – all’interno della struttura organica – più di tutti ha la capacità di formare composti: circa il 95% del peso secco di una cellula è costituito dai composti del carbonio.

L’importanza dell’acqua sulla vita è data da tre fattori:

1) Il fatto che la vita si sia probabilmente originata nell’acqua dei mari;

2) Il fatto che le proprietà dell’acqua condizionano la chimica di tutti gli esseri viventi;

3) Il fatto che la maggior parte delle reazioni chimiche delle cellule si svolge in un ambiente acquoso.

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LE MOLECOLE ORGANICHE

L’acqua
I sali minerali

L’ACQUA

L’acqua è la molecola più abbondante negli esseri viventi. Questo perchè l’acqua ha determinate caratteristiche che la rendono funzionale al meccanismo della vita. Ovvero:

1) L’acqua è un ottimo solvente – ciò significa che gas come l’ossigeno e l’anidride carbonica, i Sali minerali, molte sostanze organiche si trovano frequentemente disciolti i in soluzione acquosa, l’acqua, è la fase disperdente delle macromolecole come i protidi e i lipidi.

2) L’acqua è un mezzo di trasporto - con l’acqua vengono trasportate dentro la cellula varie sostanze nutritizie e viceversa dall’interno possono essere portate via le sostanze di rifiuto.

3) L’acqua è sede di reazione – nell’ambiente acquoso si realizzano numerose reazioni chimiche cellulari.

4) L’acqua è un tonico cellulare – grazie alla presenza dell’acqua insieme ai Sali minerali nelle cellule, queste possono rimanere turgide.

5) L’acqua è un termoregolatore – l’acqua richiede per l’evaporazione una certa quantità di calore, ciò significa che attraverso di essa le cellule possono eliminare buona parte del calore in eccesso.

I SALI MINERALI
Le sostanze minerali sono quella parte della materia vivente che rimane intatta anche dopo incenerimento. I Sali minerali sono presenti come cristalli di carbonato di calcio e di fosfato di calcio nella matrice inorganica delle parti scheletriche e dei denti degli animali o come sostanza impregnante nella parete cellulare di alcuni vegetali.

In una persona di genere maschile, di 70 kg, i Sali minerali rappresentano il 5% del peso. Questi si trovano soprattutto nelle ossa (1,3 kg di calcio); nel sangue (potassio, zolfo, magnesio), nelle ghiandole (25 / 50 mg di iodio nella ghiandola tiroidea).

In forma ionica, i Sali minerali sono poi presenti in soluzione nei liquidi cellulare e intercellulari degli organismi viventi, dove svolgono funzioni vitali. Tra i cationi più diffusi vi sono: Na ⁺, K⁺, Ca ⁺⁺, Mg⁺⁺, Fe ⁺⁺; tra gli anioni: Cl^– SO⁴ ^— e PO ⁴ ^— .

LE MOLECOLE ORGANICHE
Per molecole organiche s’intendono quelle aggregazioni di atomi che determinano delle molecole in grado di costituire degli organi, ovvero delle unità anatomiche, fisiologiche e funzionali alla vita.

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Le molecole organiche sono:

i glucidi;
i protidi;
i lipidi;
gli enzimi;
le vitamine.

GLUCIDI, PROTIDI E LIPIDI: I MACRONUTRIENTI
Glucidi, protidi e lipidi sono le molecole organiche che costituiscono i macronutrienti da cui l’organismo attinge attraverso l’alimentazione per avere l’energia necessaria a mantenersi in vita.

Si tratta di aggregazioni di atomi in cui tre sono comune a tutti, il carbonio, l’idrogeno e l’ossigeno, mentre l’azoto, il ferro, il sodio, il magnesio e lo iodio sono atomi che compaiono solo nella costituzione delle proteine. La formazione di queste molecole avviene con la eliminazione dell’acqua.

I GLUCIDI
I glucidi, o carboidrati, sono considerati dei composti ternari, perchè le loro molecole sono costituite da atomi di carbonio (C), ossigeno (O) e idrogeno (H).

Ad essi appartengono diverse sostanze, come ad esempio gli zuccheri, l’amido, la cellulosa, il glicogeno. Alcune di esse sono solubili in acqua, come ad esempio gli zuccheri, altre non lo sono, come ad esempio la cellulosa.

I glucidi sono sintetizzati nei cloroplasti delle cellule vegetali durante la fotosintesi clorofilliana ed hanno due funzioni di fondamentale importanza:

sono la principale sorgente di energia per la maggior parte degli esseri viventi
costituiscono il materiale di partenza per la sintesi di molte altre molecole organiche

I glucidi si possono distinguere in semplici e complessi. I glucidi semplici, detti monosaccaridi sono quelli formati da un’unica molecola di zucchero; tra essi i più diffusi negli esseri viventi sono gli zuccheri a 5 atomi di carbonio, costituenti degli acidi nucleici, e gli zuccheri a 6 atomi di carbonio come il glucosio, il galattosio, il fruttosio ecc.

Il glucosio è lo zucchero che sta alla base di gran parte del metabolismo delle cellule, è una molecola piccola, solubile in acqua e perciò facilmente utilizzabile dalle cellule.

I glucidi complessi, o polisaccaridi, sono quelli formati dall’unione di 2 o più molecole di monosaccaridi. Esempi di polisaccaridi sono l’amido, la riserva dei vegetali, la cellulosa, la costituente della parete cellulare dei vegetali, il glicogeno, riserva delle cellule animali.

Attraverso l’idrolisi, cioè con l’aggiunta di acqua, i polisaccaridi possono essere scomposti in monosaccaridi. Esempio di idrolisi è la digestione, dove per azione di alcuni enzimi, i glucidi complessi vengono idrolizzati in glucidi più semplici, i soli che, attraverso il torrente circolatorio, possono arrivare alle cellule.

A differenza dell’uomo alcuni altri animali sono capaci di idrolizzare l’amido; mentre gli erbivori possono idrolizzare la cellulosa.

I LIPIDI
I lipidi, o grassi, sono anch’esse sostanze ternarie, ancora una volta, come i glucidi, costituite da idrogeno, ossigeno e carbonio, da cui però si differenziano per alcune proprietà .

I lipidi sono insolubili in acqua con cui formano delle emulsioni; mentre sono solubili con solventi quali l’acetone o l’etere.

I lipidi si distinguono in semplici e complessi. Dei primi fanno parte i grassi neutri o trigliceridi; dei secondi appartengono i lipidi delle membrane cellulari, la vitamina D, gli ormoni sessuali e gli acidi biliari.

Dalla demolizione di una molecola di lipide la cellula ottiene il doppio dell’energia che si ricava dalla stessa quantità di glucidi e protidi.

Negli organismi viventi i lipidi rappresentano ottime sostanze di riserva che si accumulano nei tessuti adiposi a cui essi attingono quando il nutrimento si fa scarso.

Anche i vegetali accumulano notevoli quantità di lipidi nei semi e nei frutti, tanto da poter essere sfruttati per l’estrazione di olii commestibili e industriali (olio di oliva, di arachidi, di mais, di ricino, di linoâ€¦).

La molecola dei lipidi di riserva è quella dei trigliceridi che sono il tipo di lipide più abbondante in natura (circa il 98% dei grassi presenti negli animali e negli alimenti). Essa è formata da un alcol, la glicerina e da un acido grasso (acido oleico, palmitico, butirrico, ecc.). Nella sintesi di un trigliceride una molecola di alcol si combina con tre di acidi grassi con l’eliminazione di tre molecole d’acqua. Questa reazione avviene sotto l’azione di particolari enzimi.

I PROTIDI
I protidi, o proteine, sono i composti organici più diffusi nelle cellule viventi. La loro molecola è di grandi dimensioni ed è costituita da un composto quaternario composta oltre che da carbonio, idrogeno e ossigeno come nel caso dei glucidi e dei lipidi, anche di azoto oppure, talvolta, di sodio, potassio, ferro, magnesio o iodio.

La funzione principale dei protidi è plastica cioè sono essi il materiale principale di cui sono costituite le strutture cellulari; mentre, una funzione secondaria ma non meno importante è quella di normalizzazione metabolica. Sono infatti proteine gli enzimi (funzione di controllo); gli ormoni (funzione di regolazione) o l’emoglobina (funzione di trasporto).

Come detto le proteine sono costituite da molecole di grandi dimensioni e sono costituite da unità più piccole, dette aminoacidi. Gli aminoacidi si combinano per formare le proteine attraverso il legame peptidico che si realizza con l’eliminazione di una molecola d’acqua. Viceversa la rottura delle proteine avviene per aggiunta di una molecola d’acqua. Il processo di sintesi proteica avviene all’interno delle cellule (verifica dove avviene quello dei lipidi), mentre quello di distruzione, detto anche idrolisi o digestione può avvenire sia all’interno che all’esterno della cellula. Questi processi ovviamente avvengono sotto l’azione catalizzatrice degli enzimi.

Gli aminoacidi, a differenza delle proteine, sono solubili in acqua. Questo perchè le loro ridotte dimensioni gli consentono di attraversare la membrana cellulare.

L’importanza delle proteine oltre all’aspetto plastico e metabolico è legata anche all’identità specifica di un individuo o di una specie. Ciò significa che conoscere l’identità di una proteina che è presente all’interno di un organismo, molto spesso è un tratto distintivo unico di esso perchè le proteine dispongono di tale specificità .

GLI ENZIMI
Ogni organismo è un sistema chimico vivente in cui le sostanze che lo compongono si modificano in continuazione. Le molecole dunque interagiscono continuamente tra loro, in un susseguirsi di processi di generazione, rigenerazione e distruzione delle sostanze: sono i cosiddetti processi metabolici.

All’interno della cellula non esistono fonti di energia, come il calore, per lo svolgimento dei processi metabolici, che avrebbe effetti distruttivi sul protoplasma. Per cui gli esseri viventi hanno risolto tale mancanza provvedendo ad assorbire il calore dall’esterno della cellula (reazioni endotermiche) e ad assegnare a speciali proteine, gli enzimi, il compito di abbassare l’energia di attivazione dei processi è il momento di massima richiesta energetica. Un processo ha infatti tre fasi principali: una di attivazione, una di mantenimento e una di disattivazione o spegnimento. Di queste la prima, richiede una disponibilità di energia rispetto alla seconda e alla terza fase.

Gli enzimi sono dunque dei catalizzatori dei processi metabolici: sono agenti esterni che provvedono a velocizzare il processo senza farne parte direttamente. La presenza degli enzimi fa si che i processi avvengano a temperature più basse e più tollerabili dalla cellula.

La specificità degli enzimi

Gli enzimi hanno la caratteristica di essere specifici per ogni reazione. Ogni reazione ha dunque uno specifico enzima che “aiuta” quel processo e non altri. Non ha infatti le caratteristiche chimiche per essere compatibile con altri processi. La molecola della sostanza su cui agisce l’enzima si chiama substrato che può essere un liquido cellulare o un prodotto di scissione degli elementi.

Il prodotto finale risultato dall’interazione substrato + enzima è il prodotto finale che entra nelle cellule attraverso il sangue (in alcune cellule avviene un’ulteriore lavorazione che porta ad un’ulteriore scissione).

L’area attiva dell’enzima deputata alla “cattura” del substrato non sempre è la porzione proteica dell’enzima, ma anche quella non proteica, di natura organica (ad esempio il derivato di una vitamina) o minerale, che si chiama “cofattore“. Cofattore + enzima = coenzima.

LE VITAMINE
Le vitamine sono sostanze organiche di varia natura e più o meno complesse; ciascuna di esse ha una propria costituzione chimica ben definita e una propria attività specifica. Non sono considerate delle sostanze nutritizie, in quanto non apportano materia che possa essere utilizzata direttamente nella costruzione dell’organismo, nè come sostanze energetiche, eppure sono indispensabili alla vita anche se in piccolissime quantità .

Le vitamine funzionano come catalizzatori e, sotto certi aspetti, sono simili agli enzimi. Le vitamine assicurano il normale svolgimento di svariate reazioni biologiche indispensabili per la sopravvivenza degli esseri viventi. Poichè molte vitamine non possono essere sintetizzate dagli organismi viventi, devono essere introdotte con l’alimentazione.

Quantità ridotte o eccessive di vitamine possono alterare certe funzioni fondamentali per la vita. Le vitamine hanno strutture complesse e generalmente vengono suddivise in due gruppi: le vitamine idrosolubili e le vitamine liposolubili.

UNITÀ DEI COSTITUENTI DEGLI ESSERI VIVENTI
Tutti gli esseri viventi, sia vegetali che animali, sono costituiti da:

Acqua
Sali minerali
Glucidi
Protidi
Lipidi
Enzimi
Vitamine,
Acidi Nucleici

Le sostanze organiche sono spesso costituite da grosse molecole o da aggregati di molecole che danno con l’acqua delle soluzioni colloidali. Le macromolecole allo stato colloidale rappresentano l’organizzazione fondamentale della materia vivente; questo stato di dispersione ha un ruolo fondamentale negli scambi e nelle reazioni che reggono la vita cellulare.

DIFFERENZE TRA ANIMALI E VEGETALI
Tra gli organismi animali e vegetali ci sono alcune fondamentali differenze per quanto riguarda la composizione chimica.

La concentrazione di ioni sodio e potassio non è la stessa → gli animali contengono più sodio che potassio;
alcuni glucidi, come l’amido e la cellulosa sono caratteristici dei vegetali, mentre il glicogeno è un glucide tipico degli animali;
ciascun individuo di una determinata specie ha una propria individualità chimica dovuta al proprio patrimonio genetico (il DNA);
le unità fondamentali che costituiscono le proteine e il DNA sono sempre le stesse: una ventina di aminoacidi, cinque nucleotidi e pochi zuccheri caratteristici.

Questa profonda unità fisico-chimica, anche se nascosta da una prodigiosa diversità di forme, spiega perchè certi processi cellulari sono tano simili sia negli esseri più semplici sia in quelli più complessi, animali e vegetali. Praticamente quanto è vero per un batterio, è anche vero per una quercia o un elefante o una balena.