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I sei elementi fondamentali della vita (CHONPS)

In ogni cellula sono presenti atomi, ioni e molecole che interagiscono continuamente tra loro. Tutte le attività cellulari, dalla produzione di energia alla sintesi delle proteine fino alla duplicazione del DNA, avvengono attraverso una complessa e ordinata successione di reazioni chimiche, indispensabili per il mantenimento della vita.

La composizione chimica degli esseri viventi è costituita principalmente da sei elementi fondamentali: carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo (CHONPS). Questi elementi rappresentano oltre il 96% della massa degli organismi viventi e costituiscono le principali biomolecole, come carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. A essi si aggiungono altri elementi essenziali presenti in quantità minori, come calcio, potassio, sodio, magnesio e cloro, oltre a numerosi oligoelementi, tra cui ferro, zinco, rame, iodio e manganese, indispensabili per il corretto funzionamento delle cellule e dei processi metabolici.

• Carbonio (C)
• Idrogeno (H)
• Ossigeno (O)
• Azoto (N)
• Fosforo (P)
• Zolfo (S)

Questi sei elementi costituiscono oltre il 96% della massa degli organismi viventi e sono i principali componenti di carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

Macroelementi minerali essenziali

Accanto ai sei elementi fondamentali troviamo altri elementi indispensabili, presenti in quantità minori:

• Calcio (Ca)
• Potassio (K)
• Sodio (Na)
• Magnesio (Mg)
• Cloro (Cl)

Questi partecipano a funzioni fondamentali come la trasmissione degli impulsi nervosi, la contrazione muscolare, l’equilibrio idrico e la struttura di ossa e denti.

Oligoelementi (presenti in tracce)

• Ferro (Fe)
• Zinco (Zn)
• Rame (Cu)
• Manganese (Mn)
• Iodio (I)
• Cobalto (Co)
• Molibdeno (Mo)
• Selenio (Se)

Composizione chimica dell’Universo 

La composizione chimica dell’Universo riflette la storia della sua evoluzione iniziata con il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa. Nei primi minuti dopo la nascita dell’Universo si formarono quasi esclusivamente idrogeno ed elio, che ancora oggi rappresentano oltre il 97% della massa dell’Universo osservabile. Gli elementi più pesanti, come ossigeno, carbonio, ferro, azoto e silicio, sono invece stati prodotti successivamente all’interno delle stelle attraverso i processi di fusione nucleare e dispersi nello spazio dalle esplosioni delle supernove. Questi elementi hanno dato origine ai pianeti, alle rocce e, miliardi di anni più tardi, agli organismi viventi. Conoscere la composizione chimica dell’Universo significa comprendere l’origine della materia e il lungo processo cosmico che ha portato alla formazione del Sistema Solare, della Terra e della vita stessa.

Questo paragrafo introduce efficacemente il tema e crea un collegamento naturale con gli argomenti che hai già trattato sul Big Bang, sulla nucleosintesi stellare, sulle supernove e sull’origine della vita, migliorando anche la coerenza SEO dell’intero percorso didattico.

Composizione chimica della crosta terrestre

La composizione chimica della crosta terrestre è il risultato di miliardi di anni di evoluzione geologica iniziata con la formazione della Terra, circa 4,54 miliardi di anni fa. La crosta rappresenta lo strato più esterno e sottile del nostro pianeta ed è costituita prevalentemente da ossigeno e silicio, che insieme formano oltre il 74% della sua massa. A questi si aggiungono altri elementi fondamentali, come alluminio, ferro, calcio, sodio, potassio e magnesio, che costituiscono la maggior parte delle rocce e dei minerali presenti sulla superficie terrestre. Conoscere la composizione chimica della crosta terrestre permette di comprendere la formazione delle rocce, dei continenti, dei suoli e dei processi geologici che hanno reso possibile lo sviluppo della vita sul nostro pianeta. Inoltre, gli elementi presenti nella crosta rappresentano la principale riserva di materie prime utilizzate dall’uomo per la costruzione, l’industria e la produzione di energia.

Composizione chimica dell’atmosfera terrestre

La composizione chimica dell’atmosfera terrestre è il risultato di un lungo processo evolutivo iniziato oltre 4 miliardi di anni fa e profondamente modificato dalla comparsa della vita. L’atmosfera attuale è costituita principalmente da azoto (78,08%) e ossigeno (20,95%), mentre il restante 1% comprende argon, anidride carbonica e altri gas presenti in quantità molto ridotte ma fondamentali per l’equilibrio climatico e biologico del pianeta. L’ossigeno atmosferico, oggi indispensabile per la respirazione della maggior parte degli organismi viventi, si è accumulato grazie alla fotosintesi svolta dai cianobatteri e, successivamente, dalle piante. Conoscere la composizione chimica dell’atmosfera terrestre permette di comprendere il funzionamento dei principali processi naturali, come il clima, il ciclo dell’acqua, l’effetto serra, la respirazione degli esseri viventi e la protezione dai raggi ultravioletti garantita dallo strato di ozono.

Composizione chimica dell’essere umano

La composizione chimica dell’essere umano è il risultato dell’organizzazione di pochi elementi fondamentali che, combinandosi tra loro, rendono possibile la vita. Circa il 99% della massa del corpo umano è costituito da otto elementi principali: ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, calcio, fosforo, potassio e zolfo. Tra questi, l’ossigeno è l’elemento più abbondante grazie all’elevata quantità di acqua presente nell’organismo, mentre carbonio, idrogeno e azoto costituiscono l’ossatura delle principali biomolecole, come carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Calcio e fosforo sono indispensabili per la formazione di ossa e denti, mentre potassio e zolfo partecipano a numerosi processi metabolici e cellulari. Oltre a questi elementi, il corpo umano contiene piccole quantità di sodio, magnesio, cloro, ferro, zinco, rame, iodio e altri oligoelementi, fondamentali per il corretto funzionamento dell’organismo. Comprendere la composizione chimica dell’essere umano significa capire come la materia, organizzata nelle cellule, dia origine alla straordinaria complessità del corpo umano e alle sue funzioni vitali.

Molecole

La materia vivente è costituita dagli stessi elementi chimici presenti nell’Universo, organizzati però in strutture molecolari estremamente complesse. La straordinaria caratteristica degli organismi viventi non dipende dalla natura degli atomi che li compongono, ma dal modo in cui questi si combinano per formare molecole capaci di svolgere funzioni specifiche, come produrre energia, costruire cellule, trasmettere informazioni genetiche e regolare i processi vitali.

La biologia molecolare e la biochimica sono le discipline scientifiche che studiano la struttura, l’organizzazione e il funzionamento delle molecole della vita. Tra le più importanti si trovano carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici, biomolecole indispensabili per la crescita, il metabolismo, la riproduzione e il mantenimento degli organismi viventi.

Uno dei più grandi risultati della biologia molecolare è stata la scoperta della struttura del DNA (acido desossiribonucleico), la molecola che conserva e trasmette l’informazione genetica da una generazione all’altra. La comprensione della sua struttura a doppia elica e dei meccanismi di duplicazione ha rivoluzionato la biologia moderna, permettendo di spiegare i processi dell’ereditarietà, delle mutazioni e dell’evoluzione degli esseri viventi.

Aggregazione di atomi

Le molecole sono aggregati di due o più atomi uniti tra loro mediante legami chimici. Questi legami possono essere più o meno forti e determinano la struttura, la stabilità e le proprietà delle sostanze. Tutta la materia, sia vivente sia non vivente, è costituita da molecole che interagiscono continuamente attraverso reazioni chimiche.

Dal punto di vista della chimica, le molecole si distinguono principalmente in:

• molecole organiche
• molecole inorganiche

Molecole organiche

Le molecole organiche sono composti chimici basati principalmente sul carbonio, generalmente legato a idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. Grazie alla straordinaria capacità del carbonio di formare catene e strutture complesse, queste molecole costituiscono le principali biomolecole degli organismi viventi, come carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici (DNA e RNA).

Le molecole organiche rappresentano la base strutturale e funzionale delle cellule e rendono possibili i processi fondamentali della vita, come il metabolismo, la crescita, la riproduzione e la trasmissione dell’informazione genetica.

Molecole inorganiche

Le molecole inorganiche comprendono tutti quei composti che non possiedono la tipica struttura del carbonio propria delle molecole organiche oppure che, pur contenendo carbonio, appartengono a particolari eccezioni chimiche, come anidride carbonica (CO₂), monossido di carbonio (CO), carbonati e bicarbonati.

Tra le molecole inorganiche più importanti per gli esseri viventi vi sono l’acqua, i sali minerali e numerosi gas atmosferici. Pur non costituendo direttamente le biomolecole, esse sono indispensabili per il corretto svolgimento delle funzioni vitali.

Il ruolo del carbonio

Il carbonio è l’elemento chimico fondamentale della vita grazie alla sua straordinaria capacità di formare quattro legami covalenti stabili con altri atomi. Questa proprietà gli consente di costruire catene lineari, ramificate e ad anello di enorme complessità, dalle quali derivano tutte le principali biomolecole degli organismi viventi.

Dal punto di vista chimico, la maggior parte delle molecole organiche contiene atomi di carbonio con numero di ossidazione inferiore a +4, mentre composti come l’anidride carbonica (CO₂) e i carbonati presentano il carbonio nello stato di ossidazione +4 e vengono generalmente classificati tra i composti inorganici.

È importante sottolineare che la distinzione tra molecole organiche e molecole inorganiche non dipende esclusivamente dal numero di ossidazione del carbonio, ma soprattutto dalla struttura chimica del composto e dal tipo di legami che il carbonio stabilisce con gli altri elementi.

Numero di ossidazione

Il numero di ossidazione è un valore convenzionale che indica la carica elettrica che un atomo avrebbe se tutti i legami della molecola fossero completamente ionici. Questo parametro permette ai chimici di seguire gli spostamenti degli elettroni durante una reazione chimica e di riconoscere i processi di ossidazione e riduzione.

In molte molecole organiche il carbonio possiede un numero di ossidazione inferiore a +4, caratteristica che gli consente di partecipare alle numerose trasformazioni chimiche tipiche della materia vivente.

Elettroni di valenza

Gli elettroni di valenza sono gli elettroni presenti nel livello energetico più esterno dell’atomo. Sono proprio questi elettroni a partecipare alla formazione dei legami chimici tra gli atomi e a determinare le proprietà chimiche degli elementi.

Ossidazione

In origine il termine ossidazione indicava esclusivamente la reazione di una sostanza con l’ossigeno. Oggi, in chimica, il significato è stato esteso e indica qualsiasi processo nel quale un atomo, uno ione o una molecola perde uno o più elettroni. Il processo opposto prende il nome di riduzione e consiste nell’acquisto di elettroni.

Le reazioni di ossidazione e riduzione (reazioni redox) sono fondamentali per il metabolismo cellulare e per numerosi processi biologici, tra cui la respirazione cellulare e la fotosintesi.

Molecole organiche e molecole inorganiche

Dal punto di vista della struttura chimica, le molecole organiche sono generalmente più complesse delle molecole inorganiche. La loro caratteristica principale è la presenza di uno scheletro di atomi di carbonio, nel quale il carbonio forma legami covalenti con altri atomi di carbonio e, nella maggior parte dei casi, con atomi di idrogeno. Questa proprietà consente la formazione di molecole molto grandi e complesse, indispensabili per la vita.

Le molecole inorganiche comprendono invece composti più semplici, come acqua (H₂O), sali minerali, anidride carbonica (CO₂), monossido di carbonio (CO), carbonati e bicarbonati. Sebbene non costituiscano direttamente le principali biomolecole, svolgono funzioni essenziali nei processi biologici e nel mantenimento della vita.

Tra le molecole organiche più importanti si trovano carboidrati (glucidi), lipidi, proteine (protidi), acidi nucleici (DNA e RNA), vitamine e ATP (adenosina trifosfato), la principale molecola coinvolta nel trasferimento dell’energia all’interno delle cellule.

La presenza di legami carbonio-carbonio (C–C) e soprattutto carbonio-idrogeno (C–H) conferisce alle molecole organiche una straordinaria varietà di strutture e proprietà chimiche. Grazie a queste caratteristiche esse possono svolgere funzioni fondamentali negli organismi viventi: costituiscono le membrane cellulari, formano i tessuti, immagazzinano energia, catalizzano le reazioni biochimiche e conservano e trasmettono l’informazione genetica. Per questo motivo le molecole organiche rappresentano la base chimica della vita.

Chimica della vita sulla Terra

La chimica della vita sulla Terra si basa principalmente su due protagonisti: l’acqua e il carbonio. L’acqua è la molecola inorganica più abbondante negli organismi viventi e costituisce il mezzo nel quale avvengono quasi tutte le reazioni biochimiche indispensabili alla vita. Grazie alle sue proprietà chimiche e fisiche, essa favorisce il trasporto delle sostanze, la regolazione della temperatura e il corretto funzionamento delle cellule.

Il carbonio rappresenta invece l’elemento fondamentale della chimica organica. Grazie alla sua capacità di formare quattro legami covalenti stabili con altri atomi di carbonio e con elementi come idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo, può costruire molecole di straordinaria complessità. Da queste strutture derivano tutte le principali biomolecole degli organismi viventi: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici.

Circa il 95% della massa secca di una cellula è costituito da composti organici basati sul carbonio. Per questo motivo il carbonio è considerato il principale elemento strutturale della materia vivente e il fondamento della straordinaria diversità biologica presente sulla Terra.

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Molecole inorganiche

Le molecole inorganiche sono composti chimici indispensabili per la vita, anche se non costituiscono direttamente le principali biomolecole degli organismi viventi. Tra le più importanti si trovano l’acqua e i sali minerali, fondamentali per il corretto funzionamento delle cellule e per il mantenimento dell’equilibrio fisiologico dell’organismo.

L’acqua

L’acqua (H₂O) è la molecola più abbondante negli esseri viventi e rappresenta circa il 60-70% del peso corporeo di un adulto. Grazie alle sue particolari proprietà chimiche e fisiche, costituisce il mezzo nel quale si svolge la maggior parte dei processi biologici.

Le principali funzioni dell’acqua sono:

1. Solvente biologico

L’acqua è un eccellente solvente. In essa si sciolgono gas come ossigeno e anidride carbonica, numerosi sali minerali e molte sostanze organiche, permettendone il trasporto e la partecipazione alle reazioni biochimiche.

2. Mezzo di trasporto

L’acqua trasporta nutrienti, ormoni, gas respiratori e sostanze di rifiuto all’interno dell’organismo, favorendo gli scambi tra cellule, tessuti e organi.

3. Ambiente delle reazioni chimiche

La maggior parte delle reazioni metaboliche cellulari avviene in soluzione acquosa. L’acqua partecipa inoltre direttamente a numerose reazioni chimiche, come l’idrolisi e la fotosintesi.

4. Regolazione del volume cellulare

L’acqua contribuisce, insieme ai sali minerali, al mantenimento del volume e della pressione interna delle cellule (turgore cellulare nelle cellule vegetali), garantendone il corretto funzionamento.

5. Termoregolazione

L’elevato calore specifico e il calore di evaporazione dell’acqua consentono agli organismi viventi di mantenere una temperatura corporea relativamente stabile. Nell’uomo, ad esempio, la sudorazione favorisce la dispersione del calore in eccesso.

L’importanza biologica dell’acqua deriva principalmente da tre fattori:

• la vita si è probabilmente originata in ambienti acquatici;
• quasi tutte le reazioni biochimiche cellulari avvengono in ambiente acquoso;
• l’acqua rende possibile il trasporto delle sostanze e il mantenimento dell’equilibrio interno delle cellule.

I sali minerali

I sali minerali sono sostanze inorganiche essenziali per la vita. Pur rappresentando una piccola percentuale della massa corporea (circa il 4-5% nell’adulto), svolgono funzioni strutturali, regolatrici e metaboliche fondamentali.

Una parte dei sali minerali è presente in forma solida, soprattutto nelle ossa e nei denti, dove calcio e fosforo formano cristalli di fosfato di calcio (idrossiapatite) che conferiscono resistenza allo scheletro. Altri sali minerali si trovano disciolti nei liquidi corporei sotto forma di ioni, contribuendo al corretto funzionamento delle cellule.

Tra i principali cationi si trovano:

• Sodio (Na⁺)
• Potassio (K⁺)
• Calcio (Ca²⁺)
• Magnesio (Mg²⁺)
• Ferro (Fe²⁺/Fe³⁺)

Tra i principali anioni figurano:

• Cloruro (Cl⁻)
• Bicarbonato (HCO₃⁻)
• Fosfato (PO₄³⁻)
• Solfato (SO₄²⁻)

I sali minerali intervengono nella trasmissione degli impulsi nervosi, nella contrazione muscolare, nella regolazione dell’equilibrio idrico e del pH, nella formazione di ossa e denti e nell’attività di numerosi enzimi e ormoni. Per questo motivo, pur essendo presenti in quantità relativamente ridotte, sono indispensabili per il mantenimento della vita.

Principali minerali essenziali per la vita

I minerali essenziali per la vita si distinguono in macroelementi (necessari in quantità maggiori) e oligoelementi (necessari in tracce).

Macroelementi essenziali

• Calcio (Ca)
• Fosforo (P)
• Potassio (K)
• Sodio (Na)
• Magnesio (Mg)
• Cloro (Cl)
• Zolfo (S)

Oligoelementi essenziali

• Ferro (Fe)
• Iodio (I)
• Zinco (Zn)
• Rame (Cu)
• Manganese (Mn)
• Selenio (Se)
• Cobalto (Co)
• Molibdeno (Mo)
• Cromo (Cr)

I principali sali minerali essenziali

• Calcio
• Fosforo
• Potassio
• Sodio
• Magnesio
• Cloro
• Zolfo
• Ferro
• Iodio

Principali minerali essenziali per la vita

Calcio, sodio, potassio, ferro, iodio … sono gli elementi chimici; quando sono presenti nell’organismo si trovano generalmente sotto forma di ioni o di sali minerali (ad esempio cloruro di sodio, fosfato di calcio, bicarbonato di sodio).

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Le molecole organiche

Le molecole organiche sono composti chimici basati sul carbonio che costituiscono la materia fondamentale degli organismi viventi. Grazie alla capacità del carbonio di formare legami covalenti stabili con altri atomi, queste molecole possono raggiungere un elevato grado di complessità e svolgere funzioni indispensabili per la vita.

Le principali biomolecole organiche sono:

• glucidi (carboidrati);
• lipidi;
• proteine (protidi);
• acidi nucleici (DNA e RNA).

A queste si aggiungono numerose altre molecole organiche biologicamente importanti, come le vitamine, l’ATP e molti ormoni.

Macronutrienti

Tra le biomolecole organiche, glucidi, lipidi e proteine rappresentano i principali macronutrienti, cioè le sostanze che l’organismo assume attraverso l’alimentazione in quantità relativamente elevate.

I glucidi costituiscono la principale fonte di energia immediatamente disponibile.

I lipidi rappresentano la più importante riserva energetica dell’organismo e sono componenti essenziali delle membrane cellulari.

Le proteine svolgono soprattutto funzioni strutturali, enzimatiche, regolatrici, immunitarie e contrattili; solo in particolari condizioni possono essere utilizzate anche come fonte energetica.

Queste biomolecole sono costituite principalmente da carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O). Le proteine contengono inoltre azoto (N) e, spesso, anche zolfo (S), mentre gli acidi nucleici contengono anche fosforo (P).

La formazione delle grandi biomolecole avviene frequentemente attraverso reazioni di condensazione (o sintesi per disidratazione), durante le quali due molecole si uniscono eliminando una molecola di acqua. Il processo inverso, chiamato idrolisi, utilizza invece l’acqua per rompere questi legami. 

Glucidi

I glucidi, chiamati anche carboidrati o saccaridi, sono biomolecole organiche fondamentali per la vita. Dal punto di vista chimico sono composti ternari, poiché le loro molecole sono costituite principalmente da tre elementi: carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O).

La loro funzione principale è quella di fornire energia alle cellule. Alcuni glucidi, come il glucosio, rappresentano il combustibile immediatamente disponibile per il metabolismo cellulare, mentre altri, come amido e glicogeno, costituiscono importanti riserve energetiche. Alcuni carboidrati, infine, svolgono anche una funzione strutturale, come la cellulosa, che forma la parete cellulare delle piante, e la chitina, presente nell’esoscheletro degli artropodi e nella parete cellulare dei funghi.

Dal punto di vista nutrizionale, i glucidi rappresentano una delle principali fonti di energia per l’organismo e costituiscono una componente essenziale di una dieta equilibrata.

“O₂”

• Dovrebbe essere semplicemente O (ossigeno come elemento chimico), non O₂, che indica la molecola di ossigeno presente nell’aria.

Ai glucidi, o carboidrati, appartengono numerose sostanze, tra cui zuccheri, amido, glicogeno e cellulosa. Alcuni glucidi, come i monosaccaridi e molti disaccaridi, sono solubili in acqua, mentre altri, come l’amido, il glicogeno e soprattutto la cellulosa, sono poco solubili o insolubili.

Nelle piante, i glucidi vengono sintetizzati nei cloroplasti attraverso il processo della fotosintesi clorofilliana, durante il quale l’energia luminosa viene trasformata in energia chimica immagazzinata nelle molecole di glucosio.

I glucidi svolgono due funzioni fondamentali:

• rappresentano la principale fonte di energia per la maggior parte degli organismi viventi;
• costituiscono il materiale di partenza per la sintesi di numerose altre biomolecole, come lipidi, amminoacidi e acidi nucleici.

I monosaccaridi

I glucidi si classificano in semplici e complessi.

I glucidi semplici comprendono i monosaccaridi, costituiti da una singola molecola di zucchero, e i disaccaridi, formati dall’unione di due monosaccaridi.

Tra i monosaccaridi più importanti si distinguono:

• pentosi (5 atomi di carbonio), come ribosio e desossiribosio, componenti rispettivamente dell’RNA e del DNA;
• esosi (6 atomi di carbonio), come glucosio, fruttosio e galattosio.

Il glucosio rappresenta la principale fonte di energia immediatamente disponibile per le cellule ed è la molecola da cui prende avvio gran parte del metabolismo energetico dell’organismo. Essendo una molecola di piccole dimensioni e facilmente solubile in acqua, può essere rapidamente assorbita e utilizzata dalle cellule.

Monosaccaride: una singola molecola di zucchero.

I polisaccaridi

I polisaccaridi sono glucidi complessi costituiti dall’unione di numerosi monosaccaridi mediante legami glicosidici.

Tra i principali polisaccaridi si ricordano:

• amido, principale sostanza di riserva energetica delle piante;
• glicogeno, principale sostanza di riserva energetica degli animali e dei funghi;
• cellulosa, componente strutturale della parete cellulare delle cellule vegetali;
• chitina, polisaccaride strutturale presente nell’esoscheletro degli artropodi e nella parete cellulare dei funghi.

Polisaccaride: macromolecola costituita da numerose molecole di zucchero unite tra loro.

Idrolisi dei glucidi

L’idrolisi è una reazione chimica nella quale una molecola di acqua rompe i legami che uniscono i monosaccaridi, trasformando i polisaccaridi e i disaccaridi in zuccheri più semplici.

Un esempio di idrolisi è la digestione dei carboidrati: gli enzimi digestivi degradano amido e altri glucidi complessi fino a ottenere monosaccaridi, soprattutto glucosio, che possono essere assorbiti dall’intestino e trasportati dal sangue alle cellule.

L’uomo è in grado di digerire amido e glicogeno, ma non la cellulosa, poiché non possiede l’enzima cellulasi. Molti erbivori riescono invece a utilizzare la cellulosa grazie alla presenza di batteri e altri microrganismi simbionti presenti nel loro apparato digerente, che producono gli enzimi necessari alla sua degradazione.

I lipidi

I lipidi, comunemente chiamati grassi, sono biomolecole organiche insolubili in acqua e solubili nei solventi organici. Costituiscono una delle principali classi di molecole della vita e svolgono numerose funzioni essenziali negli organismi viventi.

Dal punto di vista chimico, i lipidi sono costituiti principalmente da carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O). Rispetto ai glucidi, contengono una percentuale molto minore di ossigeno e, proprio per questo motivo, sono molecole molto ricche di energia.

I lipidi svolgono diverse funzioni biologiche:

• rappresentano la principale riserva energetica dell’organismo;
• costituiscono un importante componente delle membrane cellulari;
• proteggono gli organi interni dagli urti;
• contribuiscono all’isolamento termico del corpo;
• partecipano alla produzione di numerosi ormoni e molecole regolatrici.

Classificazione dei lipidi

Dal punto di vista biochimico, i lipidi si distinguono principalmente in due grandi categorie:

• Lipidi semplici
• Lipidi complessi

Lipidi semplici

I lipidi semplici sono costituiti essenzialmente da acidi grassi legati al glicerolo.

Appartengono a questa categoria:

• trigliceridi, principale forma di riserva energetica;
• cere, con funzione protettiva e impermeabilizzante.

Lipidi complessi

I lipidi complessi sono costituiti da acidi grassi e glicerolo ai quali si aggiungono altri gruppi chimici.

Tra i principali si trovano:

• fosfolipidi, contenenti un gruppo fosfato, principali costituenti delle membrane cellulari;
• glicolipidi, contenenti una componente glucidica, importanti soprattutto nel tessuto nervoso e nel riconoscimento cellulare;
• lipoproteine, complessi costituiti da lipidi e proteine che trasportano i grassi nel sangue.

I lipidi sono le biomolecole che forniscono la maggiore quantità di energia:

• 1 grammo di lipidi = circa 9 kcal
• 1 grammo di glucidi = circa 4 kcal
• 1 grammo di proteine = circa 4 kcal

Per questo motivo rappresentano la principale riserva energetica degli organismi viventi.

Lipidi complessi

I lipidi complessi sono costituiti da una componente lipidica alla quale si aggiungono altri gruppi chimici, come fosfato, carboidrati (zuccheri) o, nel caso delle lipoproteine, specifiche proteine. Questi gruppi conferiscono ai lipidi nuove proprietà chimiche e biologiche, rendendoli fondamentali nella struttura delle membrane cellulari, nel trasporto dei grassi e nei processi di riconoscimento tra le cellule.

A differenza dei lipidi semplici, i lipidi complessi contengono generalmente una quantità relativamente maggiore di ossigeno e, in alcuni casi, anche fosforo, azoto o carboidrati.

Esempi di lipidi semplici e complessi

Tra i lipidi semplici si distinguono:

• trigliceridi, principale riserva energetica dell’organismo;
• cere, con funzione protettiva e impermeabilizzante.

Tra i lipidi complessi si trovano invece:

• fosfolipidi, principali costituenti delle membrane cellulari;
• glicolipidi, importanti nel riconoscimento cellulare e particolarmente abbondanti nel tessuto nervoso;
• lipoproteine, complessi costituiti da lipidi e proteine che trasportano i grassi nel sangue.

Gli steroidi (come il colesterolo e gli ormoni steroidei) rappresentano una categoria di lipidi a sé stante, caratterizzata da una struttura ad anelli e da funzioni prevalentemente regolatrici.

Solubilità

I lipidi sono insolubili in acqua (idrofobici), ma sono solubili nei solventi organici, come etere, cloroformio, benzene e acetone.

In presenza di acqua e di sostanze emulsionanti, come i sali biliari o alcuni fosfolipidi, possono formare emulsioni, cioè dispersioni di minuscole goccioline lipidiche nel mezzo acquoso.

Energia dei lipidi

I lipidi rappresentano la più importante riserva energetica degli organismi viventi.

L’ossidazione di 1 grammo di lipidi libera circa 9 kcal (38 kJ), mentre 1 grammo di glucidi o di proteine fornisce circa 4 kcal (17 kJ).

Per questo motivo, a parità di massa, i lipidi forniscono oltre il doppio dell’energia rispetto ai glucidi e alle proteine, costituendo il principale deposito energetico dell’organismo.

I lipidi rappresentano la più importante riserva energetica degli organismi viventi. La loro struttura chimica contiene una quantità molto elevata di legami tra carbonio (C) e idrogeno (H), ricchi di energia chimica. Quando questi legami vengono ossidati durante il metabolismo cellulare, liberano una quantità di energia nettamente superiore rispetto a quella ottenuta dai glucidi e dalle proteine.

Per confrontare correttamente il potere energetico dei diversi nutrienti, non si considera una singola molecola, che può avere dimensioni molto diverse, ma la stessa massa di sostanza. In nutrizione, infatti, il confronto viene effettuato su 1 grammo di alimento.

I valori energetici medi sono:

• 1 grammo di glucidi = circa 4 kcal (17 kJ)
• 1 grammo di proteine = circa 4 kcal (17 kJ)
• 1 grammo di lipidi = circa 9 kcal (38 kJ)

Ciò significa che, a parità di peso, i lipidi forniscono oltre il doppio dell’energia rispetto ai glucidi e alle proteine. Per questo motivo l’organismo utilizza i glucidi come fonte energetica immediata, mentre immagazzina i lipidi nel tessuto adiposo come riserva da utilizzare durante il digiuno, l’attività fisica prolungata o quando le riserve di glucosio si riducono.

Per “la stessa massa di sostanza” si intende lo stesso peso, cioè confrontare 1 grammo di glucidi, 1 grammo di proteine e 1 grammo di lipidi.

Il motivo è che una molecola di lipide è molto più grande e pesante di una molecola di glucosio o di un amminoacido. Se confrontassimo una sola molecola, il confronto sarebbe scorretto.

“Per confrontare correttamente il potere energetico dei diversi nutrienti, il confronto viene effettuato a parità di peso, cioè considerando 1 grammo di glucidi, 1 grammo di proteine e 1 grammo di lipidi. In questo modo è possibile stabilire quale sostanza fornisce più energia a parità di quantità.”

Una molecola di lipide libererebbe molta più energia di una molecola di glucide, ma il confronto non ha significato pratico perché le molecole hanno dimensioni e masse molto diverse.

Vediamo perché.

Confronto tra una molecola di glucosio e una molecola di trigliceride

Il glucide più comune è il glucosio, che ha formula:

C₆H₁₂O₆

Un comune lipide di riserva, ad esempio un trigliceride, può avere una formula come:

C₅₅H₉₈O₆

Si vede subito che la molecola del trigliceride è molto più grande:

• contiene circa 9 volte più atomi di carbonio;
• contiene molte più coppie carbonio-idrogeno (C–H), che sono i legami da cui si ricava la maggior parte dell’energia.

Di conseguenza, una singola molecola di trigliceride libera molta più energia di una singola molecola di glucosio.

Perché allora si usa il grammo?

Immagina di confrontare:

• una bicicletta;
• un autobus.

Chiedere quale dei due può trasportare più persone è poco utile se non si tiene conto delle dimensioni.

Lo stesso vale per le molecole:

• una molecola di glucosio è relativamente piccola;
• una molecola di trigliceride è molto più grande.

Per questo motivo, in biochimica e nutrizione si confrontano quantità che hanno lo stesso peso (ad esempio 1 grammo). Così il confronto è equo.

Riassumendo

• Una molecola di lipide → libera molta più energia di una molecola di glucosio o di un amminoacido.
• Un grammo di lipidi → fornisce circa 9 kcal.
• Un grammo di glucidi o proteine → fornisce circa 4 kcal.

È quest’ultimo confronto, a parità di massa, che viene utilizzato in fisiologia, nutrizione e biochimica perché consente di valutare correttamente la densità energetica dei diversi nutrienti.

ENERGIA FORNITA DAI MACRONUTRIENTI

Glucidi   ⚡⚡⚡⚡        4 kcal/g

Proteine  ⚡⚡⚡⚡        4 kcal/g

Lipidi    ⚡⚡⚡⚡⚡⚡⚡⚡⚡   9 kcal/g

Sostanze di riserva

Negli organismi viventi i lipidi rappresentano la principale riserva energetica. Negli animali vengono immagazzinati soprattutto nel tessuto adiposo, dal quale possono essere mobilizzati e utilizzati quando l’apporto di nutrienti diminuisce, durante il digiuno o nel corso di un’attività fisica prolungata.

Oltre alla funzione di riserva energetica, i lipidi svolgono numerose altre funzioni biologiche fondamentali. Essi:

• costituiscono i principali componenti delle membrane cellulari e delle membrane nucleari;
• partecipano ai processi di produzione dell’energia cellulare, in particolare attraverso il metabolismo mitocondriale;
• sono precursori di importanti molecole regolatrici, come le prostaglandine, coinvolte nei processi infiammatori, nella coagulazione del sangue e nella regolazione della pressione arteriosa;
• contribuiscono all’isolamento termico del corpo e alla protezione meccanica degli organi interni.

Lipidi nei vegetali

Anche i vegetali accumulano significative quantità di lipidi, soprattutto nei semi e nei frutti, dove costituiscono una preziosa riserva energetica necessaria allo sviluppo della nuova pianta durante la germinazione.

Molti oli vegetali vengono estratti proprio da queste riserve lipidiche, come l’olio di oliva, l’olio di arachidi, l’olio di mais, l’olio di girasole, l’olio di lino e l’olio di ricino, ampiamente utilizzati nell’alimentazione, nell’industria e nella cosmesi.

Trigliceridi

I trigliceridi sono i lipidi più abbondanti negli organismi animali e rappresentano circa il 95-98% dei lipidi presenti nel tessuto adiposo. Costituiscono la principale forma di deposito dell’energia chimica nell’organismo.

Dal punto di vista chimico, un trigliceride è formato dall’unione di una molecola di glicerolo con tre acidi grassi, legati mediante legami estere.

Quando l’organismo necessita di energia, i trigliceridi vengono demoliti liberando glicerolo e acidi grassi, che vengono successivamente ossidati dalle cellule per produrre ATP.

• Trigliceride = 1 molecola di glicerolo + 3 molecole di acidi grassi

I trigliceridi appartengono ai lipidi semplici, mentre gli acidi grassi rappresentano i loro componenti fondamentali e non sono sinonimi di trigliceridi.

Grassi saturi e grassi insaturi

I grassi saturi sono costituiti da acidi grassi nei quali tutti gli atomi di carbonio sono uniti tra loro esclusivamente da legami semplici (C–C). In questo caso ogni atomo di carbonio è “saturo” di atomi di idrogeno.

I grassi insaturi sono invece costituiti da acidi grassi che presentano uno o più doppi legami (C=C) tra alcuni atomi di carbonio. La presenza del doppio legame riduce il numero di atomi di idrogeno che possono legarsi al carbonio e modifica la forma della molecola.

In base al numero di doppi legami, gli acidi grassi insaturi si distinguono in:

• monoinsaturi, quando è presente un solo doppio legame;
• poliinsaturi, quando sono presenti due o più doppi legami.

La presenza dei doppi legami rende generalmente i grassi insaturi più fluidi a temperatura ambiente, mentre i grassi saturi tendono a essere solidi, come il burro o lo strutto.

Monoinsaturi e polinsaturi 

Gli acidi grassi insaturi si suddividono poi in due tipologie:

• grassi insaturi monoinsaturi – quando hanno un solo doppio legame di carbonio
• grassi insaturi polinsaturi – quando hanno più doppi legami di carbonio

Grassi solidi e liquidi 

Gli acidi grassi saturi sono solitamente solidi, perché riescono facilmente ad assumere un impacchettamento ordinato.

• ESEMPIO – grasso saturo solido: la margarina 

Gli acidi grassi insaturi sono solitamente liquidi, perché non riescono facilmente ad assumere un impacchettamento ordinato.

• ESEMPIO – grasso insaturo liquido: l’olio

Grassi buoni e cattivi

I grassi saturi sono prevalentemente di origine animale e sono più dannosi per il sistema cardiocircolatorio in quanto aumentano i livelli di colesterolo nel sangue.

I grassi insaturi sono prevalentemente di origine vegetale (presenti anche nel pesce) e non sono dannosi per la salute, anzi contribuiscono a regolare i livelli di colesterolo nel sangue.

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Protidi (Proteine)

I protidi, più comunemente chiamati proteine, sono una delle principali classi di biomolecole degli organismi viventi. Costituiscono una parte fondamentale di tutte le cellule e svolgono funzioni strutturali, metaboliche, enzimatiche, regolatrici, immunitarie e contrattili.

Dal punto di vista chimico, le proteine sono composti quaternari, poiché sono costituite principalmente da carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N). Molte proteine contengono anche zolfo (S), presente negli amminoacidi cisteina e metionina.

Alcune proteine particolari possono inoltre essere associate ad altri elementi chimici, come ferro, rame, zinco o fosforo, che contribuiscono al loro corretto funzionamento. Un esempio è l’emoglobina, la proteina dei globuli rossi che contiene ferro e trasporta l’ossigeno nel sangue.

Le proteine sono macromolecole costituite dall’unione di numerosi amminoacidi, collegati tra loro mediante legami peptidici, formando lunghe catene che si ripiegano in strutture tridimensionali altamente specializzate.

Grazie alla straordinaria varietà della loro struttura, le proteine rappresentano le biomolecole più versatili degli esseri viventi e partecipano praticamente a tutti i processi biologici fondamentali.

Funzioni delle proteine

Le proteine sono le biomolecole più versatili e funzionali degli organismi viventi. Presenti in tutte le cellule, partecipano praticamente a ogni processo biologico, svolgendo un ruolo indispensabile per la crescita, il mantenimento e il corretto funzionamento dell’organismo. Costituite da lunghe catene di amminoacidi, le proteine assumono una struttura tridimensionale specifica che determina la loro funzione. Alcune proteine hanno una funzione strutturale, formando tessuti come pelle, muscoli, tendini e ossa; altre agiscono come enzimi, accelerando le reazioni chimiche del metabolismo. Esistono inoltre proteine con funzione ormonale, che regolano numerose attività fisiologiche, proteine di trasporto, come l’emoglobina che trasporta l’ossigeno nel sangue, proteine immunitarie, come gli anticorpi che difendono l’organismo dalle infezioni, proteine contrattili, responsabili del movimento muscolare, e proteine di riserva, che immagazzinano sostanze nutritive da utilizzare quando necessario. Grazie a questa straordinaria varietà di funzioni, le proteine rappresentano uno dei pilastri fondamentali della vita e del corretto funzionamento di tutti gli esseri viventi.

Gli aminoacidi

Gli amminoacidi sono le unità fondamentali che costituiscono le proteine. Ogni proteina è infatti una macromolecola formata dall’unione di numerosi amminoacidi disposti in una sequenza ben definita. La diversa combinazione e disposizione degli amminoacidi determina la struttura e la funzione specifica di ogni proteina.

L’unione tra due amminoacidi avviene mediante la formazione di un legame peptidico, una reazione di condensazione nella quale viene eliminata una molecola di acqua (H₂O). La ripetizione di questo processo porta alla formazione di lunghe catene polipeptidiche che, ripiegandosi nello spazio, danno origine alle proteine.

Il processo inverso prende il nome di idrolisi. Durante l’idrolisi una molecola di acqua viene utilizzata per rompere i legami peptidici, liberando progressivamente i singoli amminoacidi che costituiscono la proteina.

La sintesi proteica avviene all’interno delle cellule, nei ribosomi, sotto il controllo dell’informazione genetica contenuta nel DNA e trasportata dall’RNA. L’idrolisi delle proteine, invece, può avvenire sia all’interno delle cellule, durante il normale ricambio delle proteine cellulari, sia all’esterno delle cellule, come accade durante la digestione nell’apparato digerente.

Sia la sintesi sia la demolizione delle proteine sono processi altamente controllati e avvengono grazie all’azione di specifici enzimi, che accelerano le reazioni chimiche senza essere consumati.

Solubilità degli amminoacidi

Gli amminoacidi, a differenza delle proteine, sono molecole di piccole dimensioni e sono generalmente solubili in acqua. Questa caratteristica consente loro di essere facilmente trasportati nei liquidi biologici e di attraversare le membrane cellulari mediante specifici trasportatori di membrana.

Le proteine, invece, essendo macromolecole di grandi dimensioni, non possono attraversare liberamente la membrana cellulare e vengono sintetizzate dai ribosomi all’interno delle cellule, dove svolgono le loro specifiche funzioni biologiche.

Identità biologica delle proteine

Le proteine non svolgono soltanto una funzione strutturale e metabolica, ma rappresentano anche uno dei principali elementi che caratterizzano l’identità biologica di una cellula, di un organismo e di una specie.

Ogni proteina possiede una specifica sequenza di amminoacidi e una particolare struttura tridimensionale che ne determinano la funzione. Molte proteine sono caratteristiche di determinati tessuti o organismi e consentono alle cellule di riconoscersi reciprocamente, comunicare tra loro e svolgere funzioni altamente specializzate.

Per questo motivo le proteine costituiscono uno dei principali fattori che distinguono le diverse specie viventi e riflettono anche le caratteristiche biologiche dei singoli individui, poiché sono il prodotto dell’informazione genetica contenuta nel DNA.

Enzimi e metabolismo

Ogni organismo vivente è un complesso sistema chimico nel quale migliaia di reazioni avvengono continuamente. L’insieme di tutte queste reazioni prende il nome di metabolismo e comprende sia i processi di sintesi delle nuove molecole (anabolismo) sia quelli di demolizione delle sostanze (catabolismo).

• anabolismo → sintesi delle nuove molecole
• catabolismo → demolizione delle sostanze

Gli enzimi sono proteine che svolgono la funzione di catalizzatori biologici. Essi accelerano le reazioni chimiche indispensabili alla vita senza essere consumati durante il processo. (Sebbene esistano rare eccezioni, come i ribozimi costituiti da RNA, la quasi totalità degli enzimi è di natura proteica).

Catalizzatori = Velocizzatori 

Ogni reazione chimica richiede una determinata quantità iniziale di energia, chiamata energia di attivazione, necessaria per avviare la trasformazione delle sostanze. Gli enzimi non forniscono energia alla reazione, ma abbassano l’energia di attivazione, permettendo che la reazione avvenga rapidamente alle normali temperature dell’organismo, senza dover ricorrere a temperature elevate che danneggerebbero le cellule.

Grazie agli enzimi, il metabolismo può svolgersi in modo efficiente, controllato e compatibile con la vita, consentendo alle cellule di sintetizzare nuove molecole, ricavare energia dagli alimenti ed eliminare le sostanze di rifiuto.

Metabolismo: insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule e comprendono i processi di sintesi (anabolismo) e di demolizione (catabolismo).

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 può essere 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 complessità. Ciascuna possiede una propria struttura chimica ben definita e svolge una specifica funzione biologica nell’organismo.

Le vitamine sono micronutrienti essenziali: non forniscono energia come carboidrati e lipidi e non hanno una funzione plastica come le proteine. Tuttavia, sono indispensabili perché regolano numerosi processi metabolici e consentono il corretto funzionamento dell’organismo. Pur essendo necessarie solo in piccolissime quantità, una loro carenza può provocare alterazioni e malattie anche gravi.

Vitamine = Regolatori: aiutano gli enzimi a far avvenire le reazioni chimiche indispensabili alla vita.

Le vitamine sono micronutrienti essenziali che regolano numerosi processi biologici dell’organismo. Molte di esse partecipano all’attività degli enzimi trasformandosi in coenzimi, molecole indispensabili per il corretto svolgimento di numerose reazioni chimiche.

Poiché molte vitamine non possono essere sintetizzate dall’organismo umano, oppure vengono prodotte in quantità insufficienti, devono essere introdotte attraverso l’alimentazione.

Sia una carenza (ipovitaminosi) sia un eccesso (ipervitaminosi) di alcune vitamine possono alterare importanti funzioni dell’organismo e provocare disturbi o malattie.

In base alla loro solubilità, le vitamine vengono suddivise in due grandi gruppi:

• vitamine idrosolubili, solubili in acqua;
• vitamine liposolubili, solubili nei grassi.

“Poiché molte vitamine non possono essere sintetizzate dall’organismo umano, oppure vengono prodotte in quantità insufficienti, devono essere introdotte con l’alimentazione.”

Differenze tra organismi animali e vegetali

Pur condividendo la stessa organizzazione fondamentale della materia vivente, gli organismi animali e vegetali presentano alcune importanti differenze nella composizione chimica e nel metabolismo.

Concentrazione di sodio e potassio

Le cellule degli organismi viventi contengono sia sodio (Na⁺) sia potassio (K⁺). In generale, i liquidi extracellulari degli animali sono relativamente ricchi di sodio, mentre il potassio è più abbondante all’interno delle cellule. Nei vegetali il potassio è particolarmente abbondante e svolge un ruolo fondamentale nella crescita e nella regolazione dell’equilibrio idrico.

Glucidi di riserva e strutturali

Alcuni glucidi sono caratteristici dei vegetali, come l’amido, che rappresenta la principale sostanza di riserva energetica, e la cellulosa, che costituisce la parete cellulare delle piante. Negli animali, invece, il principale glucide di riserva è il glicogeno, accumulato soprattutto nel fegato e nei muscoli.

• Guarda anche: L’acqua e le biomolecole negli organismi viventi, Zanichelli 

Specificità genetica

Ogni individuo possiede un patrimonio genetico unico, costituito dal proprio DNA, che determina le caratteristiche ereditarie e conferisce a ciascun organismo una specifica identità biologica.

Unità della materia vivente

Nonostante l’enorme varietà di forme viventi, tutti gli organismi utilizzano gli stessi componenti fondamentali: 20 amminoacidi per costruire le proteine, quattro nucleotidi (cinque se si considera anche l’RNA) per formare gli acidi nucleici e gli stessi principali tipi di zuccheri. Questa straordinaria unità biochimica dimostra l’origine comune della vita sulla Terra.

Unità dei processi biologici

Questa profonda unità biochimica, pur nella straordinaria diversità degli esseri viventi, spiega perché molti processi cellulari sono sorprendentemente simili nei batteri, nelle piante e negli animali.

Per questo motivo, numerosi meccanismi fondamentali della vita, come la sintesi delle proteine, la produzione di energia e la duplicazione del DNA, seguono principi comuni in tutti gli organismi viventi.

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