Definizione di biomolecola

La maggior parte delle molecole di interesse nello studio della fisiologia umana ha tre elementi in comune: il carbonio, l'idrogeno e l'ossigeno. Inoltre, in molte molecole biologiche si trovano anche gli elementi fosforo e azoto. Le molecole che contengono il carbonio sono dette molecole organiche, che associate con gli organismi viventi sono dette in generale biomolecole. Esistono quattro gruppi principali di biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine e nucleotidi. I primi tre gruppi sono usati dal corpo umano come fonti di energia e come mattoni di costruzione per i componenti cellulari, mentre, il quarto gruppo comprende il DNA e l'RNA, i componenti strutturali del materiale genetico.
In maniera più dettagliata, i carboidrati (zuccheri) sono composti organici contenenti il carbonio, idrogeno e ossigeno nel rapporto 1:2:1. La formula del glucosio, lo zucchero più abbondante è, C6H12O6. I carboidrati di maggiore importanza biologica sono quelli contenenti 4,5,6 o 7 atomi di carbonio. Gli zuccheri C5 (pentosi) assumono rilevanza particolare grazie al loro ruolo strutturale negli acidi nucleici. Gli zuccheri C6 (esosi), invece, vengono utilizzati come unità monomeriche nei polimeri che costituiscono la parete cellulare e come riserva energetica. I polisaccaridi, invece, sono carboidrati contenenti molte unità monomeriche (a volte centinaia o migliaia), dette monosaccaridi, uniti da legami covalenti detti legami glicosidici. Due monosaccaridi uniti da un legame glicosidico formano un disaccaride. L'ulteriore aggiunta di un monosaccaride porta alla formazione di un trisaccaride, quella di più monosaccaridi alla costituzione di un oligosaccaride. Una catena molto più lunga viene indicata come polisaccaride. Il legame glicosidico può presentarsi in due diversi orientamenti geometrici, indicati come alfa (α) e beta (β). Polisaccaridi costituiti dalla concatenazione di subunità di glucosio legate tra gli atomi di carbonio 1 e 4 in orientamento alfa (per esempio glicogeno e amido) costituiscono importanti riserve di carbonio e di energia nei batteri, nelle piante e negli animali. Subunità di glucosio unite tra loro mediante legami β-1,4, costituiscono invece la cellulosa, un composto che conferisce rigidità alla parete cellulare delle piante e delle alghe. I polisaccaridi possono anche legarsi ad altre classi di macromolecole, quali proteine e lipidi, per formare polisaccaridi complessi, come le glicoproteine e i glicolipidi. Nella cellula queste sostanze rivestono ruoli importanti, in particolare come recettori di superficie nella membrana citoplasmatica.
I lipidi, componenti essenziali di tutte le cellule, sono macromolecole anfipatiche, presentano cioè proprietà sia idrofiliche che idrofobiche. I lipidi veri e propri e i fosfolipidi presentano una struttura molto simile. Entrambi i gruppi contendono una semplice molecola a tre atomi di carbonio, il glicerolo, e lunghe molecole dette acidi grassi. I fosfolipidi contengono anche un gruppo fosfato (-H2PO4). Gli acidi grassi, a loro volta, sono costituiti da lunghe catene di atomi di carbonio legate ad atomi di idrogeno, con un gruppo carbossilico (-COOH) ad un'estremità della catena. Gli acidi grassi, inoltre, si dicono saturi se non presentano doppi legami tra gli atomi di carbonio; monoinsaturi, se presentano un unico doppio legame nella molecola o poliinsaturi se vi sono due o più doppi legami nella molecola. Quindi, come ben si può dedurre, per ogni doppio legame in un acido grasso, la molecola ha due atomi di idrogeno in meno attaccati alla catena. Più saturo è un acido grasso, più probabilmente sarà solido a temperatura ambiente. Il glicerolo può legare uno, due o tre acidi grassi per formare mono-, di- o trigliceridi. I trigliceridi (più correttamente detti triacilgliceroli) sono le più importanti forme di lipidi organici: più del 90% dei nostri lipidi sono in questa forma. Infine, in questo gruppo troviamo gli steroidi, molecole correlate ai lipidi la cui struttura comprende quattro anelli di carbonio legati. Il colesterolo è la fonte degli steroidi nel corpo umano e fornisce la base per molti importanti ormoni. È inoltre una componente fondamentale delle membrane cellulari.
Le proteine rivestono ruoli molto importanti nel funzionamento di una cellula. Tra le diverse classi di proteine due assumono particolarmente rilievo: una è quella delle proteine catalitiche (enzimi), l'altra è quella delle proteine strutturali. Gli enzimi sono catalizzatori dell'ampia varietà di reazioni chimiche che avvengono nelle cellule. Le proteine strutturali, invece, costituiscono parte integrante di strutture cellulari, quali membrane, pareti o componenti citoplasmatiche. Le proteine, comunque, sono polimeri costituiti da amminoacidi legati covalentemente grazie a legami peptidici. Due amminoacidi legati tra loro costituiscono un dipeptide, tre un tripeptide, e così via. Quando una catena peptidica comprende molti amminoacidi si parla di polipeptide. Una proteina è costituita da uno o più polipeptidi. In generale, nelle proteine naturali si riscontrano comunemente 20 amminoacidi e il corpo umano può sintetizzarli tutti tranne nove. Quest'ultimi devono essere ricavati dalle proteine nella dieta e sono detti amminoacidi essenziali. Tutti gli amminoacidi, comunque, hanno una struttura di base simile: un atomo di carbonio centrale è legato ad un atomo di idrogeno, un gruppo amminico (-NH2) , un gruppo carbossilico (-COOH) e un gruppo di atomi chiamato “R” che è differente in ogni amminoacido.  La struttura primaria di un polipeptide si identifica nella successione lineare degli amminoacidi che lo compongono. L'interazione tra i gruppi R dei singoli amminoacidi in un polipeptide costringe la molecola a torcersi e a ripiegarsi nello spazio in maniera specifica. Ciò porta alla formazione di strutture secondarie, come le α-eliche e i foglietti β. Una volta raggiunto un livello stabile di struttura secondaria, la catena polipeptidica continua a ripiegarsi, tentando di formare una molecola ancora più stabile. Questo processo di ripiegamento (folding) conduce alla struttura terziaria. Le proteine vengono a questo punto raggruppate in due grandi categorie: fibrose e globulari. Le prime sono insolubili in acqua e formano importanti componenti strutturali di cellule e tessuti (il collagene o la cheratina), mentre le seconde sono solubili in acqua e agiscono come trasportatrici dei lipidi insolubili nel sangue legandosi ad essi e rendendoli solubili. Comunque, la struttura terziaria finisce con l'esporre particolari regioni, e/o formare solchi o tasche nella molecola che assumono importanza per l'interazione con altre molecole. Bisogna ricordare che quando una proteina è costituita da due o più polipeptidi, e molte proteine lo sono, si utilizza il termine struttura quaternaria. Così quando una proteine è costituita da subunità identiche si parla di omodimero altrimenti di eterodimero.
Gli acidi nucleici, cioè l'acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA), sono macromolecole costituite da subunità monomeriche dette nucleotidi. DNA e RNA sono quindi polinucleotidi. Mentre il DNA contiene le informazioni genetiche della cellula, l'RNA agisce da intermediario nel convertire tali informazioni in catene amminoacidiche che concorreranno alla formazione di proteine. Un nucleotide è composto da tre parti: uno zucchero a cinque atomi di carbonio (ribosio nell'RNA e desossiribosio nel DNA), una base azotata e uno o più gruppi fosfato (PO43-). Dal punto di vista chimico le basi azotate degli acidi nucleici appartengono a due classi distinte. Le basi puriniche, adenina e guanina, contengono due anelli eterociclici (anelli costituiti da più di un solo tipo di elemento) fusi insieme. Le basi pirimidiniche, timina, citosina e uracile contengono un solo anelo eterociclico a 6 termini. Guanina, adenina e citosina sono presenti sia nel DNA che nell'RNA; la timina si ritrova invece sono le DNA e l'uracile sono nell'RNA. In un nucleotide la base è unita ad uno zucchero (un pentoso) tramite un legame glicosidico tra il carbonio in posizione 1 del pentoso e l'azoto in posizione 1 di una base pirimidinica, o quello in posizione 9 di una base purinica. Il complesso, privo di gruppo fosfato, costituito dalla base azotata legata allo zucchero, viene indicato come nucleoside. I nucleotidi sono quindi nucleosidi contenenti uno o più gruppi fosfato. I nucleotidi, oltre ad essere costituenti degli acidi nucleici, sono anche fonte di energia, basti pensare all'ATP (adenosintrifosfato). La rottura di un legame fosfato libera energia, che sarà a disposizione delle reazioni cellulari che la richiederanno.  Nelle cellule il DNA è presente nella forma a doppio filamento. Ogni cromosoma contiene due filamenti di DNA, ognuno costituito da svariati nucleotidi uniti da legami fosfodiestere. I due filamenti si mantengono appaiati grazie ai legami idrogeno che s'instaurano tra i nucleotidi di un filamento e i nucleotidi complementari dell'altro filamento. Quando basi puriniche si vengono a trovare affacciate a basi pirimidiniche possono originarsi legami idrogeno. Quindi avremo interazioni tra l'adenina e la timina,e tra citosina e guanina. Tutti gli acidi ribonucleici, invece, tranne poche eccezioni, sono molecole a singolo filamento. Tuttavia, le molecole di RNA sono generalmente in grado di ripiegarsi su se stesse in corrispondenza di regioni dove sia possibile un appaiamento tra basi complementari. Il livello strutturale definito dal complesso di tali ripiegamenti viene detto struttura secondaria. Il ruolo dell'RNA nella cellula è triplice: (1) l'RNA messaggero (mRNA) contiene una copia dell'informazione genetica del DNA, sotto forma di molecola a singolo filamento la cui sequenza di basi è complementare a quella del DNA, (2) gli RNA transfer (tRNA) sono invece molecole che funzionano da “adattatori” nel corso della sintesi proteica ossia consentono di convertire l'informazione genetica del “linguaggio dei nucleotidi” al “linguaggio degli amminoacidi”, i costituenti delle proteine, (3) gli RNA ribosomiali (rRNA), dei quali sono noti diversi tipi, rappresentano importanti componenti strutturali e catalitici dei ribosomi, cioè del macchinario cellulare deputato alla sintesi proteica.