Biomolecole inorganiche: caratteristiche, funzioni, classificazione ed esempi

Le biomolecole inorganiche costituiscono un ampio gruppo di configurazioni molecolari presenti negli esseri viventi. Per definizione, la struttura di base delle molecole inorganiche non è composta da uno scheletro di carbonio o atomi di carbonio legati.

Tuttavia, ciò non significa che i composti inorganici debbano essere completamente privi di carbonio per essere inclusi in questa grande categoria, ma che il carbonio non deve essere l'atomo principale e più abbondante della molecola. I composti inorganici che fanno parte degli esseri viventi sono principalmente acqua e una serie di minerali solidi o in soluzione.

L'acqua - la biomolecola inorganica più abbondante negli organismi - ha una serie di caratteristiche che ne fanno un elemento essenziale per la vita, come un punto di ebollizione elevato, una costante dielettrica elevata, la capacità di tamponare i cambiamenti di temperatura e pH, tra altri.

Gli ioni e i gas, d'altra parte, sono limitati a funzioni molto specifiche all'interno di esseri organici, come l'impulso nervoso, la coagulazione del sangue, la regolazione osmotica, tra gli altri. Inoltre, sono cofattori importanti di determinati enzimi.

lineamenti

La caratteristica distintiva delle molecole inorganiche presenti nella materia vivente è l'assenza di legami carbonio-idrogeno.

Queste biomolecole sono relativamente piccole e includono acqua, gas e una serie di anioni e cationi che partecipano attivamente al metabolismo.

Classificazione e funzioni

La molecola inorganica più rilevante nella materia vivente è, senza dubbio, acqua. Oltre a questo, sono presenti altri componenti inorganici che sono classificati in gas, anioni e cationi.

All'interno dei gas abbiamo ossigeno, anidride carbonica e azoto. Negli anioni ci sono cloruri, fosfati, carbonati, tra gli altri. E nei cationi sono sodio, potassio, ammonio, calcio, magnesio e altri ioni positivi.

Successivamente, descriveremo ciascuno di questi gruppi, con le loro caratteristiche più straordinarie e la loro funzione all'interno degli esseri viventi.

-acqua

L'acqua è la componente inorganica più abbondante negli esseri viventi. È noto che la vita si sviluppa in un mezzo acquoso. Sebbene esistano organismi che non vivono all'interno di un corpo idrico, l'ambiente interno di questi individui è principalmente acqua. Gli esseri viventi hanno tra il 60% e il 90% di acqua.

La composizione dell'acqua nello stesso organismo può variare a seconda del tipo di cellula studiata. Ad esempio, una cellula ossea ha in media il 20% di acqua, mentre una cellula cerebrale può facilmente raggiungere l'85%.

L'acqua è così importante perché la stragrande maggioranza delle reazioni biochimiche che compongono il metabolismo degli individui avvengono in un mezzo acquoso.

Ad esempio, la fotosintesi inizia con la scomposizione delle componenti dell'acqua mediante l'azione dell'energia luminosa. La respirazione cellulare si traduce nella produzione di acqua mediante la scissione delle molecole di glucosio per ottenere l'estrazione di energia.

Altre vie metaboliche meno conosciute riguardano anche la produzione di acqua. La sintesi di aminoacidi ha l'acqua come prodotto.

Proprietà dell'acqua

L'acqua ha una serie di caratteristiche che la rendono un elemento insostituibile sul pianeta terra, consentendo il meraviglioso evento della vita. Tra queste proprietà abbiamo:

Acqua come solvente: strutturalmente, l'acqua è formata con due atomi di idrogeno attaccati ad un atomo di ossigeno, condividendo i loro elettroni attraverso un legame covalente polare. Quindi, questa molecola ha caricato le estremità, una positiva e una negativa.

Grazie a questa conformazione, la sostanza è chiamata polare. In questo modo, l'acqua può sciogliere sostanze con la stessa tendenza polare, poiché le porzioni positive attraggono i negativi della molecola da dissolvere e viceversa. Le molecole che l'acqua si scioglie sono chiamate idrofile.

Ricordiamo che in chimica, abbiamo la regola che "lo stesso si dissolve lo stesso". Ciò significa che le sostanze polari si dissolvono esclusivamente in altre sostanze che sono anche polari.

Ad esempio, composti ionici, come carboidrati e cloruri, amminoacidi, gas e altri composti con gruppi ossidrile, riescono a dissolversi facilmente in acqua.

Costante dielettrica: l'alta costante dielettrica del liquido vitale è anche un fattore che aiuta a dissolvere i sali inorganici nel suo nucleo. La costante dielettrica è il fattore in base al quale vengono separate due cariche di segno opposto rispetto al vuoto.

Calore specifico dell'acqua: attenuare i violenti cambiamenti di temperatura è una caratteristica essenziale per lo sviluppo della vita. Grazie all'alto calore specifico dell'acqua, i cambiamenti di temperatura si stabilizzano, creando un ambiente adatto alla vita.

Un calore specifico elevato significa che una cella può ricevere quantità significative di calore e la sua temperatura non aumenta in modo significativo.

Coesione: la coesione è un'altra proprietà che impedisce improvvisi sbalzi di temperatura. Grazie alle cariche opposte delle molecole d'acqua, si attraggono l'un l'altro, creando quella che viene chiamata coesione.

La coesione consente alla temperatura della materia vivente di non aumentare troppo. L'energia calorica rompe i legami idrogeno tra le molecole, invece di accelerare le singole molecole.

Controllo PH: oltre a regolare e mantenere costante la temperatura, l'acqua è in grado di fare lo stesso con il pH. Ci sono alcune reazioni metaboliche che richiedono un pH specifico in modo che possano essere eseguite. Allo stesso modo, gli enzimi richiedono anche un pH specifico per lavorare con la massima efficienza.

La regolazione del pH avviene grazie ai gruppi ossidrile (-OH) che vengono utilizzati insieme agli ioni idrogeno (H +). Il primo è legato alla formazione di un mezzo alcalino, mentre il secondo contribuisce alla formazione di un mezzo acido.

Punto di ebollizione: il punto di ebollizione dell'acqua è 100 ° C. Questa proprietà consente all'acqua di esistere allo stato liquido in un'ampia gamma di temperature, da 0 ° C a 100 ° C.

L'alto punto di ebollizione è spiegato dalla capacità di formare quattro legami idrogeno per molecola di acqua. Questa caratteristica spiega anche gli alti punti di fusione e il calore di vaporizzazione, se li confrontiamo con altri idruri, come NH ₃, HF o H ₂ S.

Ciò consente l'esistenza di alcuni organismi estremofili. Ad esempio, ci sono organismi che si sviluppano vicino a 0 ° C e sono chiamati psychrofílos. Allo stesso modo, i termofili si sviluppano vicino a 70 o 80 ° C.

Variazione della densità: la densità dell'acqua varia in modo molto particolare quando si modifica la temperatura dell'ambiente. Il ghiaccio presenta una rete cristallina aperta, in contrasto con l'acqua allo stato liquido presenta un'organizzazione molecolare più casuale, più stretta e più densa.

Questa proprietà consente al ghiaccio di galleggiare nell'acqua, agire come isolante termine e consentire la stabilità delle grandi masse oceaniche.

Se così non fosse, il ghiaccio sarebbe affondato nelle profondità dei mari e la vita, come la conosciamo, sarebbe un evento estremamente improbabile, come potrebbe la vita sorgere in grandi masse di ghiaccio?

Ruolo ecologico dell'acqua

Per finire con il tema dell'acqua, è necessario ricordare che il fluido vitale non ha solo un ruolo rilevante all'interno degli esseri viventi, ma plasma anche l'ambiente in cui vivono.

L'oceano è il più grande bacino idrico sulla Terra, che è influenzato dalle temperature, favorendo i processi di evaporazione. Enormi quantità di acqua sono in un ciclo costante di evaporazione e precipitazione di acqua, creando quello che è noto come il ciclo dell'acqua.

-Gases

Se confrontiamo le vaste funzioni dell'acqua nei sistemi biologici, il ruolo del resto delle molecole inorganiche è limitato solo a ruoli molto specifici.

In generale, i gas passano attraverso le cellule in diluizioni acquose. A volte vengono utilizzati come substrati per reazioni chimiche e in altri casi sono il prodotto di scarto della via metabolica. I più rilevanti sono ossigeno, anidride carbonica e azoto.

L'ossigeno è l'ultimo accettore di elettroni nelle catene di trasporto di organismi con respirazione aerobica. Inoltre, il biossido di carbonio è un prodotto di scarto negli animali e un substrato per le piante (per i processi fotosintetici).

ioni

Come i gas, il ruolo degli ioni negli organismi viventi appare limitato a eventi molto specifici, ma essenziali per il corretto funzionamento di un individuo. Sono classificati in base alla loro carica in anioni, ioni con cariche negative e cationi, ioni con cariche positive.

Alcuni di questi sono richiesti solo in quantità molto piccole, come i componenti metallici degli enzimi. Altri sono necessari in quantità maggiori, come cloruro di sodio, potassio, magnesio, ferro, iodio, tra gli altri.

Il corpo umano perde costantemente questi minerali, attraverso l'urina, le feci e il sudore. Questi componenti devono essere reinseriti nel sistema attraverso il cibo, principalmente frutta, verdura e carne.

Funzioni ioniche

Cofactors: gli ioni possono fungere da cofattori di reazioni chimiche. Lo ione cloro partecipa all'idrolisi dell'amido da parte delle amilasi. Il potassio e il magnesio sono ioni indispensabili per il funzionamento di enzimi molto importanti nel metabolismo.

Mantenimento dell'osmolarità: un'altra funzione di grande importanza è il mantenimento di condizioni osmotiche ottimali per lo sviluppo di processi biologici.

La quantità di metaboliti disciolti deve essere regolata in modo eccezionale, perché se questo sistema fallisce, la cellula potrebbe esplodere o perdere quantità significative di acqua.

Nell'uomo, ad esempio, sodio e cloro sono elementi importanti che contribuiscono al mantenimento dell'equilibrio osmotico. Questi stessi ioni favoriscono anche l'equilibrio acido base.

Potenziale di membrana: negli animali, gli ioni partecipano attivamente alla generazione del potenziale di membrana nella membrana delle cellule eccitabili.

Le proprietà elettriche delle membrane influenzano eventi cruciali, come la capacità dei neuroni di trasmettere informazioni.

In questi casi, la membrana agisce in modo analogo a un condensatore elettrico, dove le cariche vengono accumulate e immagazzinate grazie alle interazioni elettrostatiche tra i cationi e gli anioni su entrambi i lati della membrana.

La distribuzione asimmetrica degli ioni in soluzione su ciascuno dei lati della membrana determina un potenziale elettrico, a seconda della permeabilità della membrana agli ioni presenti. L'entità del potenziale può essere calcolata seguendo l'equazione di Nernst o l'equazione di Goldman.

Strutturale: alcuni ioni eseguono funzioni strutturali. Ad esempio, l'idrossiapatite condiziona la microstruttura cristallina delle ossa. Il calcio e il fosforo, d'altra parte, sono un elemento necessario per la formazione di ossa e denti.

Altre funzioni: infine, gli ioni partecipano a funzioni tanto eterogenee quanto la coagulazione del sangue (da parte degli ioni di calcio), la visione e la contrazione dei muscoli.

Differenze tra biomolecole organiche e inorganiche

Circa il 99% della composizione di esseri viventi comprende solo quattro atomi: idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto. Questi atomi funzionano come pezzi o blocchi, che possono essere disposti in una vasta gamma di configurazioni tridimensionali, formando le molecole che consentono la vita.

Mentre i composti inorganici tendono ad essere piccoli, semplici e non molto diversi, i composti organici tendono ad essere più notevoli e vari.

A ciò si aggiunge la complessità delle biomolecole organiche perché, oltre allo scheletro di carbonio, hanno gruppi funzionali che determinano le caratteristiche chimiche.

Tuttavia, entrambi sono ugualmente necessari per lo sviluppo ottimale degli esseri viventi.

Uso di termini organici e inorganici nella vita di tutti i giorni

Ora che descriviamo la differenza tra entrambi i tipi di biomolecole, è necessario chiarire che usiamo questi termini in modo vago e impreciso nella vita di tutti i giorni.

Quando designiamo frutta e verdura come "biologici" - che è molto popolare al giorno d'oggi - ciò non significa che il resto dei prodotti sia "inorganico". Poiché la struttura di questi elementi commestibili è uno scheletro di carbonio, la definizione di organico è considerata ridondante.

In effetti, il termine organico deriva dalla capacità degli organismi di sintetizzare detti composti.