Le biomolecole sono le molecole organiche fondamentali dei sistemi viventi. Costituiscono cellule, tessuti, membrane, enzimi, materiale genetico e riserve energetiche. In chimica e ingegneria biomedica sono studiate sia per comprenderne la struttura sia per progettare materiali, farmaci, biosensori, processi fermentativi e dispositivi diagnostici.
Le classi principali sono carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. A queste si aggiungono molte molecole più piccole, come coenzimi, metaboliti, vitamine, ormoni e intermedi di reazione.
Classi principali
I carboidrati comprendono monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Glucosio, fruttosio e ribosio sono esempi di zuccheri semplici; amido, glicogeno e cellulosa sono polimeri con funzioni molto diverse: riserva energetica nei vegetali, riserva energetica negli animali e struttura meccanica nelle pareti cellulari vegetali.
I lipidi comprendono trigliceridi, fosfolipidi, steroidi e molecole anfipatiche. Sono poco solubili in acqua e svolgono funzioni di riserva energetica, isolamento, segnalazione e formazione delle membrane biologiche. I fosfolipidi, per esempio, hanno una testa polare e code apolari: questa doppia natura favorisce la formazione spontanea di doppi strati.
Le proteine sono polimeri di amminoacidi uniti da legami peptidici. La sequenza degli amminoacidi determina il ripiegamento tridimensionale e quindi la funzione: catalisi enzimatica, trasporto, segnalazione, struttura, movimento e riconoscimento molecolare.
Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi. DNA e RNA conservano, trasferiscono e traducono informazione genetica. La complementarità tra basi azotate permette replicazione, trascrizione, ibridazione e molte tecniche di analisi molecolare.
Struttura e funzione
Le biomolecole sono ricche di gruppi funzionali: ossidrili, ammine, ammidi, esteri, tioeteri, acidi carbossilici, fosfati e basi azotate. Questi gruppi determinano polarità, carica, acidità, basicità, capacità di formare legami a idrogeno e reattività chimica.
La funzione biologica dipende spesso dalla struttura gerarchica. Nelle proteine si distinguono struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria; negli acidi nucleici contano sequenza, appaiamento e conformazione; nei lipidi contano lunghezza delle catene, grado di insaturazione e geometria della testa polare.
Rilevanza ingegneristica
In ingegneria biomedica, chimica e dei materiali, le biomolecole sono coinvolte in biocompatibilità, rilascio controllato di farmaci, superfici antibiofouling, biosensori, biomateriali, fermentazioni e processi di purificazione. La stabilità di una biomolecola dipende da temperatura, pH, forza ionica, solvente, ossidazione e interazioni con superfici.
Un errore comune è considerare le biomolecole solo come formule organiche. In realtà il loro comportamento dipende dall’ambiente: una proteina può denaturarsi senza rompere i legami peptidici, un lipide può cambiare fase in funzione della temperatura, un acido nucleico può ibridare o separarsi secondo condizioni termodinamiche precise.
Vedi anche: Amminoacidi, Acidi nucleici, Nucleotide, Lipidi.