Compuşii organici cu acţiune biologică sunt zaharidele, proteinele, lipidele şi acizii nucleici. Aceştia sunt compuşii care asigură buna funcţionare a tuturor organismelor vii. Compuşii cu acţiune biologică sunt compuşi macromoleculari care au mai mult de o grupă funcţională şi care sunt obţinuţi prin reacţii de policondensare.

Reacţiile de policondensare se realizează prin eliminarea unor molecule mici, de obicei molecule de apă, dintre moleculele unor compuşi di- sau poli-funcţionali (compuşi care au două sau mai multe grupe funcţionale).

Zaharidele, care se mai numesc şi carbohidraţi sau glucide, formează cea mai abundentă clasă de compuşi din lumea biologică. Zaharidele sunt compuşi polihidroxicarbonilici cu structuri şi funcţii foarte diverse. Prefixele poli- şi hidroxi- desemnează prezenţa în moleculă a mai multor grupe hidroxil, iar termenul carbonilic desemnează prezenţa în moleculă a unei grupe carbonil.

Funcţii ale zaharidelor:

• sursă indispensabilă de energie pentru toate organismele vii;
• substanţe de rezervă;
• componenţi structurali ai pereţilor celulari;
• situri de recunoaştere pe suprafaţa celulelor.

În funcţie de comportarea lor în reacţia cu apa, zaharidele sunt grupate în două mari clase:

1. Monozaharidele sunt compuşi polihidroxicarbonilici care nu hidrolizează. Pot fi polihidroxicetone, precum fructoza, sau pot fi polihidroxialdehide, precum glucoza.

2. Zaharidele de policondensare sunt compuşi care hidrolizează. Prin hidroliza acestor zaharide se obţin mai multe unităţi structurale de monozaharidă. De cele mai multe ori, formula zaharidelor de policondensare este (C₆H₁₀O₅)_n:

• pentru n=2, compuşii se numesc dizaharide;
• pentru 3 ≤ n < 10, compuşii se numesc oligozaharide;
• pentru n ≥ 10, compuşii se numesc polizaharide.

Numim carbon asimetric un atom de carbon de care sunt legaţi 4 atomi diferiţi sau grupe de atomi diferite.

Glucoza este cea mai abundentă zaharidă întâlnită în natură. Formula moleculară a glucozei este C₆H₁₂O₆. Celulele vii oxidează glucoza în primul dintr-o serie de procese celulare care, la final, oferă celulelor energia necesară supravieţuirii.

În cazul organismelor animale, glucoza în exces este depozitată sub forma unui polimer numit glicogen. În cazul plantelor, glucoza în exces este depozitată sub forma unui polimer numit amidon.

Celuloza, cel mai important component structural al plantelor, şi chitina, componentul structural al exoscheletului insectelor, sunt tot polimeri ai glucozei.

Proiecţiile Fischer reprezinta una dintre modalităţile uzuale de a reprezenta structurile chimice ale zaharidelor. Emil Fischer este şi cel care a atribuit monozaharidelor notaţiile D şi L. Notaţiile D şi L sunt utilizate pentru a descrie configuraţiile monozaharidelor şi ale aminoacizilor.

În proiecţiile Fischer ale monozaharidelor gruparea carbonil este plasată întotdeauna în partea de sus a moleculei. Sunt identificaţi atomii de carbon asimetrici, iar în funcţie de orientarea grupei hidroxil legate de cel mai de jos carbon asimetric, se decide şi configuraţia monozaharidei, dacă este D sau L. Dacă grupare hidroxil respectivă se află pe partea dreaptă, atunci este vorba de o zaharidă D. Dacă gruparea hidroxil se află pe partea stângă, atunci este vorba de o zaharidă L. Configuraţia L este imaginea în oglindă a configuraţiei D.

Exemplu – Reprezentarea prin proiecţii Fischer a D–glucozei şi a L–glucozei.

În natură, glucoza există sub două forme: α–D–glucoza, şi β–D–glucoza. Aceste forme diferă numai prin poziţia în spaţiu a unei singure grupări hidroxil, şi totuşi, formează polimeri cu funcţiuni atât de diferite precum glicogenul şi amidonul pe de o parte, şi celuloza şi chitina pe de altă parte. 

Zaharoza numită şi sucroză, şi cunoscută sub numele uzual de zahăr, este o dizaharidă formată dintr-o unitate de glucoză şi o unitate de fructoză. Formula moleculară a zaharozei este: C₁₂H₂₂O₁₁.

Surse majore de zaharoză sunt tulpina trestiei de zahăr şi sfecla roşie. Se găseşte şi în fructe şi chiar şi în legume.

Zaharoza constituie o sursă rapidă de glucoză care este necesară pentru desfăşurarea proceselor biologice din toate celulele vii.

Prin reacţia de hidroliză, zaharoza se scindează într-o moleculă de glucoză şi o moleculă de fructoză. Fructoza este o monozaharidă izomeră cu glucoza. Amestecul de glucoză şi fructoză obţinut după hidroliza unei cantităţi de zaharoză se numeşte zahăr invertit.

Amidonul este o polizaharidă de rezervă formată din unităţi de α – D – glucoză unite între ele prin eliminarea unei molecule de apă între două grupări hidroxil în timpul policondensării. Formula moleculară a amidonului este: (C₆H₁₀O₅)_n. Amidonul nu este o substanţă unitară, ci este un amestec a două polizaharide: 20% amiloză şi 80% amilopectină.

Amiloza este componenta solubilă a amidonului. Prezenţa amilozei se recunoaşte prin reacţia cu iodul, când amiloza formează o substanţă albastră.

Amilopectina este componenta insolubilă a amidonului. În reacţia cu iodul dă o coloraţie roşie-violet. Amilopectina este o polizaharidă ramificată care poate conţine până la 10⁶ unităţi de glucoză, fiind astfel una dintre cele mai mari molecule întâlnite în natură.

Fotosinteza este procesul prin care plantele verzi utilizează lumina pentru a produce glucoză din dioxid de carbon şi apă. Procesul are loc în organitele celulare ale plantelor numite cloroplaste. După obţinerea prin fotosinteză, o parte din glucoză este folosită de plantă ca sursă imediată de energie, şi o altă parte este depozitată sub formă de granule de amidon în anumite organite din celulele plantelor. Amidonul se acumulează în rădăcini, seminţe, tuberculi, sau ribozomi, care servesc drept depozit pentru amidon.

Amidonul se găseşte în cantităţi foarte mari în cartofi, porumb, orez, fasole, soia, grâu.

Amidonul pur este o pulbere albă, fără gust şi fără miros. Este insolubil în apă rece şi în alcool.

Celuloza este o polizaharidă formată din unităţi de β – D – glucoză unite prin eliminarea unei molecule de apă între două grupe hidroxil ale glucozei în timpul policondensării. Celuloza are aceeaşi formulă moleculară ca şi amidonul: (C₆H₁₀O₅)_n, însă fiind formată din forma β a glucozei, proprietăţile şi funcţiile sale sunt foarte diferite de cele ale amidonului.

Celuloza este o polizaharidă de structură: formează pereţii celulari la plante, dar şi scheletul ţesuturilor lemnoase ale plantelor superioare. Deoarece se întâlneşte în toate plantele superioare în procente foarte mari, celuloza este, din punct de vedere cantitativ, cel mai răspândit compus organic de pe pământ.

Celuloza are structură fibrilară şi este insolubilă în apă şi în marea majoritate a solvenţilor, însă este biodegradabilă. Celuloza este o substanţă solidă, albă, fără gust şi fără miros.

Celuloza se dizolvă în hidroxid de tetraaminocupru (II) (reactiv Schweitzer). Soluţia obţinută astfel poate fi transformată în mătase artificială. 

Proteinele şi peptidele sunt polimeri ai aminoacizilor proveniţi în urma unor reacţii de policondensare. Unităţile care se repetă se numesc resturi de aminoacizi.

• o dipeptidă conţine 2 resturi de aminoacizi;
• o tripepeptidă conţine 3 resturi de aminoacizi;
• oligopeptidele conţin între 3 şi 10 resturi de aminoacizi;
• polipeptidele conţin mai mult de 10 resturi de aminoacizi.

Aminoacizii sunt compuşi organici polifuncţionali care conţin în moleculă atât grupe amino (– NH₂), cât şi grupe carboxil (– COOH). Aceste grupe funcţionale sunt legate de un radical hidrocarbonat, care poate avea structură diferită.  

Atunci când un aminoacid are mai mult de 3 atomi de carbon în moleculă, se precizează în denumire poziţia grupei amino pe catena acidului carboxilic. De obicei, numerotarea se face cu litere din alfabetul grecesc pornind de la atomul vecin grupării carboxil.

În imaginea de mai jos este reprezentat un α–aminoacid:

Proteinele din organismele vii sunt formate numai din α – aminoacizi.

Reacţia de policondensare a aminoacizilor: prin eliminarea unei molecule de apă între grupa amino a unui α–aminoacid şi grupa carboxil a altui α–aminoacid, se stabileşte o legătură numită legătură peptidică.  Aminoacizii participanţi la condensare pot fi identici sau diferiţi.

În imaginea de mai jos este reprezentat produsul unei reacţii de policondensare între doi aminoacizi – o dipeptidă, şi este evidenţiată legătura peptidică.  Radicalii hidrocarbonaţi sunt notaţi generic cu R:

Proteinele sunt polipeptide naturale formate prin policondensarea a 40 până la câteva mii de resturi de aminoacizi.

Funcţiile proteinelor şi peptidelor în sistemele biologice:

• protecţie faţă de mediul exterior (keratina);
• oferă structură (colagenul);
• protecţie faţă de microorganisme invazive (anticorpii);
• biocataliză (enzimele);
• funcţie de transport (hemoglobina), etc.

În proteinele din organismele vii se întâlnesc 20 de α–aminoacizi diferiţi. Dintre aceştia, 10 sunt aminoacizi esenţiali.

Aminoacizii esenţiali sunt aminoacizii pe care organismul uman nu-i poate sintetiza deloc, sau nu-i poate sintetiza în cantităţi suficiente. Aşadar, aceştia trebuie să facă parte din dietă. Un adult are nevoie de 70-80 grame de proteine zilnic.

În funcţie de solubilitate, proteinele se clasifică astfel:

• Proteine insolubile: acestea se mai numesc şi scleroproteine şi se întâlnesc în organismele animale în stare solidă. Scleroproteinele oferă organelor rezistenţă mecanică sau protecţie împotriva agenţilor exteriori. Aceste proteine nu pot fi hidrolizate şi, de aceea, nu au valoare nutritivă. Exemple: keratina, colagenul.
• Proteine solubile: se întâlnesc în celule, în stare dizolvată sau sub formă de geluri hidratate. Marea majoritate a proteinelor solubile au funcţii fiziologice importante. Exemple: hemoglobina, albumina.

În funcţie de compoziţie, proteinele se clasifică astfel:

• Proteine simple: acestea sunt proteine care la hidroliză, formează numai aminoacizi.
• Proteine conjugate sau proteide: acestea sunt proteine care la hidroliză formează şi alţi compuşi pe lângă aminoacizi. Proteinele conjugate sunt formate dintr-o componentă proteică, şi o componentă prostetică. Partea prostetică poate fi formată din molecule precum resturi de zaharide (glicoproteide), de grăsimi (lipoproteide), acid fosforic (fosfoproteide), sau chiar ioni metalici (metaloproteide).

Denaturarea proteinelor este procesul fizico-chimic prin care se distruge structura proteinei şi se pierde funcţia ei fiziologică.

Factori denaturanţi chimici: acizii şi bazele tari, sărurile metalelor tranziţionale, solvenţii organici sau detergenţii.

Factori denaturanţi fizici: căldura, radiaţiile radioactive, ultrasunetele.