Introduzione
La maggior parte delle molecole presenti nelle cellule animali e vegetali, a parte l'acqua, è costituita da sistemi di grosse dimensioni (macromolecole), dove centinaia o migliaia di atomi sono connessi da legami chimici. Nonostante l'enorme complessità dei sistemi biologici e il numero elevato di elementi chimici disponibili sul pianeta, queste macromolecole sono composte principalmente da idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno. Sebbene presenti in minore quantità, anche fosforo e zolfo giocano ruoli fondamentali nella struttura e nel metabolismo cellulare. Oltre a questi sei elementi, solo piccole quantità di metalli o alogeni entrano nella costruzione delle molecole biologiche, le quali possono essere classificate in quattro categorie principali: carboidrati, proteine, acidi nucleici e lipidi.
I carboidrati sono le molecole organiche più abbondanti in natura. Essi sono costituiti, fondamentalmente, da strutture idrocarburiche alle quali sono legati molti gruppi polari (essenzialmente gruppi OH) che rendono queste molecole altamente solubili in acqua. I carboidrati sono spesso rappresentati da grossi polimeri, noti come polisaccaridi, le cui unità monomere hanno struttura ciclica (anelli a cinque o sei membri come glucosio e fruttosio) legate fra di loro a formare lunghe catene lineari o ramificate. Le funzioni svolte dai carboidrati sono molteplici: essi rappresentano una riserva di energia chimica (glucosio, amido, glicogeno), sono parti essenziali delle strutture di supporto delle piante (cellulosa), così come delle pareti cellulari batteriche, e rappresentano componenti fondamentali degli acidi nucleici (D-ribosio e 2-deossi-D-ribosio).
Le proteine costituiscono un altro importantissimo gruppo di polimeri biologici con una grande versatilità di funzioni. Gli enzimi, ad esempio, sono una classe di molecole proteiche estremamente specializzate, con la funzione di catalizzare e regolarizzare le reazioni cellulari. Altre proteine sono deputate a funzioni di trasporto: l'emoglobina trasporta ossigeno dai polmoni alle zone dell'organismo che lo richiedono. Un ruolo analogo è svolto dalle emocianine nel caso, ad esempio, degli artropodi. Vi sono poi proteine che svolgono la funzione di supporti strutturali: il collagene, ad esempio, è la proteina principale del tessuto connettivo e delle ossa.
Gli acidi nucleici sono certamente le macromolecole di maggiori
dimensioni presenti nella cellula. Queste molecole, che hanno la funzione di
replicare e trascrivere l'informazione genetica, sono costituite da polimeri di
due tipi: acidi deossiribonucleici (DNA) e acidi ribonucleici
(RNA). Il DNA può essere definito come la molecola dell'eredità
ed è il depositario dell'informazione genetica nelle cellule. Esso
tuttavia non viene utilizzato direttamente nella sintesi delle proteine.
Questa funzione è invece assolta dall'RNA che ha il compito di effettuare
la trascrizione e la traduzione di questa informazione. Il flusso dell'informazione
genetica può quindi essere diviso in due stadi fondamentali:
DNA 
(trascrizione)
RNA
(traduzione)
Sintesi delle proteine. Una interessante eccezione a questo meccanismo è rappresentata da
alcuni virus (retrovirus), nei quali l'informazione genetica è
immagazzinata sotto forma di RNA anziché di DNA.
Infine, ricordiamo brevemente i lipidi, anche se questi non verranno trattati in dettaglio nelle successive sezioni. I lipidi, rappresentano una classe eterogenea di composti organici presenti in natura, che vengono raggruppati non tanto sulla base di gruppi funzionali specifici, quanto sulla base di proprietà comuni di solubilità. Essi hanno pochissima tendenza a essere solubili in acqua, ma sono fortemente solubili in solventi organici aprotici (per esempio dietiletere e acetone). Da questo punto di vista, dunque, il loro comportamento è molto diverso da quello di carboidrati, acidi nucleici e amminoacidi, che sono praticamente insolubili in solventi organici. Si possono suddividere i lipidi in due gruppi principali. Il primo gruppo è costituito dai lipidi strutturalmente caratterizzati da una porzione non-polare di grosse dimensioni (parte idrofobica) e da una porzione più piccola polare (parte idrofila). I triacilgliceroli, i fosfolipidi, le prostaglandine e le vitamine idro-solubili fanno parte di questo primo gruppo. Il secondo gruppo è invece costituito da composti che contengono il cosiddetto nucleo steroideo, un sistema tetraciclico di anelli che caratterizza, ad esempio, il colesterolo, gli ormoni steroidei e gli acidi biliari.
Nei paragrafi successivi esamineremo in dettaglio soprattutto la chimica di carboidrati e proteine, mentre descriveremo solo parzialmente gli acidi nucleici, facendo soprattutto riferimento alla struttura del DNA e al suo meccanismo di replicazione.