Biologia della cellula eucariota

Carboidrati

I carboidrati sono utilizzati in ambienti biologici per l'accumulo di energia, supporto strutturale, vie di segnalazione e altre funzioni. Essi possono essere suddivisi in monosaccaridi e disaccaridi.

Monosaccaridi

Tutti i monosaccaridi possiedono la formula C_nH_2nO_n e sono denominati in base al valore di n: ad esempio, cinque zuccheri di carbonio sono definiti pentosi o sei zuccheri di carbonio sono esosi. Nello specifico, i monosaccaridi contengono sia gruppi carbonilici (C=O) che idrossilici (-OH). Secondo un diverso tipo di classificazione, in base alla posizione in cui è presente il gruppo carbonilico, uno zucchero può essere classificato come aldoso (es: glucosio), o chetoso (fruttosio).

Parlando di struttura, ci sono due isomeri della stessa molecola a causa di una rotazione del gruppo aldeidico attorno al legame tra il carbonio in prima e seconda posizione, che risulta nella formula α o β. Nonostante sia più facile scrivere la molecola con la formula di Fisher, cioè quando gli atomi di carbonio sono disposti linearmente, questo modo di rappresentazione non è del tutto preciso: per questo è importante menzionare le proiezioni di Haworth; questo modo di scrivere una formula monosaccaride consiste in una struttura ciclica.

Disaccaridi

I disaccaridi derivano dal legame glicosidico, un legame covalente, tra due monosaccaridi: la connessione avviene quando un gruppo ossidrile del primo carbonio di un monosaccaride si lega ad un idrogeno del secondo o quarto carbonio di un altro monosaccaride. Questo legame potrebbe essere un legame 1-2-β-glicosidico, un legame 1-4-α-glicosidico o un legame 1-4-β-glicosidico. Questo accade perché questo tipo di collegamento potrebbe essere α o β: se è α, significa che le molecole sono allineate l'una accanto all'altra, mentre β significa che le molecole sono accoppiate con un atomo più alto dell'altro.

Per fare alcuni esempi, il disaccaride più comune è detto saccarosio, seguito dal lattosio. Quest’ultimo non è digeribile se manca un enzima specifico, la lattasi: a questo proposito è importante sottolineare il fatto che gli enzimi sono in grado di digerire solo molecole che presentano legami α-glicosidici.

Polisaccaridi

L'ultima categoria dei carboidrati comprende i polisaccaridi, biomolecole prodotte da centinaia o migliaia di monosaccaridi legati insieme attraverso legami glicosidici. Esistono tre tipi di polisaccaridi, ovvero l'amido, la cellulosa e il glicogeno.

• Il primo è un polimero costituito da unità di glucosio e si trova nelle piante. La forma più semplice dell'amido è l'amilosio, mentre una forma più complessa è mostrata dall'amilopectina, a causa delle sue ramificazioni.
• La cellulosa ha una struttura simile alla precedente, a parte i legami glicosidici: i legami α si trovano nelle molecole di amido, mentre quelli β si riferiscono alla cellulosa.
• Il glicogeno, che è simile all'amilopectina, deriva dalla glicogenesi, una reazione che avviene negli epatociti. Il glicogeno ha origine animale ed è immagazzinato nel fegato.

Polimerizzazione dei carboidrati

Dal modo in cui gli zuccheri si legano tra loro si possono dedurre alcune caratteristiche fondamentali per la formazione dei legami biochimici. Con una reazione di condensazione si forma un legame tra un gruppo -OH di uno zucchero e un gruppo -OH di un altro e nel contempo viene espulsa una molecola d’acqua. I legami costituiti da tutte queste reazioni di condensazione si possono rompere con un processo inverso, l’idrolisi, in cui si consuma una molecola d’acqua.

Es: D-Glucosio α-D-Glucosio

Lipidi

I lipidi sono idrocarburi non-polari ed insolubili in acqua ma non possono essere definiti polimeri in senso stretto perché non sono uniti da legami covalenti. Essi sono composti principalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno; quest’ultimo in proporzione inferiore ai carboidrati. In generale, queste biomolecole includono acidi grassi e cere.

Gli acidi grassi sono acidi monocarbossilici alifatici. Essi vengono definiti anfipatici, ovvero hanno proprietà chimiche opposte: in due parti diverse della molecola, si possono presentare due gruppi funzionali diversi con proprietà diverse. Nello specifico, è interessante concentrarsi sui derivati degli acidi grassi, che sono trigliceridi, fosfolipidi e steroli.

Trigliceridi

Per formare i trigliceridi sono necessari tre acidi grassi legati a un glicerolo attraverso i legami dell'estere. In particolare, vengono immagazzinati nel tessuto adiposo, quindi essi costituiscono la principale riserva energetica dell'organismo.

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono composti da due acidi grassi, un'unità di colina e un gruppo fosfato. Questa, la testa della molecola, è polare, e quindi solubile in acqua, o meglio idrofila. Invece, l'estremità dell'acido grasso è non polare, quindi si chiama idrofobica. Pertanto, in acqua, queste molecole formeranno doppi strati, con le code degli acidi grassi rivolte verso l'alto tra loro, e le teste rivolte verso l'esterno (es. micella, struttura sferica piena con, all’esterno, teste).

Steroli

Gli steroli sono composti da un anello di quattro idrocarburi e differiscono per le catene alchiliche laterali che si estendono dai loro anelli. Tra questi, uno degli steroli più importanti è il colesterolo: è parte integrante della membrana cellulare che fornisce fluidità alla membrana e funge anche da precursore per la produzione degli ormoni sessuali, ormoni rilasciati dalle ghiandole surrenali, bile e vitamina D.

Proteine

Le proteine sono polimeri di amminoacidi: questi, sono caratterizzati dalla presenza di due gruppi funzionali, il gruppo amminico e il gruppo carbossilico. In totale, in natura si contano circa venti amminoacidi che differiscono per la catena laterale, detta anche gruppo R, legata al carbonio α. È importante specificare che tutti gli amminoacidi, ad eccezione della glicina, sono molecole chirali, nel senso che esistono in due forme otticamente asimmetriche, che sono le immagini speculari l’una dell’altra.

Ma prima di parlare della struttura delle proteine, occorre analizzare come si formano: quando due amminoacidi si uniscono, attraverso un legame peptidico, avviene l'eliminazione di una molecola d'acqua e questa reazione si traduce in un'ammide. Se gli amminoacidi sono più di dieci nella polimerizzazione, quella molecola si chiama polipeptide.

La conformazione delle proteine segue una specifica gerarchia a causa della centinaia di aminoacidi che contiene.

Struttura primaria

La struttura più semplice è quella primaria, cioè solo una sequenza di aminoacidi, il cui nome potrebbe essere abbreviato con un codice di tre lettere.

Struttura secondaria

La struttura secondaria, necessaria per introdurre come le proteine si ripiegano, descrive le conformazioni locali che si formano all'interno di un polipeptide dovuto alle interazioni tra gli atomi. I tipi più comuni di struttura secondaria sono l'α-elica e il foglietto β, entrambi tenuti in quella determinata forma grazie ai legami idrogeno.

Struttura terziaria

Il ripiegamento e la stabilizzazione della catena polipeptidica genera una macromolecola con una forma tridimensionale specifica: questa struttura tridimensionale è detta struttura terziaria ed è necessario specificare che essa può essere formata da ponti disolfuro (gruppo terminale -SH di cisteina che reagisce con un'altra catena laterale di cisteina), legami idrogeno, interazioni idrofobiche e ponti salini.

Struttura quaternaria

Infine, la struttura quaternaria è formata da alcune proteine, che coinvolgono più subunità polipeptidiche, che si uniscono per formare un’unità funzionale più grande. Queste unità creano solo interazioni elettrostatiche tra loro, che sono forti tanto da consentire alle subunità di organizzarsi in modo specifico.

Ciò che è importante dire è che le proteine sono molecole biochimiche che svolgono molti ruoli importanti. Infatti, sono obbligatorie per azioni catalitiche, come gli enzimi, o possono attaccare particelle estranee specifiche sotto forma di anticorpi.

Le membrane cellulari

La membrana plasmatica

Tra le funzioni più importanti di questo specifico organo si può ritrovare:

• Delimita la cellula e racchiude il citoplasma;
• Regola il trasporto dei nutrienti all’interno della cellula;
• Regola il trasporto di alcuni prodotti all’esterno della cellula;
• Regola la stabilità chimico-fisica dell’ambiente intracellulare, ovvero l’omeostasi;
• È il sito di importanti reazioni chimiche che generalmente non possono avvenire in soluzione;
• Registra e trasforma i segnali provenienti dall’ambiente extracellulare;
• Negli organismi multicellulari, regola le interazioni tra cellule e tra cellula e matrice extracellulare.

Una delle principali caratteristiche della membrana plasmatica, e di tutte le membrane biologiche, è la sua natura: essa è composta da un doppio strato lipidico, definito anche bilayer. In particolare, il doppio strato è formato da fosfolipidi, composti da una testa idrofila, che dunque può entrare in contatto con l’acqua, e da una coda idrofobica, che è posta all’interno proprio per la sua natura idrofobica; i due acidi grassi, che formano la coda, sono legati a una molecola di glicerolo mediante un gruppo carbossilico, che poi prosegue con un gruppo fosfato e dalla testa polare caratterizzante. Il legame tra un gruppo OH e un acido forma un legame estere ed in questo caso ci sono 2 legami estere; il terzo gruppo OH è legato con un fosfato, il quale poi prosegue con una molecola basica. I due acidi grassi in figura sono differenti: quello di sinistra è definito grasso saturo, mentre nel secondo è possibile notare un doppio legame tra due carboni e, per questo, viene definito insaturo.

Acidi grassi saturi e acidi grassi insaturi

Le code alifatiche degli acidi grassi possono essere fatte:

• Da idrocarburi saturi: tutte le possibilità di legame dei C vengono occupati da legami con H, questo consente una relativa libertà di movimento tra molecole di C adiacenti che ad esempio possono ruotare l’uno intorno all’altro o flettersi;
• Da idrocarburi insaturi: se invece abbiamo la presenza di doppi legami tra atomi di C adiacenti, ecco che il doppio legame riduce la libertà del C, impedendogli di ruotare e muoversi liberamente.

In genere, appunto, i fosfolipidi hanno almeno due gradi di libertà di movimento:

1. Ruotare sul proprio asse;
2. Scivolare sul proprio strato.

I principali fosfolipidi di membrana sono: fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilcolina e sfingomielina. È possibile notare che tutti sono polari, ma la loro carica generale è neutra, perché + e - si annullano a vicenda. L’unico fosfolipide che non gode di carica neutra è la fosfatidilserina che, con un gruppo carbossilico in più, porta con sé una carica negativa.

È necessario considerare però che i lipidi di membrana non sono solo fosfolipidi, ma anche colesterolo e glicolipidi.

Non solo fosfolipidi nella membrana: il colesterolo

Molecola molto rigida ed idrofobica caratterizzata da uno scheletro di carbonio formato da 4 anelli. Essa è anfipatica a causa della sua testa idrofila e della coda idrofobica; infatti, nella membrana si posiziona mettendo il corpo della molecola a contatto con le code degli acidi grassi e la testa a contatto con le altre teste idrofiliche. Il colesterolo regola la fluidità delle membrane, che varia con la temperatura: a temperature alte, il colesterolo rende i doppi strati meno fluidi, mantenendo la stabilità della membrana; invece, a temperature basse, il colesterolo rende i doppi strati meno rigidi, impedendo alle catene idrocarburiche di unirsi e cristallizzare.

Non solo fosfolipidi nella membrana: i glicolipidi

Dal punto di vista strutturale, i glicolipidi condividono la forma dei fosfolipidi, anche se tuttavia utilizzano come testa polare degli zuccheri. Essi, inoltre, si trovano esclusivamente sul versante extracellulare della membrana plasmatica. Le loro funzioni principali sono: protezione, riconoscimento cellulare e trasmissione di impulsi elettrici.

Le proteine di membrana

La struttura della membrana cellulare contiene non solo il doppio strato fosfolipidico ma altri elementi essenziali, come le proteine: vi è, infatti, uno strato sottile di lipidi e proteine tenuti insieme da interazioni non covalenti. In particolare, le proteine mediano tutte le funzioni della membrana, ad esclusione della fluidità della membrana, che è determinata dai fosfolipidi.

Le proteine si possono associare alla membrana in due modi diversi: attraversando per intero lo strato lipidico (primi 3 casi), attraverso proteine integrali di membrana; oppure, associandosi ad uno dei due lati della membrana, attraverso proteine periferiche di membrana. Il dominio transmembrana, nel caso 1, è formato da α-elica. Inoltre, se si analizzano gli amminoacidi che compongono l’α-elica (circa 20), è possibile notare che uno degli amminoacidi principale è la glicina, che è l’amminoacido più piccolo: la presenza di un amminoacido piccolo ad una certa distanza consente a questa sequenza primaria di ripiegarsi formando strutture ad α-elica. Esistono, però, proteine la cui componente che attraversa la membrana è formata da foglietti β, che si dispongono a formare delle strutture chiamate barili e che generano delle strutture cave al loro interno, dentro cui possono passare delle molecole.

Esperimento di Frye e Edidin

I due volevano dimostrare che le proteine presenti nella membrana hanno alcuni gradi di libertà e in particolare possono muoversi sulla superficie della membrana. Presero due tipi di cellule di specie diverse: una linea cellulare murina e una linea cellulare umana le quali sono etichettabili utilizzando anticorpi specifici in grado di riconoscere le proteine sulla superficie di queste cellule. Poi, mediante l’utilizzo di un virus, ottennero la fusione delle due cellule, che osservate al microscopio a fluorescenza, evidenziavano i traccianti diversi. Dunque, fu possibile riconoscere chiaramente due emisferi, ognuno riconducibile a una delle due linee utilizzate nella fusione. Osservando la cellula dopo un periodo di incubazione a 37 gradi per 40 minuti, si è potuto vedere come la colorazione è diventata omogenea: tutta la colorazione conferita dalla cellula umana si è distribuita su tutta la cellula, così come tutta la colorazione caratteristica della marcatura della cellula murina si è distribuita lungo tutta la superficie, indicando che le proteine sono in grado di muoversi lungo tutta la superficie cellulare.

Asimmetria della membrana plasmatica

L’asimmetria della membrana plasmatica è data da diversi fattori:

• Distribuzione dei fosfolipidi (fosfatidilcolina e sfingomielina confinate allo strato esterno, mentre fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina nello strato interno);
• Contribuisce a formare il potenziale di membrana ("-" all’interno, "+" all’esterno).

Modello di struttura a mosaico fluido

Tutto questo detto finora (come migrazione longitudinale veloce (20-100 m/h), flip-flop lento o impossibile, lipidi e proteine distribuite asimmetricamente) porta a definire la struttura della membrana cellulare come una struttura definita mosaico fluido: fluido perché singoli fosfolipidi e proteine possono muoversi liberamente all'interno dello strato, come se fosse un liquido; mosaico a causa del modello prodotto dalle molecole proteiche disperse, quando la membrana è vista dall'alto.

Trasporto attraverso le membrane

Trasporto di piccole molecole

La natura idrofilica della membrana plasmatica consente il passaggio solo di molecole che condividono con essa delle caratteristiche simili. Le molecole, per poter attraversare la membrana, devono essere sostanzialmente piccole e neutre, due esempi sono: ossigeno e anidride carbonica. Esse sono piccole, apolari e si muovono spinte dal loro gradiente di concentrazione che rappresenta l’energia potenziale, la quale fa muovere molecole da punti in cui sono più concentrate verso punti in cui sono meno concentrate. In questo modo l’ossigeno può entrare liberamente all’interno della cellula come la CO₂ può uscire liberamente dalla cellula. Esistono delle molecole anche inquinanti che per le loro caratteristiche possono attraversare liberamente la membrana: questo è il caso del benzene, un idrocarburo aromatico apolare il quale è estremamente tossico per la cellula perché è cancerogeno e che penetra nell’organismo attraverso la pelle. Altre molecole piccole ma polari come acqua e etanolo, possono penetrare anche se con difficoltà maggiori. Molecole più grandi e polari come gli zuccheri, invece, non possono attraversare la membrana e hanno bisogno di trasportatori specifici così come gli amminoacidi e tutti gli ioni.

Meccanismi di trasporto

Diffusione

Esso può essere definito come il processo del movimento casuale verso l’equilibrio: in particolare, la diffusione è il movimento netto da regioni a maggiore concentrazione a regioni con minore concentrazione. Inoltre, la molecola può attraversare la membrana plasmatica senza il bisogno di proteine trasportatrici.