Biologia generale

Biologia 07/10 proteine

Proteine

Le proteine costituiscono il 50% della materia organica e tra le macromolecole sono le più abbondanti. Costituite dagli amminoacidi, presentano dimensioni estremamente variabili. Alcune possono essere formate da più catene polipeptidiche.

Amminoacidi

Sono composti da più gruppi funzionali. Presentano un C centrale, carbonio alfa, a cui sono legati un gruppo amminico, un carbossilico, un H e una catena laterale, che conferisce le proprietà alle proteine. Quando gli amminoacidi sono in soluzione acquosa a pH neutro, gli amminoacidi sono 20 e, a seconda del gruppo laterale, si distinguono in: non polari, polari non carichi; polari carichi. Importante è la prolina, la cui struttura è ad anello. Alcuni sono idrofobi altri idrofobici.

I più importanti amminoacidi sono:

• Cisteina: con gruppo SH; così due amminoacidi cisteina formano due legami covalenti, ponti solfuro, importanti per determinare la forma della proteina.
• Glicina: il più piccolo degli amminoacidi, con catena laterale formata da un solo H.
• Prolina.

Il legame peptidico

Gli amminoacidi sono legati fra di loro tramite un legame covalente detto legame peptidico, che si forma tramite condensazione tra il gruppo carbossilico del primo amminoacido e il gruppo amminico del secondo, quindi determina il rilascio di un H₂O. Determina una direzionalità nella catena peptidica.

Peptidi

Una catena polipeptidica è formata da più amminoacidi legati tramite legame peptidico, nella quale riconosciamo un'estremità N-terminale, che dà inizio alla catena, e un'estremità C-terminale, che ne determina la fine.

I ponti disolfuro

Si formano nel reticolo endoplasmatico. Sono estremamente importanti nelle proteine secrete, lisosomiali e di membrana. Permettono alle proteine di acquisire una loro forma e resistenza, come nella cheratina.

Struttura delle proteine

Struttura primaria

Data dalla sequenza degli amminoacidi di una proteina, che a sua volta sono determinate dal gene che codifica quella proteina. A seconda della sequenza amminoacidica si può predire la forma e quindi la funzione di una proteina.

Struttura secondaria

Data dalla struttura tridimensionale in cui le regioni delle proteine subiscono dei ripiegamenti causati dai legami ad H organizzate in alfa elica, foglietti beta o casuali.

Struttura terziaria

La struttura tridimensionale assunta dalla catena a partire dalle strutture secondarie in domini.

Struttura quaternaria

È data dalla disposizione di diverse catene polipeptidiche che si possono legare per formare una proteina funzionale.

Struttura primaria

Data dalla sequenza degli aa, quindi a seconda di questa avremo una struttura tridimensionale diversa. N.B. composizione: quantità degli amminoacidi di una proteina. Sequenza: successione di specifici amminoacidi. È determinata dalle regioni codificanti del gene. È quindi una modalità di ripiegamenti della catena in strutture regolari e ripetute, grazie a legami ad H.

Struttura secondaria

È data da interazioni chimico-fisiche che determinano il ripiegamento, legami ad H. Esistono due tipi: alfa elica e foglietto, oltre al random coiled. Anche le ultime hanno una loro funzione strutturale poiché sono flessibili e possono permettere l'interazione fra due regioni, ad esempio ad alfa elica e foglietto.

Alfa elica

Formate tramite legami ad H tra N-H di un residuo amminoacidico e un C=O del quarto residuo amminoacidico successivo.

Foglietto beta

Anche qui si formano legami ad H tra H e O, la catena forma una struttura a zig-zag.

Struttura terziaria e quaternaria

In questa struttura assume la sua struttura tridimensionale. Avviene attraverso ulteriori ripiegamenti nelle regioni ad alfa o a foglietto, mediante legami covalenti o interazioni deboli, come legami H.

Denaturazione delle proteine

La denaturazione delle proteine è un fenomeno chimico che consiste nel cambiamento della struttura proteica nativa, con conseguente perdita della funzione originaria della molecola. La denaturazione è un processo che porta alla perdita di ordine e quindi a un aumento di entropia. Dopo che una proteina ha cominciato a denaturarsi diviene sempre più sensibile al processo, quindi la denaturazione è un processo cooperativo. Non vengono compromessi i legami peptidici. La struttura primaria non viene modificata. In seguito alla denaturazione le proteine possono esporre e rendere reattivi alcuni gruppi funzionali tramite i quali formare dei legami intramolecolari, deboli o forti, che possono causare l'aggregazione di più molecole proteiche. Alta temperatura, pH, agenti denaturanti, urea, provocano la denaturazione. È quasi sempre un processo irreversibile, però le chaperonine possono aiutare il ripiegamento.

Struttura quaternaria

Molte proteine sono formate da più catene polipeptidiche, chiamate subunità. Esempio: emoglobina, 2 catene alfa + 2 catene beta, ciascuna legata ad un gruppo eme. Le combinazioni di strutture secondarie, terziarie e quaternarie danno origine a domini funzionali, ossia regioni della stessa proteina che però hanno funzioni diverse, es: DNA-polimerasi, cerniere di leucine, STAT protein.

Cinque fattori che promuovono il ripiegamento proteico

• Legami H.
• Legami ionici.
• Interazioni idrofobiche.
• Ponti di solfuro.
• Forze di Van der Waals.

Interazioni proteina-proteina

Due proteine possono interagire fra di loro, aderendo sulla superficie tramite legami.

Riassunto funzioni proteine

• Ruolo strutturale, collagene.
• Adesione cellulare.
• Trasporto attraverso membrane.
• Funzione enzimatica.
• Macchine multiproteiche, DNA polimerasi.
• Trasmettitori di segnali, come alcuni ormoni che si legano a proteine recettori.
• Anticorpi.
• Deposito, ferritina.

Lezione 4: nucleotidi e acidi nucleici

Nucleotidi

I nucleotidi sono tenuti insieme da un legame chiamato fosfodiestere fra gli atomi di carbonio 5' iniziale e 3' terminale, tra il gruppo fosfato e l'ossigeno del gruppo ossidrile, con la liberazione di una molecola di H₂O, condensazione. Conferisce due estremità: 5' con il gruppo fosfato e l'estremità 3' con il gruppo ossidrile.

Nucleotidi che svolgono funzioni importanti

• ATP: energia reazioni.
• GTP: energia sintesi proteine.
• cAMP: nucleotide essenziale nella trasduzione dei segnali intracellulari.

Gli acidi nucleici

DNA: costituito da due lunghe catene polipeptidiche, filamenti di DNA, costituite a loro volta di nucleotidi. Essi sono composti da uno zucchero a 5 atomi di C, base azotata e un gruppo fosfato. Essi sono uniti tra legami covalenti tra di loro in una ossatura zucchero-fosfato-zucchero-fosfato. Le due catene sono tenute insieme da legami ad H, che si formano tra le basi azotate e le forze di Van der Waals tra le basi successive in un filamento, formando una struttura a doppia elica, secondo il modello di Watson e Crick, '53. Gli appaiamenti sono sempre rigidi A-T, con 2 legami H, e C-G, 3 legami H. I due filamenti sono antiparalleli e contengono una sequenza di nucleotidi che è complementare rispetto all'altro. A e G sono purine e T e C sono pirimidine e la loro quantità è uguale. Il numero di legami ad H tra le basi determina la stabilità di una determinata sequenza di DNA. Sequenze ricche di coppie C-G sono più resistenti alla separazione dei filamenti, duplicazione e trascrizione. La sequenza dei nucleotidi dà l'informazione genetica che si traduce in una sequenza lineare di amminoacidi nelle proteine.

RNA

Entrambi sono polimeri lineari di nucleotidi, specializzati per il deposito, trasmissione e utilizzo dell'informazione genetica. Dogma centrale della biologia. Anche gli acidi nucleici possono assumere strutture tridimensionali.

Lezione 5 9/10: RNA

Differenze

Consiste di un singolo filamento formato da nucleotidi, lo zucchero è il ribosio e al posto della T è presente l'uracile. Nel ribosio è presente un gruppo ossidrile in più al posto del singolo H del desossiribosio nell'estremità 5'. Inoltre, l'RNA può assumere diverse conformazioni al contrario del DNA, a seconda della funzione specifica. Ad esempio, il tRNA con la sua struttura a trifoglio.

Diversi tipi di RNA

• mRNA, messaggero: sono RNA copie di geni che codificano per proteine, vengono tradotti in una sequenza proteica. Molto eterogenei per la lunghezza e vita relativamente breve. Vengono sintetizzati nel nucleo attraverso il processo di trascrizione come RNA più grandi e modificati in RNA maturi mediante tailing, capping, splicing.
• RNA ribosomiali, rRNA: sono RNA stabili e formano i ribosomi. Sono 3 tipi nei procarioti e 4 negli eucarioti. Non hanno una funzione strutturale, ma aiutano l'mRNA a posizionarsi correttamente a distinguere l'inizio dell'mRNA nella traduzione in proteina.
• RNA transfer: relativamente piccoli, struttura a trifoglio, fungono da adattatori, ossia permettono la traduzione dell'mRNA in proteina legando amminoacidi in modo specifico. Trasferisce l'informazione di una sequenza nucleotidica in una sequenza amminoacidica.
• snRNA, piccoli RNA nucleari: RNA presenti solo nel nucleo, dimensioni relativamente piccole e sono implicati nel processo di splicing; rimozione RNA grandi.
• SnoRNA: simili agli snRNA, ma sono presenti nel nucleolo, ossia una regione del nucleo, dove avviene l'assemblaggio dei ribosomi. Qui catalizzano la maturazione degli rRNA e assemblaggio dei ribosomi.
• Micro RNA, miRNA: molto piccoli ed esistono molti tipi diversi, svolgono varie funzioni nel nucleo e nel citoplasma. Hanno un ruolo importante nell'espressione genica, regolazione della cromatina; RNA interference, cioè controllano l'espressione di un determinato gene, controllo della traduzione.
• Altre molecole di RNA possono far parte di enzimi, es: telomerasi.

2 Parte: caratteristiche generali delle cellule, citoplasma, nucleo e sistema endomembrane

Teoria cellulare

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da cellule ed è l'unità di base degli organismi. Fino agli anni '50 dell'800 si credeva alla generazione spontanea, però poi si affermò che le cellule hanno origine dalla divisione di una cellula preesistente.

Caratteristiche comuni cellule

Tutte contengono il DNA, sono delimitate da una membrana plasmatica che separa l'ambiente interno da quello extracellulare e permette gli scambi con quest'ultimo. Tutte le cellule inoltre sono in grado di svolgere le funzioni metaboliche di base per la sopravvivenza: sintetizzano molecole e le degradano, sono in grado di produrre energia, assumono materiale dall'esterno ed eliminano i rifiuti, si muovono e comunicano per regolare e coordinare le attività con altre cellule. Le cellule si studiano con i microscopi ottici od elettronici. Per studiare le componenti cellulari si usa il frazionamento cellulare tramite i sistemi di centrifugazione, previa rottura della membrana. Il volume è correlato al metabolismo, mentre dalla superficie dipende la quantità di sostanze che può transitare dall'esterno all'interno e viceversa. Nel momento in cui la dimensione di una cellula aumenta, il suo volume aumenta molto più rapidamente della sua superficie, e ciò non va bene.

Tipi di organizzazione cellulare

Esistono due tipi di organizzazione cellulare: eucariotiche e procariotiche:

• Procarioti: no nucleo, il DNA è libero nel citoplasma, occupando una regione specifica, nucleoide, gli organelli non sono dotati di membrana, hanno una parete cellulare di peptidoglicano, le dimensioni sono più piccole.
• Eucarioti: hanno il nucleo, gli organelli sono dotati di membrana, non hanno solo parete cellulare e mai peptidoglicano, dimensioni più grandi.

La cellula procariotica

Le cellule procariotiche sono molto semplici, sia a livello di organizzazione che di dimensione. Sono caratterizzate da un'assenza di compartimentazione interna. Sono in grado però di completare le funzioni metaboliche e utilizzano diverse fonti energetiche e sono adatte alla sopravvivenza estrema. Partendo dall'esterno si ha una struttura chiamata glicocalice, un rivestimento gelatinoso. La superficie poi è caratterizzata dalla presenza di pili o flagelli. La parete cellulare all'esterno della membrana plasmatica fornisce protezione e supporto. Gli organuli sono immersi nel citoplasma e si riconosce una regione, ossia il nucleoide, dove risiede il DNA ad anello. Si trovano poi immersi i ribosomi, sede della sintesi proteica. La membrana plasmatica racchiude il materiale cellulare e regola il passaggio di sostanze. Il citoplasma si distingue in citosol, soluzione acquosa di piccole o grandi molecole per il funzionamento della cellula, e i ribosomi. Il DNA è organizzato in un singolo cromosoma circolare localizzato nel nucleoide. In aggiunta al DNA, i batteri possono contenere piccole molecole di DNA circolare, detti plasmidi, che solitamente codificano enzimi per la resistenza del batterio e per lo scambio genico tra batteri. All'esterno della membrana plasmatica c'è una parete cellulare che ha un ruolo di protezione e strutturale. È porosa per consentire ai nutrienti di entrare all'interno della cellula. È costituita da peptidoglicano, polimero di amminozuccheri. Alcuni hanno anche un glicocalice, ossia una capsula viscosa con funzione di protezione, adesione, antidisidratazione. Non sono presenti delle membrane interne, ma delle invaginazioni della membrana plasmatica, come nei batteri fotosintetici. Possono essere inoltre presenti flagelli o pili, appendici che favoriscono il movimento e l'adesione della cellula e sono ancorate alla membrana plasmatica.

La cellula eucariotica

La cellula eucariotica è più complessa, con dimensioni più grandi e un'organizzazione più complessa per la compartimentazione interna. La membrana racchiude il materiale cellulare e permette gli scambi. All'interno della membrana si trova il citoplasma diviso in citosol e una serie di organuli delimitati da membrana che svolgono funzioni specifiche. Non tutti gli organelli hanno una membrana.

Organelli membranosi e non membranosi

• Organelli membranosi: nucleo, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri, cloroplasti, lisosomi, perossisomi.
• Organelli non membranosi: ribosomi, citoscheletro, centrioli.

Origine della cellula eucariotica

La complessità organizzativa della cellula eucariotica nasce da strutture più semplici delle procariotiche in seguito a ripetizioni seriali di due processi: invaginazioni della membrana plasmatica e endosimbiosi, ossia inglobamento all'interno della cellula di organismi procariotici specializzati in determinate funzioni.

Cellula eucariotica animale

Notiamo la presenza del nucleo, che mantiene separato il materiale genetico dal resto della cellula e inoltre ha un ruolo di protezione di quest'ultimo, oltre che di organizzazione ed espressione del materiale genetico. È avvolto da una membrana nucleare, una doppia membrana porosa che permette gli scambi con l'esterno e l'interno col nucleo. All'interno del nucleo risiede il nucleolo, luogo di assemblaggio dei ribosomi. Al di fuori del nucleolo è contenuta la cromatina, un insieme di proteine e DNA. Nel citoplasma ci sono tutta una serie di organuli anch'essi racchiusi da membrane porose, che svolgono diverse funzioni.

Cellula eucariotica vegetale

Al contrario della cellula animale, oltre alla presenza dei cloroplasti, dove avviene la fotosintesi, sono presenti i vacuoli che fungono da deposito e di regolazione del volume della cellula. È presente anche la parete cellulare che dà sostegno e struttura alla cellula.

I compartimenti delle eucariotiche

Citoplasma

Regione di una cellula eucariotica che si trova all'esterno degli organelli contenuti nella membrana plasmatica. Nelle cellule animali il citoplasma è occupato dal citoscheletro che funge da sostegno, cosa che non accade nelle vegetali. Ha un ruolo importante nel coordinamento di molte attività metaboliche, cataboliche, degradazione di molecole e anaboliche, sintesi di molecole. Nel citoplasma avviene anche la traduzione e il processo di sintesi di un polipeptide grazie ai ribosomi che si trovano liberi nel citoplasma. Questi non sono solo presenti nel citoplasma o nel RE rugoso, ma anche nei mitocondri.

Citoscheletro

Ha un ruolo per la forma e il movimento delle cellule. È dato da tre tipi di filamenti proteici: microtubuli, diam 25nm, costituiti da tubulina, microfilamenti, 7nm, da actina e filamenti intermedi, 10nm, a seconda della cellula. I microtubuli e i microfilamenti sono formati da proteine globulari e sono strutture dinamiche, i filamenti intermedi sono strutture più stabili e rigide.

Lezione 14: sistema di membrane interne/endomembrane

Reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi

Sono un sistema di membrane continuo, formati da tubuli, cisterne vescicole, delimitate da membrana. Sono in comunicazione fra di loro quindi attraverso queste vescicole portano il materiale.

Sistema endoplasmatico

È un sistema di tubuli, vescicole e cisterne appiattite ed è continuo. Si divide in ruvido e liscio ed entrambi svolgono funzioni specifiche. Tutte queste cisterne racchiudono un lume. Quello ruvido è in continuità con la membrana nucleare esterna. Il reticolo endoplasmatico rugoso perché sulla superficie sono adesi i ribosomi ed è formato in prevalenza da cisterne appiattite. Il RE liscio è privo di ribosomi ed è formato in prevalenza da sacche tubulari.

Funzioni del reticolo endoplasmatico

Il RE rugoso è deputato alla traduzione degli mRNA in proteine data la presenza di ribosomi. Si trova in tutte le cellule, ma in prevalenza è più abbondante in cellule che sintetizzano più proteine. Quindi la prima funzione è la sintesi di proteine secrete, proteine extracellulari o proteine interne ad organuli come lisosomi. Sintesi di proteine di membrana plasmatica o di membrana interne, proteine canali, di trasporto di materiali. Smistamento di proteine destinate all'apparato di Golgi, ai lisosomi.