Biologia generale

Biologia lezione 1: macromolecole

Biologia = studio degli esseri viventi, studio dei processi alla base della vita di un essere vivente.

Essere vivente: nasce, cresce, si riproduce, muore.

Tessuti acqua macromolecole ioni e piccole molecole.

Tessuti

• 70%: acqua.
• 2-3%: ioni e piccole molecole.
• 28%: macromolecole.

Macromolecole principali

• Carboidrati (polisaccaridi).
• Lipidi.
• Proteine (polipeptidi).
• Acidi nucleici.

Le macromolecole (tranne i lipidi) sono polimeri costituiti da molecole più piccole, monomeri, uniti tra di loro mediante legami covalenti:

• Carboidrati < zuccheri.
• Lipidi.
• Proteine < amminoacidi.
• Acidi nucleici < nucleotidi.

Ogni macromolecola ha una determinata forma importante nel determinare le proprietà biologiche e le sue funzioni.

1. Carboidrati

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• Zuccheri e amidi sono riserve di energia delle cellule.
• Contengono C, H e O in rapporto di un atomo di C per due di H e uno di O: C-H-O (CH₂O)_n.
• Possono essere:

• Monosaccaridi (un’unità di zucchero).
• Disaccaridi (2 unità di zucchero).
• Polisaccaridi (più unità di zucchero).

1) Monosaccaridi

• Contengono da 3-7 atomi di C.
• Ogni C è legato ad un gruppo ossidrilico OH, tranne uno che è legato ad un atomo di O mediante doppio legame per formare gruppo carbonilico (C=O).
• Il gran numero di gruppi OH assieme al gruppo C=O conferisce al monosaccaride proprietà idrofilica.
• Glucosio è il monosaccaride più abbondante ed è utilizzato come fonte di energia dalla maggior parte degli organismi.

Aldeide: gruppo carbonilico in posizione terminale della catena.

Chetone: gruppo carbonilico in un’altra posizione.

Isomeri strutturali: formule molecolari identiche con diversa disposizione degli atomi, proprietà diverse (fruttosio è più dolce).

Struttura bidimensionale a catena di (a) triosi a tre atomi di carbonio, (b) pentosi a 5 atomi di carbonio e (c) esosi a sei atomi di carbonio.

Anche se è conveniente rappresentare i monosaccaridi in questa forma, è più corretto rappresentare i pentosi e gli esosi nella forma ad anello (figura 3.7).

Il gruppo carbonilico è terminale negli zuccheri aldeidici e interno in quelli chetonici.

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Il desossiribosio differisce dal ribosio per l’assenza di un ossigeno: un idrogeno al posto di un gruppo ossidrile è legato al carbonio 2.

Il glucosio e il galattosio differiscono per la disposizione del gruppo ossidrilico e dell’idrogeno legati al carbonio 4.

Monosaccaridi: formula lineare, formula tridimensionale.

Struttura tridimensionale:

• Più stabile della forma lineare.
• Legame covalente tra il C1 e l’O legato al C5.

Quando il glucosio forma un anello esistono due possibili isomeri (α e β glucosio) che differiscono per l’orientamento del gruppo OH.

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• Se il gruppo OH del C1 è dalla stessa parte del piano dell’anello rispetto al gruppo laterale –CH₂OH, il glucosio viene chiamato β-glucosio.

Quando invece i due gruppi si trovano su lati opposti del piano dell’anello il composto è detto α-glucosio.

• Funzione diversa e importante nel momento in cui gli anelli formano polimeri.

2) Disaccaridi

Disaccaride: formato da due anelli monosaccaridici legati tra loro mediante legame glicosidico.

Legame glicosidico: costituito da un O centrale legato covalentemente a due atomi di C (uno per anello).

Il legame glicosidico si forma di solito tra il C1 di una molecola e il C4 della molecola adiacente.

La rottura del legame glicosidico mediante reazione di idrolisi (con aggiunta di molecola di H₂O) scinde il disaccaride in due molecole di monosaccaride.

Il maltosio può essere scisso per formare due molecole di glucosio.

Il legame glicosidico viene rotto mediante una reazione di idrolisi che richiede l’aggiunta di acqua.

Il saccarosio può essere idrolizzato per produrre una molecola di glucosio e una di fruttosio.

3) Polisaccaridi

Polisaccaride = macromolecola costituita da unità ripetute di monosaccaride.

• Polisaccaride può essere costituito da una catena lineare o ramificata.
• I polisaccaridi rappresentano riserve di energia (quelli che possono essere facilmente scissi nelle loro subunità sono i più adatti ad immagazzinare energia).

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• Esempi:

• Amido (riserva dei vegetali): polisaccaride ramificato (α-glucosio).
• Glicogeno: la forma in cui le subunità di glucosio sono immagazzinate come fonte di energia (animali); è un polisaccaride ramificato anche più dell’amido (α-glucosio).
• Cellulosa: (fibre della parete cellulare delle piante) è un polisaccaride non ramificato (β-glucosio).

Carboidrati + proteine = glicoproteine.

Carboidrati + lipidi = glicolipidi (presenti sulla superficie cellulari e importanti nell’interazione cellulare).

L’amido è composto da molecole di α glucosio unite da legami glicosidici. Ai punti di ramificazione ci sono legami tra il carbonio 6 del glucosio della catena principale e il carbonio 1 del glucosio della catena laterale.

L’amido ha catene altamente ramificate. Nella rappresentazione schematica, le frecce indicano i punti di ramificazione. Lo schema è semplificato poiché nella realtà ciascuna catena ha una forma spirale o elica resa stabile da legami a idrogeno tra i gruppi ossidrilici delle subunità di glucosio.

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La molecola della cellulosa è un polisaccaride non ramificato costituito da circa 100.000 unità di β glucosio unite da legami glicosidici.

2. Lipidi

• Lipidi = gruppo di composti definiti dalla loro insolubilità in acqua.
• Sono composti essenzialmente da C e H (con poche molecole di O), quali rendono il composto idrofobico.
• Lipidi più importanti: grassi, fosfolipidi (membrana plasmatica) e steroidi (ormoni).
• Lipidi più abbondanti e principali riserva di energia: triacilgliceroli (glicerolo unito a 3 acidi grassi = catena idrocarburica non ramificata con gruppo carbossilico -COOH all’estremità).

Triacilglicerolo si forma mediante 3 reazioni di condensazione in cui un gruppo OH del glicerolo reagisce con il gruppo carbossilico di un acido grasso formando un legame estere covalente.

• Il glicerolo (b) è legato agli acidi grassi mediante legami esterei.
• L’acido palmitico, un acido grasso saturo, ha una struttura a catena lineare. L’acido oleico (monoinsaturo) e l’acido linoleico (polinsaturo) sono piegati o attorcigliati in corrispondenza di ogni doppio legame carbonio-carbonio.

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Monoacilglicerolo – diacilglicerolo – triacilglicerolo.

Acidi grassi saturi e insaturi

• Acidi grassi saturi (vd. acido palmitico): contengono il maggior numero possibile di H. I grassi ricchi di acidi grassi saturi a temperatura ambiente sono solidi (forze di Van der Waals = forze attrattive tra molecole adiacenti che rendono una sostanza più solida).
• Acidi grassi insaturi: possiedono una o più coppie di atomi di carbonio adiacenti legati tra loro da un doppio legame, quindi non sono completamente saturi con H.
• Acidi grassi monoinsaturi presentano un solo doppio legame.
• Acidi grassi polinsaturi presentano più di un doppio legame.
• I grassi contenenti acidi grassi mono- o polinsaturi sono liquidi a temperatura ambiente (doppio legame produce una “piega/curva” nella catena che limita le interazioni di Van der Waals).

Fosfolipidi

• I fosfolipidi fanno parte dei lipidi anfipatici caratterizzati da un’estremità idrofilica e un’estremità idrofobica.
• Fosfolipide consiste in una molecola di glicerolo attaccata a due acidi grassi e dall’altra parte a un gruppo fosfato legato ad un composto organico con azoto (colina).
• La parte con gli acidi grassi = coda idrofobica, invece glicerolo + gruppo fosfato + composto organico = testa idrofilica.
• Le caratteristiche anfipatiche di queste molecole lipidiche permettono la formazione in acqua di doppi strati lipidici, componenti fondamentali delle membrane.

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a) Fosfolipide (lecitina): un fosfolipide è costituito da una coda idrofobica, costituita da due acidi grassi e da una testa idrofilica, che comprende glicerolo legato a un gruppo fosfato, il quale a sua volta verrà legato a un gruppo organico che può essere di varia natura. La molecola rappresentata in figura è la lecitina in cui la colina costituisce la porzione organica. L’acido grasso più in alto nella figura è monoinsaturo e contiene un doppio legame che determina una caratteristica piega nella catena.

b) Doppio strato fosfolipidico: i fosfolipidi formano doppi strati lipidici in cui le teste idrofiliche interagiscono con l’acqua e le code idrofobiche si trovano all’interno del doppio strato fosfolipidico.

Possibili organizzazioni di molecole anfipatiche in solvente acquoso:

• Micelle.
• Monostrato molecolare.
• Liposoma.

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Steroidi

Steroidi = lipidi caratterizzati da uno scheletro carbonioso costituiti da 4 anelli carboniosi uniti tra loro.

Fra i più importanti:

• Colesterolo: costituente membrane cellulari.
• Ormoni sessuali (testosterone, progesterone).
• Sali biliari (emulsionano i grassi nell’intestino per permettere l’idrolisi enzimatica).

3. Acidi nucleici

Acidi nucleici: macromolecole informazionali. Polimeri i cui monomeri sono i nucleotidi.

DNA: acido desossi-ribo-nucleico, costituisce i geni, trasmette il materiale ereditario della cellula.

RNA: acido ribo-nucleico, contiene informazioni per la sintesi delle proteine.

• Componente carboidrato: ribosio (RNA) e desossiribosio (DNA).
• Basi azotate.
• Acido fosforico (PO₄^3-).

1. Componente carboidrato = zuccheri a cinque atomi di carbonio.

2. Basi azotate.

DNA:

• Pirimidine: citosina, timina.

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• Purine: adenina, guanina.

RNA:

• Pirimidine: citosina, uracile.
• Purine: adenina, guanina.

Legame fosfodiesterico.

• Legame fosfodiesterico = legame covalente tra il gruppo fosfato di un nucleotide e lo zucchero del nucleotide adiacente.
• Catena nucleotidica = polimero di nucleotidi uniti da legami fosfodiesterici.
• Le molecole di acidi nucleici sono costituite da catene lineari di nucleotidi.
• RNA: catena singola. DNA: due catene unite da legami H e avvolte l’una sull’altra formando una doppia elica.

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DNA

• Due catene polinucleotidiche complementari avvolte ad elica.
• Andamento antiparallelo: ad ogni estremità un’elica presenta direzione 5’ 3’ e l’altra direzione 3’ 5’.
• Gli scheletri di desossiribosio fosfato sono esposti all’esterno della struttura.
• Le basi azotate sono rivolte verso l’interno della struttura.
• Adenina si lega con la timina mediante due legami H e la guanina si lega con la citosina mediante 3 legami H.
• La struttura del DNA ha larghezza precisa e costante di 2 nm determinato dal legame delle basi azotate, una purina con una pirimidina.

Le due eliche del DNA sono complementari e antiparallele (decorrono in direzioni opposte).

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4. Proteine

Proteine = polimeri i cui monomeri sono gli amminoacidi (aa): catena laterale R.

A seconda della catena laterale gli amminoacidi hanno proprietà chimiche diverse e si distinguono in:

• Non polari.
• Polari.
• Elettricamente carichi.

I 20 comuni amminoacidi.

Gli amminoacidi polari sono relativamente idrofili, mentre i non polari sono relativamente idrofobi.

I gruppi amminici sono elettricamente carichi a pH cellulare; di conseguenza gli amminoacidi acidi e basici sono idrofili.

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Amminoacidi essenziali

Le cellule animali possono sintetizzare alcuni, ma non tutti, gli aminoacidi.

• Aminoacidi essenziali: quelli non sintetizzabili e che devono essere assunti con la dieta: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofano, valina e istidina.
• Per i bambini anche l’arginina è un aa essenziale, importante per la crescita.

Il legame tra più amminoacidi è detto legame peptidico il quale genera un peptide o proteina.

Combinazione di diversi aminoacidi forma un numero illimitato di proteine con diversa sequenza, funzione e distribuzione cellulare.

Funzioni delle proteine

• Catalisi enzimatica.
• Trasporto e deposito (emoglobina).
• Movimento coordinato (actina-miosina).
• Sostegno meccanico (collagene).
• Protezione immunitaria (anticorpi).
• Produzione e trasmissione impulsi nervosi (recettori).
• Controllo crescita cellulare e differenziamento (ormoni, fattori di crescita).

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Struttura delle proteine

1. Struttura primaria: sequenza lineare di amminoacidi che costituiscono la proteina.

2. Struttura secondaria.

A. Struttura α-elica (avvolgimento elicoidale):

• Determinata da legami H [tra O (carica parziale -) di un aa e H (carica parziale +) dell’aa che si trova a 4 aa di distanza].
• Ciascun aa dell’α-elica è impegnato in un legame H.

B. Struttura foglietto-β ripiegato:

• Determinata da legami H tra regioni diverse di una stessa catena ripiegata su se stessa.

3. Struttura terziaria.

Dipende dalle interazioni tra le catene R (interazioni deboli o covalenti) lungo la stessa catena polipeptidica:

• Legami a idrogeno.
• Legami ionici tra i gruppi R carichi + e quelli carichi –.
• Legami idrofobici dovuto ai gruppi R di aa apolari che si dispongono internamente alla struttura e lontano dall’acqua.
• Legami covalenti – ponti di disolfuro (legame covalente che legano due atomi di azoto di due cisteine).

I ponti disolfuro, i legami idrogeno, le interazioni idrofobiche e i legami ionici tra gruppi R tengono insieme le parti della molecola nella norma prestabilita.

In questo disegno, le regioni α elica sono rappresentate con spirali viola, i foglietti β ripiegati con nastri verdi e le regioni di connessione con nastri marroni. Le interazioni tra i gruppi R che stabilizzano le curvature e i ripiegamenti che conferiscono alla molecola la sua conformazione complessiva sono rappresentate in giallo.

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4. Struttura quaternaria.

Dipende dalle interazioni (interazioni deboli o covalenti) tra diverse catene polipeptidiche che interagiscono per dare una molecola biologicamente attiva.

Un anticorpo funzionale è costituito da 4 catene polipeptidiche unite da ponti di solfuro: le molecole di anticorpo sono costituite da due catene polipeptidiche leggere e due pesanti unite da legami disolfuro.

Ciascuna delle quattro catene contiene anche legami disolfuro interni che contribuiscono a creare molti domini strutturali e funzionali all’interno di ciascun polipeptide.

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Lezione 2: cellula membrana

La teoria cellulare

Robert Hooke (1635-1703) descrisse per la prima volta la struttura di una cellula utilizzando un microscopio ottico costruito da lui (1665); Anton van Leeuwenhoek descrisse in dettaglio le cellule viventi (1670).

La cellula rappresenta l’unità vivente fondamentale di funzione e organizzazione per tutti gli esseri viventi.

La cellula è:

• L’unità morfologica degli esseri viventi: la stragrande maggioranza degli esseri viventi è formata da molte cellule (esseri pluricellulari), mentre altri, più semplici, sono unicellulari.
• L’unità funzionale degli esseri viventi: ciò significa che tutte le funzioni vitali di un organismo avvengono nella cellula. Pertanto l’essere vivente pluricellulare non è un mero agglomerato di cellule, bensì il risultato dell’attività coordinata di tutte quante le cellule.
• L’unità originaria: in altri termini tutte le cellule che compongono un essere vivente provengono a loro volta da altre cellule. Le cellule, cioè, si riproducono per divisioni successive.

Rudolf Virchow’s (1821-1902) anticipa la divisione cellulare e il differenziamento affermando nel 1858 che tutte le cellule vengono da cellule preesistenti.

Numero di cellule nel corpo umano = 3,72x10¹³ = 37.200.000.000.00.

Le dimensioni cellulari

• Le dimensioni relative di strutture chimiche e organismi possono essere misurate in modo più conveniente utilizzando una scala logaritmica (multipli di 10).
• Le cellule procariotiche dei batteri vanno tipicamente da 1 a 10 micrometri; le piccole dimensioni permettono loro di crescere e di dividersi rapidamente.
• Le cellule eucariotiche hanno tipicamente un diametro che va dai 10 ai 100 micrometri, con la maggior parte di esse che vanno dai 10 ai 30 micrometri.
• I nuclei delle cellule vegetali ed animali hanno un diametro che va da 3 a 10 micrometri.
• I mitocondri hanno all’incirca le dimensioni di piccoli batteri, mentre i cloroplasti sono generalmente più grandi (5 micrometri).
• Le cellule uovo sono tra le cellule più grandi.

Anche se microscopiche, alcune cellule nervose sono molto lunghe.

Perché una cellula è così piccola?

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• L’organizzazione delle cellule e delle loro dimensioni sono proprietà critiche che permettono di mantenere in equilibrio l’ambiente intracellulare pe