Dispense appunti complete di Citologia

Citologia

La cellula è l'unità base capace di vita propria. Ogni cellula è provvista di un nucleo, di diversi organuli subcellulari, di un citoplasma e dalla membrana plasmatica che la divide dall'ambiente extracellulare. Le cellule possono organizzarsi in macromolecole, le quali, a loro volta, si organizzano in sovrastrutture (Es: acidi nucleici + proteine = cromosomi).

A parte la maggior parte delle cellule uovo, le altre cellule non sono visibili a occhio nudo, a causa del limite di risoluzione dell'occhio umano → noi possiamo vedere cellule con dimensione di massimo 0,2 mm. Grazie ai microscopi ottici e ai microscopi elettronici questo limite di risoluzione aumenta fino ai 0,2 nm (teorico, il pratico ai 0,5 nm).

Tavola periodica degli elementi

Si approfondisce in chimica. Gli elementi interessati in citologia sono H, O, C, N e P che costituiscono più del 96% del peso della materia vivente. Il pianeta Terra ha operato una scelta e ha deciso che la materia vivente è costituita da pochi elementi, quelli sopra elencati. Alcuni elementi come C, Na, Si e Al sono stati inseriti negli elementi che costituiscono la crosta terrestre.

L'acqua è la sostanza più abbondante nelle cellule → noi siamo costituiti per il 70% di acqua. La maggior parte delle reazioni avviene in ambiente acquoso, ricco di sali minerali:

• KCl = Ambiente intracellulare
• NaCl = Ambiente extracellulare

Parte di chimica generale

Atomi = costituiti dal nucleo (formato da protoni + neutroni) e orbitali, ai quali orbitano attorno gli elettroni.

Numero atomico (Z) = numero protoni

Numero di massa (A) = numero di protoni + neutroni

• Quando il numero degli elettroni e quello dei protoni è uguale, l'atomo si considera neutro.
• Quando è diverso, l'atomo si considera come ione:
• Positivo (catione) se ha un numero di elettroni inferiore a quello dei protoni
• Negativo (anione) se ha un numero di elettroni superiore a quello dei protoni

Tendenzialmente gli atomi cercano di raggiungere la stabilità energetica tramite il raggiungimento dell'ottetto elettronico sull'orbitale più esterno → cedendo o acquistando elettroni.

Una molecola che cede o acquista elettroni fa un legame ionico → legame di natura debole. La maggior parte delle molecole però fa legame covalente → legame di natura forte. Avviene quando le molecole mettono in compartecipazione degli elettroni del guscio finale, quando li condividono. Legame di natura forte.

Il delta o+ - δ+ e δ- indica la carica parziale, positiva o negativa, dell'estremità. Si parla di legame covalente puro se avviene tra atomi uguali. Quando avviene tra atomi di elementi diversi, possono esistere due tipi:

• Il legame covalente polare: si realizza tra atomi di elementi diversi che hanno un'elevata differenza di elettronegatività. In questo caso, gli elettroni condivisi risultano maggiormente attratti dall'atomo più elettronegativo e il legame risulta quindi polarizzato elettricamente.
• Il legame covalente apolare: si realizza tra atomi di elementi diversi che hanno bassa differenza di elettronegatività. La nube elettronica è distribuita simmetricamente e il doppietto elettronico è condiviso in egual misura tra i due atomi coinvolti (= gli elettroni condivisi trascorrono lo stesso tempo in prossimità di ciascuno dei due atomi, non avendo una particolare preferenza per uno dei due).

Il legame covalente tra due atomi può risultare: semplice (1 coppia di elettroni condivisa), doppio (2 coppie di elettroni condivise) e triplo (3 coppie di elettroni condivise).

Legami deboli

• Legame a idrogeno = si forma quando un atomo di H (poco elettronegativo) è vicino a due atomi che attraggono elettroni, solitamente O e N. Ha forza pari a 1/20 rispetto a quello covalente. Quando tre atomi sono allineati, i legami a idrogeno sono più forti. Es: gli amminoacidi nelle catene polipeptidiche sono uniti da legami idrogeno, come anche le basi azotate di DNA e di RNA.
• Forze di Van Der Waals (o forze intermolecolari) = dipendono dalle dimensioni degli atomi in questione e dalla distanza di questi: a breve distanza, due atomi interagiscono debolmente grazie alla fluttuazione delle cariche elettriche (attrazione); se la distanza diventa troppo piccola, gli atomi si respingono (repulsione). Due atomi si attraggono fra loro finché la distanza che li separa non diventa troppa.

Forze idrofobiche

Le forze idrofobiche, presenti in tante molecole come gli acidi grassi, sono forze in cui sono presenti carbonio e idrogeno. Il sistema idrofobico è un sistema che non ha tanta affinità con l'acqua (non come quello idrofilo). Gli atomi di C e di H si organizzano vicini in modo da escludere le molecole dell'acqua e raggiungere anche la stabilità energetica.

L'interazione idrofobica non è un vero e proprio legame, ma solo una delle tante modalità in cui le molecole si dispongono all'interno di un sistema. Per esempio, viene sfruttata dai lipidi per costituire le barriere biologiche come le membrane.

L'acqua

È molto importante nel mondo biologico, non solo perché costituisce il 70% del peso di ogni cellula, ma anche perché la maggior parte delle reazioni intracellulari avviene in ambiente acquoso. Grazie alla sua polarità, l'acqua è un ottimo solvente per molte sostanze (es: zucchero).

• Le sostanze ioniche (es: NaCl) si dissolvono perché le molecole d'acqua sono attratte dallo ione positivo e dallo ione negativo.
• Le sostanze polari (es: urea) si dissolvono perché le molecole d'acqua formano con loro legami a idrogeno.
• Le sostanze apolari NON si dissolvono perché non formano interazioni con le molecole d'acqua → sono idrofobiche e non solubili in acqua.

Il pH e le soluzioni tampone

Il pH è la concentrazione molare degli ioni idrogeno espressa come logaritmo negativo in base 10:

pH = -log₁₀[H⁺]

Il valore del pH varia in una scala da 0 a 14 e le parentesi quadre indicano la concentrazione molare. Si definisce soluzione tampone una soluzione che si oppone alla variazione del pH per aggiunte moderate di acidi o basi. Sono quindi dei sistemi costituiti da almeno due tipologie di acido e di base (una base forte e un acido debole o un acido debole e una base forte) che, in base all'aggiunta di basi o di acidi, vanno a tamponare le soluzioni chimiche, facendone rimanere il pH invariato. Le soluzioni tampone sono molto importanti, infatti se si hanno pH troppo acidi o troppo basici si danneggerebbero le molecole, le cellule e i tessuti.

Componenti base delle cellule

Le quattro classi principali di molecole organiche delle cellule sono prevalentemente costituite da C, H e O. Fanno parte delle molecole della vita:

Reazione di condensazione → reazione per cui due o più monomeri danno luogo ai polimeri. Avviene tramite l'eliminazione di una molecola d'acqua. La reazione è reversibile.

Reazione di idrolisi → reazione per rompere i legami covalenti dei polimeri (macromolecole) e formare monomeri. Le molecole sono scisse in due o più parti per effetto dell'acqua.

Successivamente alcune classi di molecole (proteine e acidi nucleici) si organizzano in modo tridimensionale nell'ambiente circostante, grazie alla presenza di legami non covalenti. La costituzione dei polimeri, a partire dai monomeri, si verifica unicamente tramite legami covalenti grazie alla reazione di condensazione.

Gli zuccheri

La maggior parte delle molecole organiche hanno il gruppo funzionale = gruppo che partecipa alla reazione. Per gli zuccheri, i due gruppi funzionali principali sono il gruppo aldeidico (un C che fa un doppio legame con O e un legame singolo con H) e il gruppo chetonico (un C che fa un doppio legame con O). In base alla presenza di gruppo chetonico o aldeidico possono essere divisi in aldosi e chetosi.

Per gli zuccheri, che troviamo sia in forma lineare che ciclica, si scrive la forma lineare attribuendo ai primi carboni il gruppo funzionale.

Gli zuccheri possono presentarsi in forma lineare o in forma ciclica. In genere, in soluzione acquosa i gruppi aldeidici o chetonici delle molecole reagiscono con un gruppo ossidrilico all'interno della stessa molecola, solitamente in posizione 4, formando una struttura ad anello. Gli atomi all'interno delle molecole hanno una numerazione che viene conservata nella forma ciclica.

Nella forma ciclica, l'anello che si costituisce è un anello piano → i gruppi ossidrilici e i relativi idrogeni che stanno associati ad ogni singolo carbonio possono quindi stare o sopra l'anello o sotto l'anello:

• Quando il gruppo ossidrile sta sopra al piano, la posizione viene definita beta (β)
• Quando il gruppo ossidrile sta sotto al piano, la posizione viene definita alfa (α)

Per quanto riguarda gli zuccheri, diamo importanza solamente al gruppo ossidrile presente sul carbonio 1. La forma ciclica ci mostra anche gli isomeri della molecola → stessa molecola ma con differente posizione del gruppo funzionale (nel caso del glucosio, per esempio, l'unica differenza tra gli isomeri consiste nella posizione invertita dell'idrogeno e dell'ossidrile legati al carbonio 1).

Quando l'isomeria interessa atomi in diversa posizione di carbonio rispetto alla 1 cambia anche il nome (es: galattosio, mannosio → hanno stessa struttura lineare ma differiscono nella distribuzione spaziale dei gruppi ossidrilici legati ai carboni).

Alcuni zuccheri possono presentare altri tipi di gruppi funzionali, come per esempio il gruppo amminico che, sostituendo l'ossidrile, dà vita alla glucosamina.

I disaccaridi

Come abbiamo detto, i monomeri, tramite reazione di condensazione, si associano per formare i polimeri. Nel caso degli zuccheri, quando due monomeri si associano formano i disaccaridi:

• Glucosio + fruttosio = saccarosio
• Glucosio + glucosio = maltosio
• Galattosio + glucosio = lattosio

Il legame che si forma dalla reazione di condensazione fra due monomeri di zucchero prende il nome di legame glicosidico → tra due monomeri di glucosio c'è il legame glucosidico.

I polisaccaridi

Il glicogeno è un omopolimero non lineare del glucosio (come l'amido e la cellulosa). È molto importante in biologia perché è un polisaccaride di riserva delle cellule animali; a differenza dell'amido che è polisaccaride di riserva delle cellule vegetali. Le subunità del glicogeno sono unite con legami 1,4-alfa-glicosidici. È un polimero ramificato: sulla base si possono innestare altre catene, grazie alla formazione di legami 1,6-beta-glicosidici con l'atomo di carbonio 6 → formazione di ramificazioni laterali.

La cellulosa è un omopolimero, non presente all'interno delle cellule animali → fa da involucro per le cellule vegetali. Il legame che si forma è un legame di tipo 1,4-beta-glicosidico. A differenza dell'amido, il nostro organismo non è in grado di catabolizzare la cellulosa. È un polimero abbastanza filamentoso.

I lipidi

Sono costituiti da molecole (acidi grassi) di per sé piuttosto grandi (16, 18 atomi di carbonio). Il gruppo funzionale è il gruppo carbossilico (-COOH). A seconda che siano presenti legami semplici covalenti, possono essere definiti:

• Saturi: acidi grassi costituti da una catena carboniosa formata da legami singoli C-C.
• Insaturi: acidi grassi costituiti da almeno un doppio legame C-C. Dal punto di vista della disposizione spaziale, non è rettilineo (come quello saturo) ma si flette.

È difficile trovare all'interno delle cellule lipidiche degli acidi grassi liberi: li troveremo sempre legati al glicerolo → polialcol. I gruppi ossidrilici del glicerolo possono intraprendere la reazione di esterificazione (particolare reazione di condensazione) con il gruppo carbossilico dell'acido grasso e originare:

• Un monogliceride: una molecola di glicerolo si associa con una sola molecola di acido grasso;
• Un digliceride: due gruppi ossidrilici si associano ognuno a una molecola di acido grasso;
• Un trigliceride: tutti i gruppi ossidrilici si associano ognuno a una molecola di acido grasso.

I trigliceridi vengono comunque considerati dei lipidi semplici. La testa dell'acido grasso è idrofila, la coda è idrofobica.

Colesterolo → altro lipide semplice. La formula del colesterolo è complessa: esso è costituito da quattro anelli ciclici e la sua struttura si chiama ciclopentanoperidrofenantrene. È una molecola idrofobica con una piccola porzione idrofilica grazie alla presenza del gruppo ossidrilico. Insieme ai fosfolipidi, ai glicolipidi e alle proteine, il colesterolo è uno dei costituenti delle membrane biologiche.

Lipidi complessi

Sulla struttura degli acidi grassi si possono costituire:

• Fosfolipidi = in cui una molecola di glicerolo intraprende una reazione di condensazione con due acidi grassi (di cui uno quasi sempre saturo e l'altro insaturo) e il terzo ossidrile si attacca a un gruppo fosfato. Inoltre, un'altra molecola si lega al gruppo fosfato e, a seconda del tipo di molecola che si lega, il fosfolipide prende nomi differenti.
• Glicolipidi = quando nella molecola degli acidi grassi sono presenti uno o più residui di zucchero (in genere zuccheri esosi, con 6 atomi di carbonio).

Sia i fosfolipidi che i glicolipidi sono due componenti molto importanti nella struttura delle membrane cellulari.

Durante l'esame saper rappresentare molecola di un fosfolipide. Le molecole di fosfolipidi possono essere rappresentate tramite una testa idrofilica (costituita dal fosfato e dalla molecola opportuna) e tramite una coda idrofobica (in cui sono presenti due "gambe": una flessa e l'altra no).

I fosfolipidi variano sia per la natura degli acidi grassi legati al glicerolo (coda), sia per la molecola legata al fosfato (testa). In ambiente acquoso si può vedere molto bene la disposizione dei fosfolipidi. Per esempio, mettendo l'olio nell'acqua si forma una struttura, chiamata micella, in cui si può vedere bene la direzione delle teste e delle code dei fosfolipidi:

• Le teste idrofiliche si posizionano in ambiente acquoso
• Le code idrofobiche sono indirizzate nel verso opposto

I fosfolipidi nelle membrane biologiche si dispongono in un doppio strato fosfolipidico. Il doppio strato si organizza in una struttura chiamata liposoma → permette la presenza di acqua sia all'interno che all'esterno della struttura.

Gli amminoacidi

Gli amminoacidi sono i monomeri che danno vita alle proteine (i loro polimeri) tramite la reazione di condensazione. La formula generale degli amminoacidi consiste in un gruppo amminico alla sinistra, un gruppo carbossilico alla destra, un idrogeno e la catena laterale.

Il gruppo sostituente (la catena laterale) può essere di natura acida, basica, polare (ma non carica) o apolare. Inoltre, le catene laterali possono essere alifatiche (qualsiasi composto la cui molecola è costituita da una catena aperta di atomi di carbonio) o aromatiche (composti organici che contengono uno o più anelli aromatici nella loro struttura).

A parte nel caso dell'aminoacido glicina, la catena laterale rende il carbonio chirale → presenta 4 sostituenti differenti. A pH 7,4 (pH fisiologico) sia il gruppo amminico che quello carbossilico sono presenti in forma ionizzata → il gruppo amminico acquisisce uno ione H che ha perso il gruppo carbossilico. Perciò la molecola nel complesso è neutra, ma il carbossilico è caricato negativamente e l'amminico è caricato positivamente.

Gli amminoacidi sono in genere 20 e il nostro organismo è capace di sintetizzarli quasi tutti, tranne 8: gli amminoacidi essenziali → partendo dagli elementi fondamentali il nostro organismo non è in grado di sintetizzarli e quindi devono essere obbligatoriamente introdotti tramite la dieta. Ogni amminoacido ha un nome, un diminutivo e un simbolo.

Catene laterali apolari

• Glicina: H
• Alanina: -CH₃ (gruppo metilico)
• Cisteina: SH → origina ponti disolfuro
• Metionina: presenza di uno zolfo
• Prolina: anello

Catene laterali polari ma non cariche

• Asparagina e Glutammina: -NH₂. L'asparagina è molto importante perché sul residuo amminico possono inserirsi uno o più residui saccaridici (di zuccheri) che modificano una proteina a glicoproteina (glicosidazione in N).
• Serina e Treonina: -OH
• Tirosina: presenta un anello aromatico

Catene laterali acide

(Non ricordare la catena, ma solo la presenza del secondo gruppo)

• Acido aspartico e Acido glutammico: -COOH

Catene laterali basiche

(Non ricordare la catena, ma solo la presenza del secondo gruppo)

• Arginina, Lisina: -NH₂. Sono due amminoacidi importanti perché su questi due gruppi possono avvenire le glicosidazione in N.

Struttura primaria delle proteine

Reazione di condensazione negli amminoacidi → tramite l'eliminazione di una molecola d'acqua, permette ai monomeri di costruire i polimeri (proteine) grazie alla formazione del legame peptidico: legame planare piuttosto rigido (= il C e l'N convolti nel legame non possono ruotare).

La formazione del legame peptidico origina, a seconda del numero di amminoacidi che si uniscono, un oligopeptide, un polipeptide e una proteina. La sequenza degli amminoacidi costituisce la struttura primaria stessa della proteina. Indipendentemente dal numero di aminoacidi da cui è composta, la proteina presenta sempre:

• Sull'estremità sinistra: il gruppo amminico non impegnato nel gruppo ...