Appunti Biologia molecolare e cellulare

La modularità e la sua importanza

La modularità è la proprietà per cui i sistemi biologici (da quello molecolare a quello dell’intero organismo o comunità di organismi) sono organizzati in parti relativamente indipendenti tra loro, dette moduli. Si ritiene che la modularità sia legata all’evolvibilità, cioè alla capacità degli organismi di rispondere alla selezione, in quanto più moduli diversi sono indipendenti tra loro, più potranno rispondere in maniera indipendente alla selezione.

Robustezza nei sistemi biologici

La robustezza fa riferimento alla proprietà delle funzioni biologiche di rimanere sostanzialmente inalterate al modificarsi di componenti del sistema, entro margini piuttosto ampi.

Multicellularità e pluricellularità

Multicellularità: Più organismi unicellulari possono formare, come i batteri, una colonia. Se una cellula riscontra problemi, non reca danno alle altre.

Pluricellularità: Se una cellula ha danni, ne reca anche alle altre.

La cellula come unità fondamentale

La cellula è un’unità fondamentale della vita, la più piccola struttura classificabile come essere vivente, perché in grado di nutrirsi, respirare e riprodursi. Può avere dimensioni diverse e si distingue in procariote ed eucariote.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica, che avvolge ogni cellula, oltre a definirne l'entità, ha il ruolo principale di separare ciò che sta al suo interno da ciò che sta all'esterno. La membrana plasmatica non costituisce solo una barriera passiva, ma è in grado di regolare il passaggio di sostanze che la attraversano. La sua funzione è quindi anche quella di filtro selettivo capace di mantenere concentrazioni di ioni diverse fra interno ed esterno e di lasciare entrare le sostanze nutritive, facendo uscire i rifiuti: ciò permette di mantenere le condizioni in cui possono svolgersi le attività metaboliche.

Struttura della membrana cellulare

Tutte le membrane di una cellula (membrana plasmatica, membrana nucleare, e quelle che delimitano gli organelli interni) hanno un'identica struttura: sono composte da un doppio strato di lipidi, la cui componente maggiore è rappresentata da fosfolipidi ma sono localizzati al suo interno anche steroli e proteine di membrana. Alcune di queste proteine attraversano il doppio strato lipidico e sono dette proteine integrali o transmembrana, mentre altre sono esposte sulla superficie esterna o interna senza attraversare il doppio strato e sono dette proteine periferiche. Le proteine integrali di membrana sono coinvolte nei processi di trasporto di ioni, acqua e piccole molecole e possono in genere migrare liberamente nel doppio strato lipidico determinando il modello a mosaico fluido.

Nucleo

Il nucleo è un organulo che rimane separato dal citoplasma per mezzo di due membrane concentriche associate a formare l'involucro nucleare. Lo spazio tra le due membrane è detto compartimento perinucleare. L'involucro nucleare è attraversato da numerose piccole aperture chiamate pori della membrana. Il nucleo è la sede della maggior parte del materiale genetico della cellula e costituisce il centro di controllo della trasmissione ereditaria. Il nucloplasma è la zona contenente la cromatina e si possono riconoscere al suo interno uno o più corpuscoli addensati, i nucleoli. Questi sono formati da porzioni di DNA contenenti molti geni per la sintesi di RNA ribosomiale. In questa regione gli rRNA ribosomiali appena trascritti vengono assemblati con proteine importate dal citoplasma per formare le subunità dei ribosomi che vengono poi trasportati nel citoplasma grazie ai pori nucleari. Il nucleo cellulare è avvolto da un doppio bilayer fosfolipidico che forma l'involucro nucleare: c'è una membrana esterna separata da quella interna da uno spazio perinucleare. Il bilayer esterno è in continuità con il reticolo endoplasmatico.

Reticolo endoplasmatico (RE)

Si tratta di una rete di membrane disseminate nel citoplasma. Ci sono due tipi di RE. Quando abbiamo dei ribosomi attaccati è chiamato RE ruvido mentre quando non sono presenti ribosomi è chiamato RE liscio. Il reticolo endoplasmatico ruvido è il luogo della cellula dove avviene la sintesi della maggior parte delle proteine. La funzione del reticolo endoplasmatico liscio è quella di sintetizzare i lipidi. Il RE liscio inoltre aiuta nel processo di detossificazione delle sostanze dannose per la cellula.

Apparato del Golgi

L'apparato del Golgi è un sistema di vescicole o cisterne appiattite in cui arrivano vescicole provenienti dal RE contenenti le proteine appena sintetizzate. Qui le proteine vengono ampiamente modificate mediante l'aggiunta di gruppi funzionali o di intere macromolecole organiche. Le proteine una volta modificate possono lasciare il complesso di Golgi sempre in forma di vescicole per essere immagazzinate nel citoplasma o per seguire la via di secrezione sempre in forma di vescicole o per essere immagazzinate nel citoplasma o per seguire la via di secrezione all'esterno della cellula attraverso esocitosi.

Mitocondrio

Il mitocondrio è un organello semiautonomo delimitato da una doppia membrana. La membrana esterna è liscia e continua, quella interna è ripiegata in invaginazioni tubulari dette creste mitocondriali. Sono organelli che ospitano i sistemi enzimatici della respirazione cellulare, il processo attraverso il quale viene generata energia dalla demolizione delle molecole organiche. Questa energia è incamerata nei legami di una molecola, l'ATP.

Altri componenti cellulari

• Citoplasma: Un termine che definisce tutte le parti della cellula diverse dal nucleo. Anche se nelle illustrazioni non sembra evidente, il citoplasma contiene per la maggior parte acqua.
• Centrioli: Insieme di microtubuli. Possiamo trovarli solo nelle cellule animali ed entrano in azione quando la cellula si divide, aiutando ad organizzare i cromosomi.
• Perossisomi: Questi ultimi raccolgono e distruggono in tutta sicurezza gli agenti chimici dannosi per la cellula.
• Lisosomi: Vescicole tondeggianti delimitate da membrana. Contengono molecole digestive capaci di degradare acidi nucleici, proteine e zuccheri.
• Citoscheletro: Composto da filamenti, microfilamenti e microtubuli, aiuta a dare forma e supporto alla cellula. Inoltre fa in modo che le “cose” si muovano all'interno della cellula.
• Cloroplasto: È un plastide deputato all’attività fotosintetica con forma discoidale. Le sue membrane contengono pigmenti fotosintetici (clorofille) e pigmenti accessori (carotenoidi) che complessati con altre proteine formano i fotosistemi ovvero le unità funzionali di raccolta di energia luminosa.
• Parete cellulare: In aggiunta alle membrane cellulari, le piante hanno le pareti cellulari. Le pareti cellulari forniscono protezione e supporto alle piante. Composta da cellulosa.
• Vacuolo: Organulo che regola la pressione di turgore, in grado di assorbire acqua, sostanze nutritive e di scarto.

Teoria endosimbiotica

I mitocondri hanno un genoma indipendente, una doppia membrana, dei ribosomi, una replicazione indipendente e tutte caratteristiche che lasciano sospettare si sia verificato un fenomeno di simbiosi tra un batterio ancestrale capace di effettuare la respirazione cellulare, ed una cellula ancestrale che lo ha inglobato ottenendo un vantaggio reciproco. Anche i cloroplasti hanno le stesse caratteristiche e il batterio inglobato dalla cellula ancestrale in questo caso è un batterio in grado di effettuare la fotosintesi clorofilliana.

La molecola e i legami

La molecola è definita come un gruppo di atomi tenuti insieme da legami covalenti. La molecola più semplice è quella di idrogeno (H₂) in cui due atomi di H, ciascuno con un singolo elettrone, condividono due elettroni, che rappresentano il numero necessario per riempire il primo guscio.

Proprietà di un legame

Le forze attrattive e repulsive sono in equilibrio quando due nuclei sono separati da una distanza caratteristica, chiamata lunghezza di legame. La forza di legame rappresenta la quantità di energia che deve essere fornita per rompere quel legame.

Legami covalenti

Un legame covalente è un legame chimico in cui due atomi mettono in comune delle coppie di elettroni. Sono legami forti e la loro formazione e rottura sono eventi violenti e nelle cellule viventi sono controllate da catalizzatori altamente specifici, chiamati enzimi.

Tipi di legami covalenti

Legami singoli consistono nella condivisione di due elettroni, uno donato da ciascun atomo partecipante. Un singolo legame covalente fra due atomi generalmente permette la rotazione di una parte della molecola rispetto all’altra intorno all’asse di legame. Doppio legame consiste nella condivisione di quattro elettroni, due provenienti da ciascun atomo partecipante. I doppi legami sono più corti e forti dei singoli legami e rendono la disposizione degli atomi più rigida e meno flessibile.

Elettronegatività

La capacità, posseduta da un atomo che fa parte di una molecola, di attrarre gli elettroni dei legami covalenti in cui è coinvolto.

Legami covalenti polari e non polari

Legame covalente non polare (simmetrico) dove l’elettronegatività degli atomi che si legano non è tale da orientare le cariche e quindi non c’è una particolare distribuzione di cariche. Legame covalente polare o asimmetrico si ha quando gli atomi uniti da un singolo legame covalente sono di natura diversa ed esercitano una diversa forza attrattiva sugli elettroni condivisi. Ad esempio nella molecola di acido cloridrico, l’idrogeno è legato al cloro tramite un legame covalente dove gli elettroni di valenza (messi in compartecipazione) sono attratti maggiormente dal cloro essendo molto più elettronegativo dell’idrogeno. Questo porta a una delocalizzazione delle cariche per cui l’idrogeno ha acquisito una parziale carica positiva mentre il cloro una parziale carica negativa. Si è formato un dipolo elettrico. Essi creano dipoli permanenti che permettono alle molecole di interagire tramite forze elettriche, più comunemente conosciute come interazioni elettrostatiche che assomigliano, ma sono più deboli, ai legami ionici.

Acqua

L'acqua è la sostanza più abbondante nelle cellule, costituisce circa il 70% del peso di un cellula, e la maggior parte delle reazioni intercellulari avviene in un ambiente acquoso. In ciascuna molecola d’acqua i due atomi di H sono uniti all’atomo di O da legami covalenti. I due legami sono altamente polari poiché l’O ha una forte attrazione per gli elettroni, mentre l’H ha solo una debole attrazione. Di conseguenza c’è una distribuzione ineguale di elettroni in una molecola di acqua, con una preponderanza di carica positiva sui due atomi di H e di carica negativa sull’atomo di O.

• Molecole idrofiliche sono quelle molecole che interagiscono in modo favorevole con l’acqua (si sciolgono in essa). Possono essere quelle molecole, come gli alcol, che contengono legami polari e che possono formare legami idrogeno con l’acqua oppure gli ioni che hanno carica netta (molecole che trasportano cariche positive o negative). Zuccheri, DNA, RNA e la maggioranza delle proteine appartengono a questa categoria.
• Molecole idrofobiche non sono cariche e formano pochi, o nessuno, legami idrogeno e quindi non si sciolgono in acqua. Gli idrocarburi ne sono un esempio. In queste molecole gli atomi di H sono legati covalentemente ad atomi di C da un legame largamente non polare. Poiché gli atomi di H non hanno carica positiva netta, non possono formare legami idrogeno efficaci con altre molecole. Nella cellula le membrane sono costituite da molecole che hanno lunghe code idrocarburiche.

Legami non covalenti

Sono molto più deboli di quelli covalenti, ma sono importanti nella cellula in quelle situazioni in cui le molecole devono associarsi e dissociarsi facilmente per svolgere le loro funzioni.

Quattro tipi di legami non covalenti

• Attrazioni elettrostatiche: risultano dalle forze attrattive fra atomi con carica opposta. Si formano tra dipoli permanenti, ma sono più forti quando i due atomi coinvolti sono completamente carichi (legami ionici).
• Legami idrogeno: rappresenta una forma speciale di interazione polare in cui un atomo di H elettropositivo è parzialmente condiviso da due atomi elettronegativi. È un legame intermolecolare che ha luogo quando in una molecola è presente un atomo di idrogeno legato a un elemento elettronegativo e di piccole dimensioni come F, O e N.
• Attrazioni di Van der Waals: Le molecole possiedono intrinsecamente energia e i loro elettroni sono sempre in movimento, quindi concentrazioni transitorie di elettroni dentro una regione o un'altra portano regioni elettricamente positive di una molecola ad essere attratte dagli elettroni di un'altra molecola. Allo stesso modo, le regioni con carica negativa di una molecola vengono respinte da regioni con carica negativa di un'altra molecola. Le forze di Van der Waals sono la somma delle forze elettriche attraenti e ripugnanti tra atomi e molecole. Esempi di forze di van der Waals includono legame idrogeno, forze di dispersione e interazioni dipolo-dipolo.
• Interazioni idrofobiche: sono interazioni che contribuiscono a diminuire i contatti con l'acqua delle sostanze non polari. Le regioni non polari delle macromolecole biologiche tendono a sfuggire dall'ambiente acquoso, nascondendosi all'interno della macromolecola stessa.

Il ruolo del carbonio nelle molecole organiche

Il carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio di valenza, un atomo di carbonio può formare quattro legami covalenti con altri atomi. Un atomo di carbonio può unirsi con altri atomi di carbonio tramite legami covalenti altamente stabili C-C per formare catene o anelli e quindi generare molecole grandi e complesse, le molecole organiche. Le cellule contengono quattro famiglie principali di piccole molecole organiche: gli zuccheri, gli acidi grassi, gli amminoacidi e i nucleotidi. Queste piccole molecole formano le subunità della maggior parte delle macromolecole e di altri complessi cellulari. Alcune, come gli zuccheri e gli acidi grassi, sono anche fonte di energia.

Carboidrati

Sono fonte energetica per le cellule e sono le subunità dei polisaccaridi. I monosaccaridi sono gli zuccheri più semplici con formula generale (CH₂O)_n. Ogni monosaccaride presenta uno tra i due gruppi: aldeidico o chetonico. In base a quale posseggono, vengono divisi in aldosi e chetosi. Inoltre, in base a quanti atomi di carbonio posseggono vengono loro assegnati altri nomi: triosi se ne hanno tre, tetrosi se ne hanno 4, pentosi se ne ne hanno 5, esosi se ne hanno 6… e così via. Il glucosio e il fruttosio sono esosi.

Isomeria nei carboidrati

Se in una molecola è presente almeno un centro chirale, allora hanno degli isomeri: due composti con stessa formula bruta ma con diversa disposizione spaziale degli atomi. Con centro chirale si intende un atomo all’interno della molecola (il carbonio nel caso dei carboidrati) legato a quattro “gruppi” differenti. In questo modo invertendo la spazialità di tali gruppi si formano molecole non più sovrapponibili. È legato a quattro gruppi differenti: un carbonio carbonilico (carbonio con doppio legame all’ossigeno), un idrogeno, un gruppo ossidrilico e un carbonio che però è diverso dal primo in quanto legato ad atomi differenti. Il carbonio carbonilico non è un centro chirale in quanto possiede due legami con lo stesso atomo; il carbonio numero tre nemmeno in quanto è legato a due idrogeni. Se, come in questo caso, il centro chirale è uno si parla di epimeri. In più essendo le molecole speculari e non sovrapponibili sono enantiomeri. Il numero di enantiomeri aumenta con l’aumentare dei centri chirali secondo la seguente formula: 2ⁿ. Dove n è il numero di centri chirali. Nel nostro caso n è 1, dunque due enantiomeri. Nel caso ci siano più centri chirali si considera anche l’orientamento nello spazio ottenendo così diastereoisomeri.

Configurazione D e L

D e L si riferiscono all’orientamento del gruppo ossidrilico legato al penultimo carbonio.

Ciclizzazione dei monosaccaridi

In natura sono quasi sempre ciclizzati. Infatti, il gruppo ossidrilico del penultimo carbonio, lo stesso considerato per le diciture D e L, reagisce con il carbonio carbonilico formando un emiacetale ciclico. Con tale termine si intende una molecola in cui un atomo è legato ad un gruppo ossidrilico e uno alchilico. In base al numero di atomi si otterranno strutture cicliche con diverse strutture. Si parla di furanosio se ne ha cinque e piranosio se ne ha sei.

Proiezioni di Haworth

Per rappresentare dunque un carbonio ciclico e tener conto della sua posizione nello spazio, è utile utilizzare le proiezioni di Haworth. Esse consistono nel tener conto del fatto che i gruppi legati ai carboni dell’anello principale si trovino al di sopra o al di sotto del piano su cui giace l’anello stesso. Il carbonio emiacetalico, quello che nella struttura lineare era il carbonio carbonilico, è detto anomerico. In base al fatto che il gruppo ossidrilico del carbonio anomerico si trovi sotto o sopra il piano già citato si parlerà di configurazione α, si trova sotto, β, si trova sopra. Le forme lineari, α e β si intercambiano tra loro in maniera variabile.

Struttura reale dei monosaccaridi

Ovviamente le strutture di Haworth sono solo teoriche. Nella realtà tali molecole assumono sì una forma ciclica, ma questa è più similmente detta “a sedia”. Infatti, le estremità delle molecole tendono a piegarsi in direzioni spaziali opposte (verso l’alto e verso il basso) per allontanare il più possibile i gruppi legati ai carboni. Infatti, si parla di ingombro sterico per indicare che più una molecola è grande più occuperà spazio e tenderà a respingere altri gruppi, causando instabilità. In più gli atomi legati ad uno stesso carbonio si posizioneranno o perpendicolarmente, in assiale, o parallelamente, in equatoriale, ai piani di legame della molecola.

Legame tra monosaccaridi

I monosaccaridi finora esaminati tendono a legare tra loro per formare catene complesse. In base al numero di monosaccaridi coinvolti si assegnano nomi che esprimano tale numero, appunto. Quindi con disaccaride...