Biologia generale e cellulare

Cellule: le unità fondamentali della vita

Caratteristiche degli esseri viventi

• Sono altamente organizzati rispetto agli oggetti inanimati presenti in natura
• Sono in omeostasi, mantenendo un ambiente interno relativamente costante
• Si riproducono
• Crescono e si sviluppano a partire da forme semplici
• Assumono energia e materia dall’ambiente e le trasformano
• Rispondono a stimoli
• Mostrano adattamento all’ambiente

In che modo diversi organismi sono simili dentro?

• Le cellule sono composte dagli stessi tipi di molecole che partecipano agli stessi tipi di reazioni chimiche
• I geni sono contenuti in catene polimeriche di DNA (costituite da 4 monomeri identici - nucleotidi), e sono scritti con lo stesso codice genetico
• Tutti seguono il dogma centrale: DNA -> RNA -> proteine

L’aspetto e il comportamento di una cellula sono determinati dalle sue proteine.

Le mutazioni possono dar luogo a una progenie:

• Modificata in peggio (con meno probabilità di sopravvivenza)
• Modificata in meglio (con più probabilità di sopravvivenza)
• Equivalente sul piano di vitalità anche se geneticamente diversa

La cellula procariote

- Il batterio è quello con la struttura più semplice: non contiene organuli tranne i ribosomi.

• I procarioti possono essere:
• Aerobi - necessitano di ossigeno per ossidare le molecole degli alimenti
• Anaerobi obbligati - muoiono alla minima esposizione all’ossigeno

Mitocondri

- Sono strutture vermiformi che formano reti che si ramificano.

- Hanno 2 membrane separate: quella interna è formata da pieghe che si proiettano verso l’interno dell’organulo.

- Ossidano le molecole derivate dagli zuccheri e dai grassi che mangiamo e usano l’energia estratta per produrre ATP (usano l’ossigeno e liberano diossido di carbonio -> motivo per cui questo processo si chiama respirazione cellulare).

Cloroplasti

- Hanno delle membrane interne a più strati contenenti la clorofilla (pigmento verde).

- La clorofilla cattura l’energia della luce solare e i cloroplasti poi fanno tutta la fotosintesi.

Compartimenti

- Quasi tutti i componenti della membrana sono prodotti nel reticolo endoplasmatico come anche materiali destinati a essere esportati fuori dalla cellula.

- Vicino a RE c’è il complesso di Golgi che modifica e impacchetta le molecole prodotte nel RE.

- I lisosomi sono piccoli organuli che digeriscono le particelle ingerite (rilasciando le sostanze nutritive) oppure demoliscono le molecole indesiderate (per riutilizzarle nella cellula o espellerli).

- Perossisomi: vescicole destinate alla distruzione di molecole tossiche.

- Grazie all’esocitosi vengono secreti (emessi) gli ormoni e molecole segnale usate per la comunicazione tra le cellule.

- Il citosol è quella parte del citoplasma che non è delimitata da una membrana intracellulare. Lì si svolgono le fasi iniziali di demolizione delle molecole nutritive e la produzione di molte proteine da parte dei ribosomi.

- Il citoscheletro è un sistema di filamenti proteici di 3 tipi:

• Actina (i più sottili), particolarmente numerosi nelle cellule muscolari
• Microtubuli, utili nella divisione cellulare perché tirano i cromosomi duplicati in direzioni opposte
• I filamenti intermedi, che danno resistenza meccanica alla cellula

- Il citosol non è statico:

• Le proteine motrici scorrono continuamente lungo cavi e canali
• Le molecole al suo interno sono in agitazione termica e si scontrano le une con le altre

- Protozoi: eucarioti unicellulari che conducono vita autonoma.

I componenti chimici delle cellule

Legami

• Covalente (di solito tra gli atomi di C ed H)
• Covalente polare tra atomi di elettronegatività un pochino diverse (spesso O-H e N-H)
• Ionico tra molecole con elettronegatività diversa (ioni tenuti insieme dai soli legami ionici sono sali) -> sono solubili nell’acqua proprio perché polari
• A idrogeno: quando la porzione positiva della molecola di acqua (H) si trova in prossimità della porzione negativa (O) di un’altra molecola di acqua, si attraggono debolmente formando un legame a idrogeno -> è il motivo per cui l’acqua è liquida e non gassosa. Di base questo tipo di legame avviene anche tra un H in un legame covalente polare e un atomo carico negativamente (O, N). L’atomo che porta l’H è considerato un donatore, l’atomo che interagisce con l’H si chiama accettore del legame.
• Attrazioni elettrostatiche: sono un legame debole che tiene insieme due ioni (es Na+ e Cl-) oppure si instaurano tra molecole che contengono legami covalenti polari
• Forze di Van der Waals: sono un legame transitorio che scaturisce quando due atomi si avvicinano tra di loro e se c’è una fluttuazione nella distribuzione degli elettroni in un atomo
• Forze idrofobiche: nascono dalla spinta di molecole non polari una verso l’altra per evitare il contatto con l’acqua. Grazie a questo possono isolarsi dall’acqua creando un ambiente interno privo di acqua.

I legami non covalenti permettono a una molecola di formare una precisa conformazione nello spazio e di unirsi selettivamente ad altre molecole.

Acidi e basi

Quando sciolgo una molecola con un legame polare in acqua (un acido), l’H del legame ha quasi del tutto ceduto il suo elettrone e diventa quindi un protone H+ che viene attratto dalla carica negativa parziale di O e si dissocia quindi dalla molecola originaria formando lo ione idronio (H₃O⁺).

Nella cellula si usano di più gli acidi e le basi deboli perché questo li rende sensibili alla variazione del pH, proprietà sfruttata per la regolazione delle attività all’interno della cellula. L’ambiente interno della cellula è neutro grazie alla presenza di tamponi, miscele di acidi e basi deboli che liberando (acidi) o acquistando (basi) protoni ne regolano la concentrazione interno a pH 7.

Le molecole della cellula

Tutte le molecole sono a base di carbonio a causa della sua capacità di formare grandi molecole attraverso catene CH. Le molecole di carbonio sintetizzate dalle cellule si chiamano organiche, tutte le altre compresa l’acqua si chiamano inorganiche.

I quattro gruppi di piccole molecole che costituiscono la cellula sono:

• Zuccheri → i monosaccaridi sono i monomeri. Hanno la formula (CH₂O)_n dove n di solito è 3, 4, 5, 6. Gli zuccheri sono chiamati anche carbo (C) idrati (H₂O). Due monosaccaridi possono generare un disaccaride tramite un legame glicosidico (covalente) con la condensazione e formazione di una molecola di H₂O. Le cellule conservano glucosio nello stato di glicogeno (polisaccaride formato solo da glucosio) e amido nelle piante; anche la cellulosa è un polisaccaride del glucosio. I polisaccaridi conferiscono scivolosità quando sono idratati. Quindi sono anche principali componenti della bava, del muco e della cartilagine. Oligosaccaridi più piccoli si legano covalentemente alle proteine per formare le glicoproteine e ai lipidi per formare i glicolipidi, entrambi presenti nelle membrane cellulari.
• Lipidi: sono formati dagli acidi grassi divisi in due regioni: la catena idrocarburica idrofobica, poco reattiva e un gruppo carbossilico (COOH) che si comporta come un acido in soluzione (COO-), idrofilo e chimicamente reattivo. La catena idrocarburica si dice satura se non presenta doppi legami. I doppi legami piegano la catena e riducono la loro capacità di disporsi ordinatamente in una massa solida. La fluidità della membrana cellulare è data proprio da questo. I grassi saturi sono malvagi perché fanno aumentare la concentrazione di colesterolo nel sangue aumentando il rischio aterosclerotico. Gli steroidi sono lipidi formati da anelli aromatici multipli uniti tra loro. I fosfolipidi sono lipidi con due catene idrocarburiche, una molecola di glicerolo, il cui gruppo OH si lega a un gruppo fosfato, idrofilo.
• Amminoacidi (aa): hanno tutti un gruppo acido carbossilico COOH e un gruppo amminico (NH₂), legati al carbonio alfa, a cui è legato anche una catena R. Essi si legano tramite legame peptidico (che avviene con condensazione). Il gruppo NH₂ si trova al N-terminale e COOH al C-terminale.
• Nucleotidi: formano il DNA e l’RNA. Il nucleotide ha una base azotata legata a uno zucchero (ribosio o desossiribosio) legati a uno o più gruppi fosfato. Ogni nucleotide prende il nome della base che contiene. Il nucleotide senza un gruppo fosfato si chiama nucleoside. I nucleosidi difosfato e trifosfato possono essere trasportatori temporanei di energia. I legami tra i gruppi fosfato si chiamano fosfoanidridici, la cui rottura libera l’energia libera. I nucleotidi formano anche gli acidi nucleici, polimeri in cui i nucleotidi sono legati covalentemente da un legame fosfodiesterico (gruppo fosfato di un nucleotide - ossidrile dello zucchero successivo).

Energia, catalisi e biosintesi

• Necessità di enzimi non è svantaggio per la cellula ma vantaggio perché permette di controllare il proprio metabolismo (insieme di reazioni chimiche da compiere per sopravvivere, crescere e riprodursi = vie cataboliche + vie anaboliche).
• Tutte le reazioni sono o cataboliche (avviene la demolizione delle sostanze nutritive in molecole semplici + energia) o anaboliche/biosintetiche (avviene la sintesi delle molecole).
• Seconda legge della termodinamica - tutto tende al disordine.
• Entropia = quantità di disordine in un sistema - quindi tutti i sistemi tendono a una condizione di maggior entropia.
• Respirazione cellulare = processo in cui si ottiene energia tramite l’ossidazione delle molecole come zuccheri.
• Reazioni di idrogenazione sono reazioni di riduzione (n legami C-H è aumentato).
• Reazioni di deidrogenazione sono reazioni di ossidazione (n legami C-H è diminuito).
• Le reazioni sono spontanee quando portano a una perdita dell’energia libera.
• Anche le reazioni favorite energeticamente hanno bisogno di un innesco aka energia di attivazione (es fiammifero acceso).
• Gli enzimi aumentano la probabilità che una reazione avvenga abbassando l’energia di attivazione necessaria per innescarla.
• Reazione è spontanea se la variazione dell’energia libera (ΔG) < 0, cioè se riducono l’energia libera del sistema a cui appartengono.
• Le reazioni in equilibrio hanno ΔG = 0 (non avviene quasi mai nella cellula perché è un sistema dinamico).
• Diffusione: le molecole dentro la cellula sono in costante movimento a causa dell’energia termica e si scontrano le une con le altre, seguendo un percorso casuale. A causa di questo movimento, la probabilità che un enzima si scontri col proprio substrato dipende dalla concentrazione del substrato stesso. Non si formano associazioni tra enzima e substrato sbagliato perché hanno scarsa formazione di legami non covalenti - non si legano bene e si dissociano subito.
• L’energia rilasciata viene conservata sotto forma di energia di legame chimico in molecole trasportatrici attivate (carrier) con più legami covalenti e sono per esempio:
• ATP
• NADH
• NADPH
• FADH₂
• CoA
• L’ATP viene sintetizzato tramite la fosforilazione (ADP + Pi = ATP), la reazione inversa è l’idrolisi.
• Grazie a un gruppo fosfato, il NADPH ha una conformazione diversa a NADH e quindi si legano a gruppi di enzimi diversi, portando gli elettroni a destinazioni diverse.

Struttura e funzione delle proteine

• In qualità di enzimi promuovono le reazioni chimiche intracellulari.
• Proteine immerse nella membrana cellulare formano canali e pompe per controllare il passaggio di sostanze nutritive e altre piccole molecole dentro e fuori dalla cellula.
• Trasportano messaggi da una cellula all’altra.
• Integratori di segnali (trasmettono info dalla membrana cellulare al nucleo).
• Fanno muovere gli organuli nel citosol.
• Alcune proteine specializzate agiscono da anticorpi, tossine, ormoni o fibre elastiche.

La molteplicità delle loro funzioni deriva dall’enorme numero di forme che possono assumere. Le proteine sono lunghe catene polipeptidiche (perché gli aa sono legati da legami peptidici) e quindi a volte si chiamano anche polipeptidi. L’ordine degli aa è unico per ciascuna proteina. Le due estremità di ogni aa sono diverse dal pov chimico (una ha il gruppo amminico e l’altra il carbossilico). Per questo motivo ogni proteina ha una direzionalità: un dominio N terminale e un dominio C terminale. Le catene laterali sono quelle che distinguono ogni aa.

La struttura delle catene polipeptidiche sarebbe molto flessibile a causa della rotazione dei legami covalenti nei carboni e per questo ha anche dei legami non covalenti che stabilizzano quindi la struttura. Questi legami sono a idrogeno, attrazioni elettrostatiche e forze di Van der Waals. Siccome questi legami sono deboli, è necessario formarne tanti ed è da questo numero che dipende la stabilità di una proteina. È importante anche la disposizione degli aa polari e non polari all’interno della proteina a causa delle interazioni idrofobiche. Le catene idrofobiche tendono infatti a raggrupparsi all’interno della proteina ripiegata, sfuggendo così al contatto con l’ambiente acquoso della cellula.

La conformazione finale di una proteina si basa in modo da avere minor quantità di energia libera. Il ripiegamento della proteina libera energia e quindi è favorito. Questo ripiegamento è spesso assistito da proteine specifiche chiamate chaperon (loro non decidono la conformazione, essa è decisa dalla catena aa, loro aiutano e basta). Alcune di esse si legano a catene parzialmente ripiegate aiutandole ad assumere la corretta conformazione tridimensionale seguendo il percorso più energeticamente favorito. Altre invece formano delle “camere di isolamento” in cui le singole catene polipeptidiche possono ripiegarsi senza il rischio di formare aggregati nel citoplasma (la catena entra nel chaperon, la camera viene chiusa con un cappuccio e riaperta alla fine - questo richiede ATP).

Normalmente una proteina ha una sola conformazione stabile che però spesso cambia leggermente in seguito all’interazione con altre molecole che impattano sulle sue funzioni. La lunghezza della proteina è spesso tra 50 e 2000 aa. La struttura secondaria delle proteine si divide in alfa elica e foglietto beta che derivano dai legami idrogeno tra gruppi N-H e C=O. L’alfa elica forma un legame idrogeno ogni 4 legami peptidici e un giro completo dell’elica si crea ogni 3.6 aa. Queste sono molto presenti nella membrana cellulare come trasportatori e recettori. Due o 3 alfa eliche possono avvolgersi una sull’altra formando una struttura molto stabile, l’elica superavvolta (coiled coil). Lì le parti idrofobiche vengono rivolte all’interno per evitare il contatto con l’acqua. Le eliche superavvolte sono la base strutturale di molte proteine allungate come la miosina.

I foglietti beta si formano quando i legami idrogeno uniscono tratti di catena polipeptidica giacenti uno di fianco all’altro. Se i due tratti vanno nella stessa direzione (entrambi N-terminale o entrambi C-terminale) allora sono chiamati foglietto beta parallelo, altrimenti è antiparallelo. I foglietti beta si trovano spesso nella parte più interna di molte proteine. Essi permettono la formazione di fibre amiloidi che sono aggregati proteici non solubili stabilizzati dai foglietti beta che si uniscono strettamente gli uni agli altri con le catene aa laterali che si incastrano le une nelle altre.

Quando le proteine si ripiegano male, possono formare strutture amiloidi che possono danneggiare le cellule. Si pensa che possano contribuire a malattie neurodegenerative come Alzheimer e la malattia di Huntington. Ci sono anche proteine mal ripiegate chiamate prioniche nel cervello possono convertire una proteina sana in una con conformazione anomala, formando così aggregati e portando alla morte dell’organismo. I prioni sono infettivi perché si trasmettono anche ad altri individui tramite cibo, sangue e strumenti contaminati.

Le proteine possono anche assumere una struttura terziaria aka tridimensionale con anse e pieghe, e una 4a se è formata da più catene polipeptidiche. C’è un altro livello di organizzazione che è quello in domini che sono parti della catena che possono ripiegarsi indipendentemente in una struttura compatta e stabile (di solito 40-350aa). I vari domini spesso hanno diverse funzioni.

Esempio: CAP (catabolite activator protein) ha due domini: uno lega il DNA, l’altro l’AMP ciclico. Legando l’AMP ciclico, il suo dominio induce un cambiamento conformazionale della proteina che permette così all’altro dominio di legare una sequenza di DNA promuovendo l’espressione di un gene adiacente.

Esempio: la mioglobina (trasporta l’ossigeno nei muscoli) ha un solo dominio. Molte proteine grandi hanno decine di domini collegati da tratti di catena poco strutturata chiamati sequenze intrinsecamente disordinate che si piegano di continuo a causa dello sbalzo termico. Ci sono tantissime potenziali sequenze polipeptidiche ma le cellule ne sintetizzano solo una piccola porzione. Questo perché molte funzioni biologiche dipendono da proteine dotate di conformazioni tridimensionali ben definite e stabili. L’altro vincolo è che le proteine non devono formare associazioni non desiderate e quindi questo riduce ancora di più il numero. Le proteine si possono associare in famiglie, in cui ogni membro presenta una sequenza aa e una conformazione 3D simile a quella degli altri membri. Grazie alle interazioni deboli, le proteine possono formare aggregati più grandi. Ogni zona di una proteina che si lega a una porzione di un’altra molecola si chiama sito di legame. Quando ciò avviene tra due proteine, esse si associano formando la struttura 4a di una proteina in cui ogni catena è...