Citologia

Le macromolecole

Le macromolecole sono le più abbondanti fra le molecole che contengono carbonio in una cellula vivente. Esse sono le principali unità di cui è costituita una cellula. Le macromolecole delle cellule sono polimeri costituiti unendo covalentemente piccole molecole organiche (monomeri) in lunghe catene. Sebbene siano diverse nei dettagli per le proteine, acidi nucleici e polisaccaridi, le reazioni chimiche che aggiungono subunità a ciascun polimero hanno importanti caratteristiche in comune. Ciascun polimero cresce per l’aggiunta di un monomero all’estremità di un polimero in crescita in una reazione di condensazione, in cui una molecola d’acqua viene persa ogni volta che viene aggiunta una subunità.

Le macromolecole biologiche

Le macromolecole biologiche sono 4 (le subunità si legano tra di loro covalentemente per formare la macromolecola):

• Zuccheri: Polisaccaridi
• Acidi grassi: Grassi, lipidi, membrane
• Amminoacidi: Proteine
• Nucleotidi: Acidi nucleici

Le proteine

Le proteine rappresentano la macromolecola più abbondante (15%). Nelle proteine esistono 20 tipi di amminoacidi, codificati direttamente dal DNA dell’organismo, ciascuno con proprietà chimiche diverse. Una proteina è costituita da una lunga catena di amminoacidi legati tra di loro in modo covalente e in sequenze lineari. Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine hanno un gruppo carbossilico (-COOH) ed un gruppo amminico (-NH₂) legato allo stesso atomo di carbonio, il carbonio α e sono denominati α-amminoacidi.

La sequenza ripetuta di atomi lungo la catena polipeptidica viene chiamata ossatura polipeptidica. Attaccate a questa catena vi sono delle sequenze di amminoacidi non coinvolte nella formazione di legame, e conferiscono a ciascun amminoacido le sue proprietà peculiari. In gruppo R è diverso per:

• Struttura
• Dimensioni
• Carica

Esempio: Il triptofano e la tirosina, ed in minore quantità la fenilalanina, assorbono la luce ultravioletta; perciò, le proteine presentano un caratteristico assorbimento della luce ad una lunghezza d’onda di 280 nm, proprietà utilizzata per individuare e quantificare le proteine.

Legame peptidico

Gli amminoacidi sono uniti covalentemente da legami peptidici, cioè da legami ammidici tra il gruppo α-carbossilico di un amminoacido e il gruppo α-amminico di un altro. Risulta quindi una reazione di condensazione. Il gruppo α-amminico dell’amminoacido con R₂ agisce da nucleofilo e spiazza il gruppo ossidrilico dell’amminoacido con R₁.

Le caratteristiche del legame peptidico

• Ha il carattere di un doppio legame parziale: Studi di diffrazione ai raggi X hanno mostrato che nel gruppo peptidico il legame C-N è più breve (1.33Å) di un normale legame C-N (1.46 Å) e che il legame C=O è leggermente più lungo (1.24Å) di un normale doppio legame C=O (1.20 Å). Il legame peptidico ha parziali caratteristiche di doppio legame (oltre il 40%), mentre il doppio legame C=O si comporta in parte (40%) come un legame singolo. Il fenomeno è reso possibile dalla risonanza del gruppo peptidico fra due strutture limite: da una parziale distribuzione delle 2 coppie di elettroni tra l’atomo di ossigeno carbonilico e l’atomo di azoto amidico. L’ossigeno acquista una carica negativa parziale e l’azoto una carica positiva parziale, generando un dipolo elettrico.
• Il legame peptidico è rigido: A causa di questo parziale carattere di doppio legame, il legame C-N non può ruotare e la rotazione è permessa soltanto intorno ai legami.
• Gli atomi del gruppo peptidico giacciono sullo stesso piano: Un’ulteriore conseguenza della risonanza che interessa il legame peptidico è che gli atomi che compongono il cosiddetto gruppo peptidico (i due atomi, C ed N, del legame stesso e i 4 atomi ad essi legati: O, H e i due carboni α) giacciono tutti sullo stesso piano.

I livelli strutturali di organizzazione delle proteine

Introduzione

Le molecole idrofobiche, comprese le catene laterali non polari di particolari amminoacidi, tendono a unirsi in ambiente acquoso per ridurre al minimo i loro effetti che alterano la rete di legami idrogeno delle molecole d’acqua. Perciò, un fattore importante che governa il ripiegamento di qualunque proteina è la distribuzione dei suoi amminoacidi polari e non polari:

• Catene non polari (idrofobiche) come fenilalanina, leucina, valina e triptofano, tendono a raggrupparsi nell’interno della molecola, questo permette loro di evitare il contatto con l’acqua che le circonda all’interno di una cellula.
• Catene polari (idrofobe) come arginina, glutamina e istidina, tendono invece a disporsi vicino all’esterno della molecola, dove possono formare legami a idrogeno con l’acqua e con altre molecole polari.

Come risultato di tutte queste interazioni, la maggior parte delle proteine ha una struttura tridimensionale particolare, che è determinata dall’ordine degli amminoacidi nella sua catena. La struttura finale ripiegata o conformazione, è in genere quella che riduce al minimo l’energia libera. Una proteina può essere svolta o denaturata, mediante trattamento con certi solventi, che distruggono le interazioni non covalenti che tengono insieme la catena ripiegata. Questo trattamento converte la proteina in una catena polipeptidica flessibile che ha perso la sua forma naturale. Quando il solvente viene rimosso, la proteina spesso di rinatura spontaneamente, nella sua conformazione originale (questo indica che le informazioni necessarie per la forma tridimensionale risiedono nella sequenza degli amminoacidi).

La conformazione, tuttavia, spesso cambia quando la proteina interagisce con altre molecole nella cellula; questo cambiamento di forma è spesso cruciale per la funzione della proteina stessa. Il ripiegamento delle proteine in una cellula è spesso assistito da proteine speciali chiamate chaperoni molecolari. Queste si legano a catene polipeptidiche parzialmente ripiegate e le aiutano a progredire lungo la via di ripiegamento energeticamente più favorevole.

Le strutture della proteina

• Struttura primaria: è la sequenza degli aa (numero ed ordine lineare nella direzione da N- a C-terminale).
• Struttura secondaria: si intende la conformazione che assumono gli aa in alcune parti dello scheletro peptidico. I due tipi principali di struttura secondaria sono:
  • L’alfa elica
  • Foglietto beta
• Struttura terziaria: ripiegamento della catena.
• Struttura quaternaria: associazione tra più catene.

L'alfa elica

È una struttura tipica delle proteine globulari. È una struttura elicoidale in cui lo scheletro del polipeptide è avvolto intorno a un asse longitudinale immaginario e le catene R degli amminoacidi sporgono verso l’esterno. La sua formazione è determinata da legami idrogeno tra l’amide ed il carbonile di legami peptidici distanti 3.6 residui. L’unità ripetitiva è un singolo giro dell’elica che si estende per una lunghezza di 5,4 Å e contiene 3,6 residui amminoacidici. L’avvolgimento di tutte le eliche è destroso. Le interazioni che hanno luogo tra le catene laterali degli amminoacidi possono stabilizzare o destabilizzare l’alfa elica. Residui di acido glutamminico o acido aspartico sono destabilizzanti perché le cariche negative si respingono così fortemente da superare la forza stabilizzatrice dei legami idrogeno. Una limitazione alla formazione dell’a elica è costituita dai residui di Pro e di Gly:

• Nella prolina, l'atomo di azoto fa parte di un anello rigido.
• Nella glicina si ha invece una flessibilità conformazionale molto elevata.

Beta foglietto

Lo scheletro covalente del peptide si estende a zig-zag e le catene polipeptidiche sono distese l’una accanto all’altra. È stabilizzato da legami idrogeno che si formano tra piani adiacenti della catena polipeptidica. I gruppi R di residui adiacenti sporgono al di fuori del piano dato dai legami peptidici, alternativamente da una parte e dall’altra. I foglietti si possono formare da catene polipeptidiche:

• Adiacenti: che corrono nella stessa direzione, catene parallele.
• Antiparallelle: catena polipeptidica che si ripiega avanti e indietro su se stessa, con ciascuna sezione della catena che corre nella direzione opposta a quella della catena più vicina.

Struttura terziaria

La struttura terziaria di una proteina definisce la disposizione di tutti i suoi atomi nello spazio tridimensionale. La struttura terziaria tiene conto anche di relazioni a lungo raggio esistenti nella sequenza amminoacidica, mentre la struttura secondaria si riferisce alla disposizione spaziale di residui amminoacidici adiacenti nella struttura primaria. Le proteine vengono classificate in 2 tipi strutturali:

• Proteine fibrose: con catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o estesi foglietti, in cui predomina la struttura secondaria (come la cheratina).
• Proteine globulari: con catene polipeptidiche ripiegate che assumono forme globulari o sferiche (come la mioglobina).

Domini proteici

Uno studio della conformazione, funzione e dell’evoluzione delle proteine ha rilevato l’importanza centrale di un’unità di organizzazione distinta dalle 4 principali. I domini sono le fondamentali unità funzionali della struttura tridimensionale dei polipeptidi. Le catene polipeptidiche lunghe più di 200 amminoacidi generalmente comprendono due o più domini. La parte centrale di un dominio si forma per la combinazione di strutture sovrasecondarie (motivi). I diversi domini di una proteina spesso sono associati a differenti funzioni, il nucleo centrale di un dominio può essere costituito da eliche, da foglietti o da varie combinazioni di questi due fondamentali elementi ripiegati. Le molecole proteiche più piccole contengono soltanto un singolo dominio, mentre le proteine più grandi possono contenere anche parecchie decine di domini, in genere connessi fra loro da brevi tratti relativamente non strutturati di catena polipeptidica che può agire come una cerniera flessibile tra i domini. Il ripiegamento di una catena polipeptidica all’interno di un dominio di solito è indipendente dal ripiegamento di altri domini.

Struttura quaternaria

Alcune proteine spesso sono formate da più di una catena polipeptidica. Gli stessi principi che rendono una molecola proteica capace di configurarsi in modo tale da formare anelli o filamenti operano per generare strutture molto più grandi come complessi enzimatici, ribosomi, filamenti proteici, virus e membrane. Questi grandi elementi non sono costituiti come singole molecole giganti legate covalentemente, ma sono invece formati dall’assemblaggio non covalente di molte molecole prodotte separatamente, che rappresentano subunità della struttura finale. L’uso di subunità più piccole ha diversi vantaggi:

• Una grande struttura costituita da una o più subunità più piccole ripetute richiede soltanto una piccola quantità di informazione genetica.
• Sia l’assemblaggio che il disassemblaggio possono essere processi facilmente controllati e reversibili, poiché le subunità si associano tramite legami multipli a energia bassa.
• Gli errori nella sintesi della struttura possono essere evitati più facilmente poiché meccanismi di correzione possono operare durante l’assemblaggio per escludere subunità malformate.

Alcune subunità proteiche si assemblano in fogli appiattiti in cui le subunità sono disposte in schemi esagonali. Con un leggero cambiamento nella geometria delle singole subunità, un foglio esagonale può essere convertito in un tubo o, con più cambiamenti, in una sfera cava. La formazione di strutture chiuse, come anelli, tubi o sfere, fornisce ulteriore stabilità perché aumenta il numero di legami fra le subunità proteiche. Alcuni tipi di proteine si organizzano in strutture allungate e fibrose (proteine fibrose). La forma delle proteine è strettamente correlata alla funzione biologica che la proteina deve svolgere.

Le proteine interagiscono con altre molecole

Le proprietà biologiche di una molecola dipendono dalle sue interazioni fisiche con altre molecole. Tutte le proteine si attaccano ad altre molecole o le legano. In alcuni casi questo legame è molto forte, in altri è debole e di breve durata. Il legame mostra sempre grande specificità, nel senso che ciascuna proteina può legare poche molecole o anche una soltanto fra le molte migliaia di diversi tipi che incontra. La sostanza che è legata dalla proteina viene chiamata ligando di quella proteina. La capacità di una proteina di legare selettivamente e con alta affinità un ligando dipende dalla formazione di una serie di legami deboli non covalenti oltre a interazioni idrofobiche favorevoli. La regione di una proteina che si associa a un ligando, nota come sito di legame del ligando, di solito è costituita da una cavità nella superficie della proteina formata da una particolare disposizione di amminoacidi. Regioni separate della superficie della proteina forniscono in genere siti di legame per ligandi diversi, permettendo di regolare l’attività della proteina, altre parti possono servire da maniglie per posizionare la proteina nella cellula. Molte proteine possono svolgere la loro funzione semplicemente legandosi a un’altra molecola. Esistono però altre proteine per le quali legare il ligando è soltanto un primo passo necessario per la loro funzione, questo è il caso degli enzimi. Essi sono molecole che determinano tutte le trasformazioni chimiche che formano e rompono i legami covalenti nelle cellule. Gli enzimi si legano a uno o più ligandi, chiamati substrati, e li convertono in uno o più prodotti modificati chimicamente. Gli enzimi accelerano le reazioni, senza subire alcun cambiamento, cioè agiscono da catalizzatori che permettono alle cellule di formare o rompere legami covalenti in modo controllato. Gli enzimi possono essere raggruppati in classi funzionali che svolgono reazioni chimiche simili, ciascun tipo di enzima all’interno di una classe è altamente specifico e catalizza soltanto un tipo di reazione.

Il lisozima

Il lisozima è un enzima presente in tessuti animali dotato di attività battericida. Degrada la parete batterica di alcuni batteri (Gram +) catalizzando l'idrolisi del legame beta 1,4 tra l'acido acetilmuramico (NAM) e la acetilglucosamina (NAG) che sono la componente principale del peptidoglicano.

La cellula regola le attività catalitiche

Gli enzimi operano contemporaneamente e nello stesso piccolo volume di citosol. Con la loro attività catalitica questi enzimi generano una complessa rete di vie metaboliche, ciascuna composta da catene di reazioni chimiche in cui il prodotto di un enzima diventa il substrato del successivo. In questo labirinto di vie sono presenti molti punti di ramificazione, chiamati nodi, in cui enzimi diversi competono per lo stesso substrato. Il sistema è così complesso che sono necessari dei controlli (la regolazione avviene a molti livelli). Il tipo più comune di controllo è quello che si ha quando una molecola diversa da uno dei substrati si lega a un enzima in un sito regolatore speciale fuori dal sito attivo, alterando così la velocità alla quale l’enzima converte i substrati.

Inibizione a feedback: un enzima che agisce all’inizio di una via di reazione viene inibito da un prodotto tardivo di quella via.

• Feedback negativo: impedisce a un enzima di agire.
• Feedback positivo: l’attività enzimatica è stimolata da una molecola regolatrice, anziché essere spenta. Avviene quando un prodotto si una ramificazione del labirinto metabolico stimola l’attività di un enzima di un’altra via.

Una caratteristica particolare della regolazione a feedback sia positiva che negativa consiste nel fatto che la molecola regolatrice spesso ha una forma completamente diversa dalla forma del substrato dell’enzima. Questo è il motivo per cui questa forma di regolazione è chiamata allosteria. Ogni enzima, quindi, deve avere due siti di legame:

• Sito attivo che riconosce i substrati.
• Sito regolatore che riconosce una molecola regolatrice.

Questi due siti devono comunicare, per permettere che gli eventi catalitici sul sito attivo siano influenzati dall’attacco della molecola regolatrice al suo sito separato sulla superficie della proteina. Oggi si sa che l’interazione fra siti separati dipende da un cambiamento conformazionale della proteina. In tutti i casi di regolazione allosterica ciascuna conformazione della proteina ha contorni di superficie un po' diversi e i siti di legame della proteina per i ligandi vengono alterati quando la proteina cambia forma.

La regolazione delle proteine

All’interno della cellula molte proteine (enzimi, fattori di trascrizione…) non funzionano continuamente. Esse devono essere regolate per permettere alla cellula di evitare:

• Lo spreco di risorse energetiche
• L’esaurimento delle scorte di substrati indispensabili.

Esistono 2 tipi di regolazione: