Riassunto esame Biologia animale, Prof. Costa Barbara, libro consigliato Biologia e Genetica , De Leo

Macromolecole biologiche

• Acidi nucleici
• Proteine
• Polisaccaridi
• Aggregati molecolari lipidici

La macromolecola è una molecola grande, è costituita da monomeri che sono legati tra di loro da legami covalenti.

Nella formazione del legame covalente si ha una reazione di condensazione o di disidratazione.

Nella reazione di condensazione abbiamo il legame tra il gruppo ossidrilico di una molecola e l’idrogeno dell’altra molecola. Con l’eliminazione di una molecola di H2O e la formazione di una molecola di H e OH. Al contrario possiamo avere la reazione di idrolisi dove viene introdotta una molecola di H2O e si ha la formazione della molecola di partenza.

Monomero e macromolecola

• Zucchero, monosaccaride, glucide, carboidrato. Polisaccaride
• Amminoacido Proteina
• Nucleotide Acido nucleico
• Lipide Aggregato sovramolecolare

*Nell’aggregato sovramolecolare non abbiamo legami covalenti ma interazioni idrofobiche.

I legami possono essere di tipo:

• Covalente
• Legame a idrogeno
• Legame ionico
• Interazioni idrofobiche, forze di Van Der Waals
• Legame covalente (es. Ponte disolfuro)

Legame covalente puro: Condivisione di elettroni, che completano lo strato esterno di entrambi gli atomi. È un legame apolare. 1

Legame ionico: è creato dall’attrazione di cariche opposte generate a seguito del trasferimento di elettroni tra atomi con grande differenza di elettronegatività.

Legame covalente polare: condivisione di elettroni in modo ineguale, la densità elettronica è maggiore in prossimità dell’atomo più elettronegativo e si crea una parziale carica positiva e una negativa.

Legame a idrogeno: è una debole attrazione tra due atomi con parziali cariche opposte. Ad esempio, lo troviamo nel DNA tra le basi azotate, questi legami lo rendono molto stabile. Per rompere questi legami servono circa 95 gradi, tramite una reazione chiamata denaturazione. Per riformare nuovamente questi legami servono circa 25 gradi, tramite una reazione di rinaturazione.

La cellula è costituita da circa il 70% di H2O.

Possiamo avere molecole idrofile: uno ione o una molecola che interagiscono con l’H2O.

Oppure una molecola idrofoba: molecola che ha legami apolari e non ha cariche nette (ioni) si aggrega con altre molecole apolari. Le interazioni tra molecole non polari vengono dette forze di Van Der Waals.

Proteine

Le proteine sono composte da aminoacidi, tra i quali si instaura un legame, detto, peptidico. Si ha la distinzione tra peptide e polipeptide. Il peptide è composto da massimo 10 aminoacidi, mentre il polipeptide è composto da 20-30 aminoacidi.

Le proteine hanno diverse funzioni:

• Trasporto: Possono far entrare e uscire molecole, oppure fungono da trasporto nei tessuti (es. Albumina trasporta molecole nel sangue).
• Immunitaria: Gli anticorpi sono proteine. (es. Immunoglobuline prodotte dai linfociti-B)
• Ormonale: Insulina, glucagone, ormone della crescita, ossitocina, vasopressina 2
• Recettoriale: Sulla superficie della cellula abbiamo dei recettori, che sono proteine, captano i segnali.
• Enzimatica: Perché una reazione chimica inizi i reagenti devono assorbire una certa energia di attivazione. Gli enzimi abbassano la barriera energetica, velocizzando le reazioni biochimiche (catalizzatori), che si trovano immutati al termine della reazione.
• Strutturale: Es. Al DNA si associano gli istoni. Si forma così il cromosoma/cromatina (DNA + proteine).

Struttura di un aminoacido

Un aminoacido è composto da un carbonio centrale, detto carbonio alfa, un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale R, il gruppo R è la parte variabile che differenzia i diversi amminoacidi, determinandone le proprietà uniche, come la polarità o le dimensioni.

Gli amminoacidi essenziali sono quegli aminoacidi che il corpo non riesce a sintetizzare da solo, ma vanno procurati tramite la dieta. Gli aminoacidi essenziali variano a seconda del tipo di specie.

Al pH fisiologico (7,4) gli aminoacidi presentano il gruppo NH2 e il gruppo COOH ionizzati (zwitterionica).

Amminoacidi da sapere

La glicina è l’amminoacido più semplice con il gruppo laterale R composto solo da un idrogeno. 3

Il gruppo amminico e ossidrilico formano un legame peptidico con una reazione di condensazione. Il termine terminale si usa solo nella proteina, non nei monomeri. La parte a sinistra si chiama ammino-terminale, mentre l’estremità carbossil-terminale.

Le proteine hanno diverse strutture: primaria, secondaria, terziaria e alcune quaternarie. Struttura primaria: ordine preciso di specifici aminoacidi a seconda della struttura primaria abbiamo diverse proteine con funzioni diverse. Abbiamo diverse proteine con funzioni diverse. Nella cellula: le porzioni apolari delle proteine interagiscono tra loro (idrofobe) le porzioni polari vengono esposte all’esterno e interagiscono con l’H2O. La polarità dipende dalla composizione chimica della catena laterale.

La struttura secondaria: è formata dall’alfa-elica e dai beta-foglietti, la differenza tra i due dipende dalla posizione degli aminoacidi, se sono accanto abbiamo l’alfa-elica, mentre se sono separati da qualche altro aminoacido si ha i beta-foglietti.

La struttura terziaria: è formata da tanti tipi di legami, è una struttura tridimensionale.

Solo in alcuni casi possiamo avere la struttura quaternaria, struttura formata da più proteine. (es: emoglobina 4 proteine). L'emoglobina la troviamo nei globuli rossi detti anche eritrociti. Gli eritrociti sono delle strutture cellulari che all’interno contengono molte molecole di emoglobina che ha il compito di trasportare l’ossigeno.

Il polipeptide si ripiega e le molecole polari si trovano all’esterno, mentre, quelle apolari formano il nucleo interno. Si forma una proteina solubile, detta conformazione nativa. 4

Alcune proteine presentano il gruppo eme. A differenza della struttura quaternaria, che si riferisce all'unione di più catene polipeptidiche, il gruppo eme è una molecola a parte, contenente un atomo di ferro al centro, che si lega a ciascuna di queste catene polipeptidiche per svolgere la sua funzione, come il trasporto dell'ossigeno biatomico/atmosferico (O2).

Le strutture secondarie vengono rappresentate così: l’alfa-elica come un cilindro o a spirale/elica, mentre, i beta-foglietto come delle frecce. Se non sono presenti né alfa-eliche né beta-foglietti abbiamo un “loop”, una specie di laccio. Quando troviamo i nomi degli amminoacidi con accanto un numero, il numero si riferisce alla posizione dell’amminoacido. (es. Cys145, in questa proteina il 145° amminoacido è una cisteina)

La struttura di questa proteina è una struttura quaternaria perché abbiamo due subunità composte da Cys e due da His. Inoltre, abbiamo rappresentati C* il carbossi terminale e N* l’amminoterminale, quindi, più proteine reagiscono tra di loro per formarne una sola.

Dai geni si possono fare proteine, tramite un processo chiamato splicing. Lo splicing genico è un processo molecolare nei geni eucariotici che rimuove le sequenze non codificanti (introni) e unisce le sequenze codificanti (esoni) per produrre un RNA messaggero (mRNA) maturo, pronto per la traduzione in proteina.

Conoscere la struttura tridimensionale e le zone di interazione permette di creare potenziali farmaci che ostacolino la loro interazione e quindi l’ingresso del virus nella cellula.

Carboidrati

I carboidrati sono formati da monosaccaridi legati tra di loro tramite un legame glicosidico. Quando i carboidrati sono formati da due monosaccaridi si chiamano disaccaridi, se sono formati da un numero limitato di monosaccaridi vengono chiamati oligosaccaridi. Se sono composti da migliaia di monosaccaridi sono chiamati polisaccaridi.

Il monosaccaride più abbondante è il glucosio, formato da 6 atomi di carbonio, ragione per cui è chiamato esoso. 5

Il glucosio è l’elemento iniziale da cui partono tutte le reazioni della cellula che vanno a produrre ATP, che viene, successivamente, utilizzata dalla cellula come fonte di energia.

Il processo di produzione di energia

• Glicolisi: Questo è il primo passaggio e avviene nel citoplasma di tutte le cellule. Una molecola di glucosio viene scissa in due molecole più piccole, il piruvato, rilasciando energia sotto forma di ATP e NADH.
• Respirazione cellulare: Se presente l'ossigeno, il piruvato prosegue in processi come il Ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, che degradano completamente il glucosio a CO2 e acqua e generano un grande quantitativo di ATP.

Le reazioni che partono dal glucosio culminano nella produzione di ATP (adenosina trifosfato), che è la molecola direttamente utilizzabile dalla cellula come fonte di energia per svolgere tutte le sue funzioni, dalle reazioni chimiche al movimento.

Il glucosio è importante anche per la formazione delle molecole come polisaccaridi e disaccaridi.

Polisaccaridi

Tra i principali polisaccaridi possiamo trovare:

• La cellulosa: è un polimero di glucosio con funzione strutturale, forma la parete della cellula vegetale.
• L’amido: è un carboidrato complesso, è un polimero di glucosio che è presente solo nei vegetali e ha funzione di riserva, si forma tramite la fotosintesi e si accumula in radici, tuberi e semi. L'eccesso di glucosio prodotto dalla fotosintesi viene immagazzinato sotto forma di amido; quando la cellula ha bisogno di energia, l'amido viene convertito nuovamente in glucosio e poi, tramite la respirazione cellulare, viene "bruciato" per produrre ATP.
• Il glicogeno: è un polimero del glucosio, è la principale forma di riserva del glucosio nel corpo degli animali e viene immagazzinato nel fegato e nei muscoli. È un polisaccaride ramificato, composto da molte molecole di glucosio unite tra loro, che serve come una scorta di energia pronta all'uso.

Nello specifico:

La cellulosa è composta da diverse migliaia di unità di glucosio. È composta da legami glicosidici, nello specifico, legami di tipo: 6

Legami 1,4-beta-glicosidico: legame chimico che avviene tra il carbonio 1 (C1) e il carbonio 4 (C4) dell'altra molecola di zucchero. Questo legame è fondamentale per la struttura di polisaccaridi come la cellulosa, il cui organismo umano non può digerire perché non hanno i beta-glucosidasi, ma che è fondamentale per gli erbivori, i ruminanti la assimilano perché l’enzima gli è fornito da batteri e funghi presenti nel loro sistema.

La cellulosa è molto resistente perché le sue lunghe catene lineari di glucosio si dispongono parallelamente le une alle altre e sono tenute insieme da numerosi e forti legami a idrogeno, formando delle fibrille molto resistenti che conferiscono rigidità e resistenza alla cellulosa.

L’amido è un polisaccaride formato da unità di alfa-glucosio. Si tratta del principale carboidrato di riserva nelle piante. L’amido è costituito da legami di tipo 1,4-alfa-glicosidico, per questo riesce ad essere digerito dagli esseri umani, a differenza della cellulosa. Si compone di due polimeri principali: l'amilosio, una catena lineare, e l'amilopectina, una struttura ramificata, entrambe, sempre, costituite da alfa-glucosio.

• L'amilosio ha legami 1,4-alfa-glicosidico
• L'amilopectina presenta una ramificazione 1,6-glicosidico, circa ogni 25 unità di glucosio

Il glicogeno è un polisaccaride con la funzione di riserva energetica negli animali. Il glicogeno ha una struttura simile all’amilopectina ma con ramificazioni più frequenti. I legami nel glicogeno sono principalmente di tipo alfa-1,4-glicosidico per le catene lineari e di tipo alfa-1,6-glicosidico per le ramificazioni. Il glicogeno è un polisaccaride ramificato di glucosio, dove il legame alfa-1,4 forma la spina dorsale lineare del polimero, mentre il legame alfa-1,6 crea i punti di diramazione ogni 8-10 unità di glucosio, permettendo una struttura più compatta e una rapida liberazione del glucosio quando necessario.

I principali monosaccaridi sono: il ribosio e il desossiribosio, sono entrambi composti da cinque atomi di carbonio, per cui sono chiamati pentosi. Tra di loro sono isomeri e sono distinti dal carbonio 2 con il gruppo OH nel ribosio e un atomo di H nel desossiribosio. 7

Un altro monosaccaride è il glucosio, esistente in due forme isomeriche, una lineare e due forme cicliche. La forma lineare, con il suo gruppo aldeidico al carbonio 1 e il gruppo ossidrilico al carbonio 5, reagisce intramolecolarmente per formare un emiacetale ciclico, con la chiusura dell'anello e la formazione di un nuovo centro chirale al carbonio anomerico.

Nella forma ad anello si può formare l’alfa glucosio e il beta glucosio a seconda della disposizione del gruppo OH, formando due molecole diverse. (OH in basso abbiamo l’alfa-glucosio, OH in alto abbiamo il beta-glucosio).

Facendo reagire questi due monosaccaridi ciclici che si sono formati:

• Con due beta-glucosio formo il cellobiosio C1 e C4 legame 1,4-beta-glicosidico
• Con due alfa-glucosio formo il maltosio C1 e C4 legame 1,4-alfa-glicosidico

*La reazione deve sempre avvenire tra il C1 e il C4, si ha una reazione di condensazione.

Molecole lipidiche

Gli acidi grassi sono molecole formate da una catena carboniosa (o idrocarburica) di lunghezza variabile e un gruppo carbossilico terminale (-COOH). Questa struttura conferisce loro un'estremità idrofila (il gruppo carbossilico) e un'estremità idrofobica (la lunga coda di carbonio e idrogeno).

A seconda del tipo di legame nella catena carboniosa possiamo avere:

• Gli acidi grassi saturi, che hanno tutti legami singoli e un andamento lineare.
• Gli acidi grassi insaturi, che presentano dei doppi legami e presentano dei ripiegamenti nella struttura.

Gli acidi grassi possono costituire i trigliceridi, costituiti da una molecola di glicerolo (un alcol) legata a tre molecole di acidi grassi, tramite una reazione di condensazione (sintesi di un estere). 8

Un'altra molecola formata da acidi grassi è il fosfolipide, formato da due catene di acidi grassi e un gruppo fosfato, legati a una molecola di glicerolo.

Al gruppo fosfato abbiamo legato un altro composto, che è variabile, in base al quale cambia il nome.

Nomenclatura: fosfatidil+ nome composto.

Il gruppo fosfato ha carica negativa, il composto ha carica positiva, quindi si crea una carica netta, la parte in alto del fosfolipide ha carica mentre la parte in basso è senza carica. Inoltre, la parte in basso è idrofobica, mentre, la parte in alto è idrofila.

Nella struttura abbiamo un acido grasso saturo e uno insaturo. Alcune delle poche eccezioni è la fosfatidil-serina che ha la forma zwitterionica. Mentre, la sfingomielina ha una struttura particolare.

La natura anfipatica dei fosfolipidi determina la formazione di liposomi in ambiente acquoso. I liposomi sono costituiti da un doppio strato fosfolipidico, le teste idrofile interagiscono con l’H2O, le code apolari di un monostrato interagiscono con quelle del monostrato adiacente.

La struttura della membrana plasmatica è formata da un doppio strato fosfolipidico. Il colesterolo è una componente fondamentale della membrana delle cellule eucariote, è molto più piccolo dei fosfolipidi.

Trasporto di molecole

Asimmetria del doppio strato fosfolipidico

L'asimmetria del doppio strato lipidico si riferisce alla diversa composizione e disposizione dei lipidi e delle proteine sui due lati della membrana cellulare. I trasportatori specifici (flippasi e floppasi) regolano l'orientamento dei lipidi per mantenere l'asimmetria, che a sua volta influisce sulla fluidità, sulla carica e sull'orientamento delle proteine di membrana.

Questa disposizione asimmetrica è essenziale per le funzioni delle proteine, come il trasporto e il riconoscimento cellulare. L'asimmetria è fondamentale per processi come l'endocitosi e l'esocitosi. L'endocitosi è il processo mediante il quale la cellula ingloba sostanze dall'esterno creando delle vescicole, mentre l'esocitosi è il processo inverso in cui le vescicole si fondono con la membrana cellulare per rilasciare il loro contenuto all'esterno. Entrambi sono meccanismi di trasporto di macromolecole e grandi particelle che non possono attraversare la membrana plasmatica.

Può avvenire il processo di apoptosi, morte cellulare programmata, un processo controllato che elimina le cellule danneggiate, malformate o in eccesso, fenomeno per cui la fosfatidilserina si sposta dalla parte interna (citoplasmatica) della membrana cellulare verso la parte esterna, servendo da segnale per i fagociti che eliminano la cellula danneggiata. È un segnale cruciale nella morte cellulare programmata. La fosfatidilserina è un fosfolipide che si trova normalmente nella parte interna della membrana cellulare. 9

La fluidità della membrana cellulare è determinata dal movimento dei fosfolipidi, che possono scorrere lateralmente e ruotare attorno al proprio asse, invece, è raro il movimento di "flip-flop" (passaggio tra i due strati) perché la membrana perderebbe la sua simmetria. Il movimento è catalizzato da enzimi chiamati flippasi.

I fattori che influenzano il movimento dei fosfolipidi:

• Temperatura:
  • Bassa temperatura: La fluidità diminuisce e si forma uno strato più cristallino e rigido.
  • Alta temperatura: La fluidità aumenta.
• Lunghezza e insaturazione delle catene degli acidi grassi:
  • Catene lunghe e sature: Queste catene favoriscono la compattazione e la rigidità,