Biologia animale

Energia

Molte funzioni cellulari richiedono energia. La produzione e l’utilizzo di energia metabolica sono di primaria importanza per la cellula. L’energia è la capacità di compiere un lavoro. In un sistema chiuso al di sopra dello zero assoluto, parte del contenuto energetico è sotto forma di:

• Energia cinetica (rotazione e vibrazione di molecole);
• Energia potenziale (energia contenuta nei legami chimici).

Primo principio della termodinamica

L’energia non si crea e non si distrugge ma può essere trasformata. ΔE=Q-W (l’energia interna = energia termica - lavoro). H=E+PV (entalpia = energia interna + PV).

Secondo principio della termodinamica

Le reazioni chimiche tendono al maggior grado di disordine (verso un'entropia maggiore). Le reazioni in cui il sistema va verso una condizione di energia minima e entropia massima sono favorite e spontanee. Molte reazioni spontanee vanno verso una diminuzione di energia, possono liberare calore all’ambiente (esotermica Δ<0); le reazioni non spontanee vanno verso un aumento di energia, devono acquisire calore dall’ambiente (endotermica ΔG>0). ΔG=ΔH-TΔS (energia libera di Gibbs) permette di prevedere se una reazione è energicamente favorita. Per fornire l’energia necessaria a far avvenire le reazioni nella cellula si utilizza l’energia che viene liberata dall’idrolisi dell’ATP.

Enzimi

Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici che aumentano la velocità della reazione senza alterare l’equilibrio e la termodinamica della reazione. Gli enzimi riducono solamente l’energia richiesta allo stato di transizione.

Caratteristiche degli enzimi

• Sito attivo: Il sito attivo dell'enzima è la cavità, nell'enzima stesso, che accoglie il substrato isolandolo dall’ambiente. La struttura è determinata dalla struttura terziaria della proteina enzimatica. Il sito attivo ha un’elevata affinità per il substrato e i prodotti intermedi, ma una bassa affinità per i prodotti. Tra il substrato e il sito attivo si formano dei legami covalenti deboli.
• Specificità di substrato (distinguono gli stereoisomeri): ogni enzima è specifico per ogni substrato.
• Diversità degli enzimi:
  • Idrolasi: scissioni di tipo idrolitico.
  • ATPasi: idrolizzano ATP.
  • Nucleasi: degradano acidi nucleici.
  • Proteasi: degradano proteine.
  • Sintasi: catalizzano sintesi di molecole.
  • Ossidoreduttasi: catalizzano ossidoriduzioni.
  • Isomerasi: catalizzano la redistribuzione dei legami di una molecola.
  • Polimerasi: catalizzano reazioni di polimerizzazione.
  • Chinasi: catalizzano reazioni di fosforilazione.
  • Fosfatasi: catalizzano la rimozione idrolitica di un gruppo fosfato.
• Sensibilità alla temperatura: al di sopra della temperatura ottimale l’enzima è rapidamente inattivato per denaturazione.
• Sensibilità al pH: al di fuori del range di pH ottimale l’enzima è rapidamente inattivato per denaturazione.

Modello a chiave serratura

In questo modello la molecola di enzima è considerata come una struttura rigida, con un sito attivo che si adatta al substrato come una chiave con una serratura. La reazione che avviene nel sito attivo trasforma le molecole di substrato in molecole di prodotti.

Modello ad adattamento indotto

In base a questo modello, il legame di una molecola di substrato al sito attivo di un enzima induce un cambiamento conformazionale nella molecola di enzima, che posiziona i gruppi reattivi nel sito attivo in modo ottimale per la reazione di catalisi. L’interazione tra enzima e substrato segue la cinetica enzimatica e dipende dall’affinità del substrato e del prodotto con l’enzima.

Regolazione enzimatica

Competizione per il sito attivo

Inibizione competitiva: l’inibitore, del tutto simile al substrato, si lega al sito attivo competendo per il sito attivo; l’efficacia per inibizione aumenta maggiore è l’affinità dell’inibitore per l’enzima.

Regolazione allosterica

• Inibizione non competitiva: l’inibitore si lega ad un altro sito (non quello attivo), una subunità regolatoria allosterica, inducendo un cambiamento conformazionale nel sito attivo, il quale non è più in grado di accogliere il substrato; l’efficacia dipende solo dalla concentrazione di inibitore.
• Inibizione a feedback negativo: è il prodotto della reazione che fa da inibitore allosterico per l’enzima della reazione.
• Attivazione allosterica: il regolatore allosterico rende possibile l’interazione enzima-substrato.

L’inibizione può essere sia reversibile che irreversibile, quando l’inibitore si lega covalentemente all’enzima causandone la perdita permanente (es. gas nervino).

Fosforilazione

Il gruppo fosfato ha 2 cariche negative, l’aggiunta di tale gruppo alla proteina può modificare la sua conformazione e questo può portare all’attivazione o all’inibizione del sito attivo dell’enzima.

Cascata enzimatica: uno stimolo induce l’attività di enzimi che catalizzano per la stessa reazione che li ha attivati, la risposta biologica viene amplificata (es. la fosforilazione attiva la chinasi).

Legame con GTP (guanosintrifosfato): le proteine G, enzimi, capaci di legare il GTP diventano attivi una volta fosforilati e l’idrolisi di un gruppo fosfato porta alla disattivazione dell’enzima (GDT→GTP).

Alcuni enzimi possono essere sintetizzati come proenzimi (precursori), bisogna attivarli tramite un taglio proteolitico, la sequenza attiva dell’enzima è più corta del proenzima.

Taglio proteolitico

Alcuni enzimi per essere attivati hanno bisogno di gruppi prostetici (in genere ioni legati a proteine). Per esempio, EME che lega O₂ nell’emoglobina.

Coenzimi

I coenzimi sono delle molecole organiche a basso peso molecolare che aiutano gli enzimi. I coenzimi partecipano a reazioni enzimatiche multiple e contribuiscono attivamente alla riduzione dell’energia di attivazione, durante questi processi si trasformano ma vengono poi rigenerati. Esempi sono il NAD o il FAD.

Membrana cellulare

Cominciamo con il dire che le membrane biologiche svolgono cinque funzioni distinte ma correlate:

• Delimitano i contorni della cellula e dei suoi organelli e agiscono come barriere di permeabilità.
• Servono come siti di specifiche funzioni biochimiche, quali il trasporto di elettroni durante la respirazione mitocondriale, o la maturazione e il ripiegamento delle proteine nel reticolo endoplasmatico (RE).
• Contengono anche proteine di trasporto che regolano il movimento di sostanze verso l’interno e l'esterno della cellula e dei suoi compartimenti.
• Contengono i recettori necessari per rilevare i segnali extracellulari.
• Mediano le interazioni cellula-cellula, l'adesione e la comunicazione.

Modello a mosaico fluido

Il modello di Singer e Nicolson presenta la membrana come un doppio strato fluido di lipidi, con un mosaico di proteine associate. Le proteine integrali di membrana sono ancorate alla parte interna idrofoba della membrana tramite segmenti transmembrana idrofobici, mentre i segmenti idrofilici sporgono verso l'esterno su una o entrambe le facce della membrana. Le proteine periferiche di membrana sono associate alla superficie della membrana tramite forze elettrostatiche deboli.

Lipidi di membrana

La membrana è costituita principalmente da lipidi che sono molecole anfipatiche ossia con una testa idrofila e una coda idrofoba. I lipidi di membrana sono:

• Fosfolipidi o fosfogliceridi.
• Il colesterolo, molecola formata da 4 anelli carboniosi ed è necessario per mantenere e stabilizzare le membrane fungendo da tampone per la fluidità.
• I glicolipidi si formano dall’aggiunta di carboidrati ai lipidi. Un esempio sono i cerebrosidi, ossia glicolipidi neutri, perché ogni molecola possiede come gruppo di testa un singolo zucchero privo di carica (es. galattocerebroside con il galattosio); oppure i gangliosidi, con una testa oligosaccaridica contenente 1 o più residui di acido salico carichi negativamente, i quali conferiscono una carica netta negativa al ganglioside.

I glicolipidi fungono da protezione in caso di condizioni estreme e se carichi possono avere un effetto elettrico alterando il campo elettrico generato dagli ioni. La composizione della membrana nei due monostrati è ineguale. Nelle cellule animali i glicolipidi si trovano principalmente sullo strato esterno così come la fosfatidiletanolammina sono più abbondanti nello strato interno. Lo spostamento da uno strato all’altro è un processo raro e energicamente sfavorito → flippasi.

La fluidità del doppio strato dipende dalla sua composizione: i doppi legami rendono la membrana più fluida evitando l’impiccamento delle molecole; il colesterolo immobilizza le regioni idrocarburiche dei fosfolipidi rendendo meno deformabile e più permeabile la membrana. Dipende anche dalla temperatura: diminuisce quando la temperatura si abbassa ed aumenta con l’innalzamento termico. Le zattere lipidiche sono zone più dense e più alte arricchite di sfingolipidi, glicosfingolipidi colesterolo per ospitare meglio determinate proteine di membrana.

Proteine di membrana

Svolgono le principali funzioni specifiche della membrana: trasporto, ancoraggio, recettori, enzimi. Le proteine integrali di membrana sono incorporate nel doppio strato lipidico, dove vengono tenute in posizione dall’affinità dei segmenti idrofobici della proteina per l’interno idrofobico del doppio strato lipidico. Le proteine periferiche di membrana sono molto più idrofiliche pertanto si trovano sulla superficie della membrana, dove sono legate non covalentemente ai gruppi di teste polari dei fosfolipidi o a parti idrofile delle proteine di transmembrana.

Trasporto di membrana

(Il trasporto rappresenta un aspetto fondamentale delle funzioni cellulari: è la capacità di ioni e molecole organiche di spostarsi attraverso la membrana in maniera selettiva) Per sopravvivere e funzionare correttamente le cellule devono mantenere un ambiente interno costante molto diverso dall’ambiente extracellulare, un processo detto omeostasi. La corretta regolazione del trasporto è essenziale per garantire l’omeostasi e l’appropriato funzionamento della cellula. La maggior parte delle sostanze che si muovono attraverso le membrane sono i gas (O₂, CO₂, N₂), ioni (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-, H⁺), piccole molecole organiche (metaboliti es. zuccheri, aminoacidi, nucleotidi): in altre parole i soluti. Il movimento di un soluto privo di carica è determinato dal suo gradiente di concentrazione a cavallo della membrana. Quanto più elevata è la differenza di concentrazione, più elevato è il suo gradiente e, quindi, maggiore è la sua forza di spostamento. Il movimento di uno ione è determinato dal suo potenziale elettrochimico, che corrisponde all’effetto combinato tra gradiente di concentrazione di uno ione e del gradiente di carica di tutti gli ioni ai due lati della membrana.

Nel movimento dei soluti attraverso la membrana sono implicati tre tipi di trasporto. Alcune molecole si muovono attraverso le membrane per diffusione semplice, un movimento diretto e spontaneo di molecole di soluto attraverso il doppio strato fosfolipidico nella direzione impostata dal gradiente di concentrazione. Tuttavia, a volte il movimento attraverso le membrane a una velocità efficiente è possibile soltanto grazie a delle proteine di trasporto: proteine integrali di membrana in grado di riconoscere le sostanze in maniera specifica e facilitare il loro spostamento. In alcuni casi le proteine trasferiscono le molecole attraverso il loro gradiente di concentrazione/potenziale elettrico, processo conosciuto come diffusione facilitata (movimento esoergonico). In altri casi, le proteine mediano il trasporto attivo dei soluti, trasportandoli contro i loro gradiente concentrazione/potenziale elettrico con un meccanismo che richiede energia (movimento endoergonico).

Diffusione semplice

La diffusione semplice consiste nel movimento netto e spontaneo di un soluto da una regione in cui la sua concentrazione è più alta a una regione in cui la sua concentrazione è più bassa. A causa della natura idrofobica della parte interna della membrana, la diffusione semplice costituisce una modalità di trasporto soltanto per i gas, molecole apolari o molecole polari molto piccole (es. acqua, glicerolo ed etanolo). L’osmosi è la diffusione dell’acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile. Poiché la maggior parte dei soluti non può attraversare per diffusione la membrana, l’acqua tende ad attraversare la membrana in risposta alle differenze di concentrazione dei soluti ai due lati della membrana. L’acqua tende a diffondere dal lato della membrana dove c’è una concentrazione di soluto più bassa verso il lato in cui la concentrazione del soluto è più alta; cercherà quindi di equilibrare le concentrazioni dei soluti. Il passaggio osmotico dell’acqua all’interno e all’esterno della cellula avviene in risposta all’osmolarità relativa: concentrazione del soluto nel citoplasma in contrapposizione alla sua concentrazione nello spazio extracellulare:

• Soluzione ipotonica: soluzione con una la concentrazione di soluto minore rispetto a quella del citoplasma nella cellula, l’acqua tende ad entrare nella cellula aumentando la pressione interna;
• Soluzione ipertonica: soluzione con una concentrazione del soluto maggiore rispetto a quella del citoplasma nella cellula, l’acqua tende ad uscire della cellula disidratandola;
• Soluzione isotonica: soluzione con una concentrazione di soluto uguale rispetto a quella del citoplasma nella cellula, la diffusione dell’acqua è inesistente.

L’acqua, sebbene sia polare, può attraversare le membrane, ma questo flusso è limitato e facilitato dalle acquaporine: canali specifici per il suo passaggio. In che modo le cellule superano il problema dell'elevata osmolarità e del conseguente influsso osmotico dell'acqua? Le cellule delle piante, delle alghe, dei funghi e di molti batteri sono circondate da pareti cellulari abbastanza rigide e resistenti da impedire che le cellule stesse si rigonfino e scoppino in una soluzione ipotonica. Nel caso di una pianta non legnosa le condizioni ipotoniche sono infatti normali. Invece di scoppiare, le cellule diventano molto consistenti a conseguenza della pressione di turgore che aumenta in seguito al passaggio dell'acqua all'interno. La turgidità risultante spiega la solidità, o turgore, dei tessuti vegetali abbondantemente idratati. Senza questa turgidità, il tessuto appassirebbe. In una soluzione ipertonica, invece, il passaggio all'esterno dell'acqua fa staccare la membrana plasmatica dalla parete cellulare, un processo denominato plasmolisi. Le cellule prive di pareti risolvono il problema dell'osmolarità pompando fuori continuamente e attivamente ioni inorganici, riducendo così l'osmolarità intracellulare e rendendo minima la differenza di concentrazione del soluto tra la cellula e il suo ambiente.

Diffusione facilitata

La maggior parte delle sostanze presenti nelle cellule è troppo grande o troppo polare per poter attraversare le membrane per diffusione semplice a velocità ragionevoli. Questi soluti possono spostarsi all’interno e all’esterno delle cellule e degli organelli a velocità apprezzabili soltanto con l’aiuto di proteine di trasporto, che medino il movimento delle molecole del soluto attraverso la membrana. Se un tale processo è esoergonico, viene definito diffusione facilitata, perché il soluto diffonde secondo il gradiente di concentrazione o secondo il gradiente elettrochimico senza che vi sia la necessità di apportare energia. Le proteine di trasporto coinvolte nella diffusione facilitata di piccole molecole e ioni sono proteine integrali di membrana; si dividono in due principali categorie:

• Proteine carrier (trasportatori): si legano a una o più molecole di soluto su un lato della membrana e poi subiscono un cambiamento conformazionale che determina il trasferimento del soluto sul lato opposto della membrana. Una proteina carrier si lega, presumibilmente, alle molecole di soluto in modo tale da proteggere i gruppi polari o provvisti di carica dalla parte apolare interna della membrana.

Le proteine carrier si somigliano per il loro presunto meccanismo d’azione che implica conformazioni alternative, ma esse si differenziano in base al numero dei soluti trasportati e alla direzione secondo cui questi si spostano:

• Uniporto: quando una proteina carrier trasporta un singolo soluto attraverso la membrana (es. trasportatore del glucosio*);
• Simporto: quando due soluti vengono trasportati contemporaneamente nella stessa direzione della membrana;
• Antiporto: quando due soluti vengono trasportati contemporaneamente in direzioni opposte della membrana (es. proteina scambiatrice di ioni*).

• Proteine canale: formano attraverso la membrana dei canali idrofilici che permettono il passaggio dei soluti senza alcun cambiamento della conformazione della proteina (Es. canali ionici*).

*trasportatore del glucosio Un eritrocita è capace di assorbire glucosio mediante diffusione facilitata grazie alla bassa concentrazione intracellulare di glucosio e alla presenza di una proteina carrier per il glucosio: il trasportatore del glucosio (GLUT-1). Il trasportatore del glucosio ha tutte le caratteristiche tipiche della diffusione facilitata:

• È specifico per il glucosio;
• Procede secondo il gradiente di concentrazione senza apporto di energia.