Riassunto esame Basi neurali della cognizione, Prof. Chieffi Paolo, libro consigliato Basi molecolari e cellulari della vita, A. Bevilacqua, P. Chieffi, L. Speranza, S.Canterini, M. Pesce, M. Montersi

Molecole biologiche

Negli esseri viventi sono presenti quattro tipi di molecole: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici. Tutte queste molecole, eccetto i lipidi, sono polimeri costruiti unendo con legami covalenti molecole più piccole dette monomeri. Ogni tipo di molecola biologica è costituita da monomeri di struttura chimica simile:

• Proteine sono formate da diverse combinazioni di 20 amminoacidi;
• Carboidrati possono formare molecole giganti per l’unione di monomeri saccaridici in polisaccaridi;
• Acidi nucleici si formano unendo monomeri nucleotidici di 4 tipi in lunghe catene lineari;
• Lipidi formano grandi strutture a partire da un insieme limitato di molecole più piccole.

I polimeri con massa molecolare superiore a 1000 Da sono considerati macromolecole. Il modo in cui queste funzionano e interagiscono con altre molecole dipende dalle proprietà dei loro gruppi funzionali (piccoli raggruppamenti di atomi che ricorrono nelle molecole biologiche). Ogni gruppo funzionale ha proprietà chimiche specifiche e, se fa parte di una molecola più grande, le conferisce tali proprietà. Le macromolecole, essendo molto grandi, contengono numerosi gruppi funzionali diversi. Una sola grande proteina può contenere gruppi funzionali idrofobici, polari e dotati di carica elettrica, ciascuno dei quali conferisce proprietà specifiche diverse a zone circoscritte della molecola. I diversi gruppi interagiscono tra loro nell’ambito della stessa macromolecola e contribuiscono a determinarne la forma e il comportamento nelle sue interazioni con altre macromolecole e con molecole più piccole.

Isomeri

Gli isomeri sono molecole che hanno la stessa formula chimica, cioè le stesse quantità degli stessi atomi, ma disposti diversamente. Esistono tre tipi di isomeri: strutturali, cis-trans e ottici.

Isomeri strutturali

Gli isomeri strutturali differiscono per il modo in cui gli atomi sono legati tra loro.

Isomeri cis-trans

Nelle molecole biologiche gli isomeri cis-trans in generale presentano un doppio legame tra due atomi di carbonio, che condividono tra loro due coppie di elettroni. Quando, per i restanti due legami, ciascuno di questi atomi di carbonio si impegna con due atomi di gruppi diversi tra loro, essi possono trovarsi orientati dalla stessa parte o dalla parte opposta rispetto all’asse del doppio legame. Se i due atomi o due gruppi diversi risultano dalla stessa parte, l’isomero è definito cis; se risultano uno da una parte e uno dall’altra è definito trans.

Isomeri ottici

Si hanno gli isomeri ottici quando un atomo di carbonio porta legati quattro diversi atomi o gruppi di atomi. In questi casi il legame si può formare in due modi differenti, uno speculare dell’altro. Tale atomo di carbonio si definisce asimmetrico e le due molecole possibili sono isomeri ottici l’uno rispetto all’altra.

Reazioni di condensazione

I polimeri si formano da monomeri tramite serie di reazioni di condensazione. Esse portano i monomeri a formare legami covalenti tra loro e, per ogni legame che si forma, si libera una molecola di acqua. In tutti i casi, i polimeri si formano solo se vengono eliminate delle molecole di acqua e se si fornisce energia al sistema. L’inverso di una reazione di condensazione è una reazione di idrolisi. Queste portano alla demolizione di polimeri nei monomeri che li compongono. L’acqua reagisce con i legami covalenti che tengono insieme i polimeri. Per ogni legame covalente che si rompe, una molecola di acqua si separa nei due ioni H⁺ e OH^-, che entrano a far parte di uno o l’altro dei prodotti. L’idrolisi libera energia.

Macromolecole e loro funzioni

I quattro tipi di macromolecole si possono considerare come gli elementi costitutivi di base per gli esseri viventi.

Proteine

Le proteine svolgono diversi ruoli. Tutte le proteine sono polimeri composti da 20 amminoacidi in diverse proporzioni e disposti in ordine diverso. Esse sono costituite da una o più catene polipeptidiche, polimeri lineari di amminoacidi legati da legami covalenti. Ogni catena polipeptidica si ripiega su se stessa assumendo una particolare configurazione tridimensionale.

• Enzimi: catalizzano le reazioni biochimiche.
• Proteine strutturali: conferiscono stabilità fisica e permettono il movimento.
• Proteine di difesa: riconoscono le sostanze estranee e vi rispondono.
• Proteine di segnalazione: controllano processi fisiologici.
• Proteine recettore: ricevono segnali chimici e vi rispondono.
• Trasportatori di membrana: regolano il passaggio di sostanze attraverso le membrane cellulari.
• Proteine di accumulo: immagazzinano amminoacidi per un uso successivo.
• Proteine di trasporto: legano e trasportano sostanze nell’ambito di un organismo.
• Proteine regolatrici dei geni: determinano l’intensità di espressione di un gene nel tempo.

Ogni amminoacido ha sia un gruppo funzionale carbossilico sia un gruppo funzionale amminico, legati allo stesso atomo di carbonio (carbonio alfa). Sempre legati a questo, ci sono un atomo di idrogeno e una catena laterale o gruppo R. Il carbonio alfa è asimmetrico perché legato a quattro diversi atomi, quindi gli amminoacidi possono esistere come isomeri ottici detti D-amminoacidi (desto) o L-amminoacidi (levo, solo questi si trovano nelle proteine della maggior parte degli organismi). Ai livelli di pH osservati nelle cellule sia il gruppo carbossilico sia il gruppo amminico sono ionizzati. Le catene laterali degli amminoacidi contengono gruppi funzionali che sono importanti per determinare la struttura tridimensionale e quindi la funzione della proteina.

Il gruppo carbossilico di un amminoacido reagisce con un gruppo amminico di un altro amminoacido: avviene quindi una condensazione, che forma un legame peptidico. La struttura primaria di una proteina consiste nella sequenza di amminoacidi tenuti insieme dai legami peptidici nella catena polipeptidica.

Strutture delle proteine

La struttura secondaria di una proteina consiste di configurazioni spaziali regolari che ricorrono in regioni diverse della catena polipeptidica. Esistono due tipi principali di struttura secondaria: l’alfa elica e il foglietto beta.

L’alfa elica è una struttura elicoidale destrorsa che si avvolge nella stessa direzione di una normale vite a legno. I gruppi R si protendono verso l’esterno dell’ossatura peptidica della struttura. L’avvolgimento deriva da legami di idrogeno che si formano tra l’idrogeno di carica alfa⁺ che appartiene al gruppo N-H di un amminoacido e l’ossigeno di carica alfa^- che appartiene al gruppo C=O di un altro.

Il foglietto beta si compone di due o più catene polipeptidiche quasi completamente distese e allineate una vicino l’altra. Il foglietto si stabilizza grazie a legami di idrogeno tra i gruppi N-H e i C=O.

In molte proteine la catena polipeptidica si incurva in posizioni ben precise e poi decorre avanti e indietro, dando luogo alla struttura terziaria della proteina. Questa è la configurazione tridimensionale definitiva di una macromolecola. Molte proteine, nella loro forma attiva, sono costituite da due o più catene polipeptidiche, dette subunità, ciascuna ripiegata nella sua specifica struttura terziaria. La struttura quaternaria di una proteina deriva dal modo in cui queste subunità si legano e interagiscono tra loro.

Le condizioni ambientali influenzano la struttura 3D delle proteine, che dipende dalla presenza di interazioni deboli. Questi si riflettono sulla forma di una proteina e quindi sulla sua funzionalità:

• Gli aumenti di temperatura accelerano i movimenti molecolari e quindi riescono a rompere i legami idrogeno e le interazioni idrofobiche;
• Variazioni di pH modificano il quadro di ionizzazione dei gruppi carbossilici e amminici presenti nei gruppi R degli amminoacidi, e quindi la topografia delle attrazioni e delle repulsioni ioniche;
• Sostanze polari possono turbare la rete di legami idrogeno che è cruciale per la struttura delle proteine;
• Sostanze polari possono alterare la struttura normale di una proteina.

Carboidrati

Per i carboidrati si intende un’ampia classe di molecole che hanno tutte una composizione simile, ma che differiscono molto per dimensioni, proprietà chimiche e funzioni biologiche. I carboidrati hanno di solito la formula generale C_mH_2nO_n, che li fa riconoscere come idrati di carbonio. Tuttavia i carboidrati non sono “idrati”, perché le molecole di acqua non sono intatte: gli atomi di carbonio sono invece legati tra loro e uniti ad atomi di idrogeno e gruppi carbossilici, i componenti dell’acqua. I carboidrati svolgono 3 compiti biochimici principali:

• Sono una riserva di energia;
• Sono impiegati per trasportare l’energia accumulata;
• Forniscono scheletri carboniosi che possono essere riorganizzati in nuove molecole.

Si distinguono, in base al numero di monomeri, 4 categorie di carboidrati importanti biologicamente:

• Monosaccaridi: zuccheri semplici (glucosio);
• Disaccaridi: consistono in due monosaccaridi uniti da legami covalenti. Es. saccarosio, 1 molecola di glucosio e 1 fruttosio;
• Oligosaccaridi: costituiti da alcuni monosaccaridi (da 3 a 20);
• Polisaccaridi: (amido, glicogeno, cellulosa) sono polimeri fatti da centinaia o migliaia di monosaccaridi.

Tutte le cellule viventi contengono il monosaccaride glucosio che serve a trasportare energia nel nostro organismo. Le cellule usano il glucosio come fonte di energia. I legami covalenti sono molto stabili ma quando si spezzano, gli atomi si separano e ciascun atomo riprende il proprio elettrone.

Pentosi ed esosi

I pentosi sono zuccheri a 5 atomi di carbonio. Due pentosi sono particolarmente importanti: il ribosio e il deossiribosio, contenuti nell’ossatura degli acidi nucleici RNA e DNA. Questi due pentosi non sono isomeri tra di loro, ma nel deossiribosio manca un atomo di ossigeno al carbonio 2: l’assenza di questo atomo costituisce una distinzione importante tra RNA e DNA.

Gli esosi sono un gruppo di isomeri strutturali di formula C₆H₁₂O₆ (glucosio, fruttosio, mannosio e galattosio).

Disaccaridi e polisaccaridi

I disaccaridi sono composti derivanti dalla condensazione di due monosaccaridi con l’eliminazione di una molecola d’acqua.

I polisaccaridi sono polimeri di grandi dimensioni di monosaccaridi uniti da legami glicosidici. Hanno una funzione di deposito energetico o strutturale. L’amido è il composto principale che le piante usano come riserve energetica. Alcuni amidi delle piante, come l’amilosio, sono privi di ramificazioni, altri sono ramificati come l’amilopectina. L’amido lega facilmente l’acqua.

Il glicogeno è un polimero del glucosio molto ramificato e insolubile in acqua. Serve a immagazzinare il glucosio nel fegato e nei muscoli ed è un composto di riserva energetica per gli animali.

La cellulosa è la componente principale delle pareti cellulari nelle piante. Essa è un polimero del glucosio ed è chimicamente stabile grazie ai suoi legami beta-glicosidici.

Lipidi

I lipidi sono idrocarburi insolubili nell’acqua a causa dei loro legami covalenti apolari. Esistono vari tipi di lipidi che svolgono funzioni differenti:

• Gli oli e i grassi sono riserve di energia;
• I fosfolipidi svolgono compiti strutturali importanti nelle membrane cellulari;
• I carotenoidi e le clorofille servono nelle piante per catturare l’energia luminosa;
• Gli steroidi e gli acidi grassi modificati svolgono ruoli di regolazione come gli ormoni e le vitamine;
• Il grasso corporeo degli animali si comporta da isolante termico;
• Gli oli o le cere sulla superficie della pelle hanno funzione idropellente e impediscono un’evaporazione eccessiva di acqua negli animali e nelle piante.

I grassi e gli oli sono trigliceridi, noti anche come lipidi semplici. Essi sono composti da due tipi di unità costitutive: gli acidi grassi e il glicerolo. Quest’ultimo è una piccola molecola con tre gruppi ossidrilici (-OH), pertanto è un alcol. Un acido grasso è formato da una lunga catena idrocarburica apolare più un gruppo carbossilico polare (-COOH). Un trigliceride contiene tre molecole di acido grasso e una di glicerolo. La sintesi di un trigliceride avviene tramite tre reazioni di condensazione: in ognuna di queste il gruppo carbossilico di un acido reagisce con un gruppo ossidrilico di una molecola di glicerolo, dando luogo a un legame covalente detto legame estere, mentre si libera una molecola di acqua.

• Acidi grassi saturi: i legami tra atomi di carbonio della catena idrocarburica sono legami singoli;
• Acidi grassi insaturi: la catena idrocarburica contiene uno o più legami doppi.

Un acido grasso è quindi una molecola con un’estremità idrofilica e una lunga coda idrofobica, dotata di due proprietà chimiche contrastanti cioè anfipatiche. Come i trigliceridi, anche i fosfolipidi contengono acidi grassi uniti al glicerolo da legami estere però, nei fosfolipidi, al posto di uno degli acidi grassi, si trova sempre un composto contenente fosfato. In un ambiente acquoso i fosfolipidi assumono una disposizione tale che le “code” apolari idrofobiche formano aggregati compatti e le “teste” con il gruppo fosfato siano rivolte verso l’esterno, dove interagiscono con l’acqua. Così i fosfolipidi costituiscono un doppio strato.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri specializzati nell’immagazzinare, trasmettere e utilizzare le informazioni genetiche. Ci sono due tipi di acidi nucleici: il DNA (acido deossiribonucleico) e l’RNA (acido ribonucleico). Il DNA è una macromolecola che codifica l’informazione ereditaria e la trasferisce da una generazione all’altra. Passando per la mediazione dell’RNA, i dati codificati nel DNA servono a determinare la sequenza di amminoacidi delle proteine e per controllare la sintesi e l’espressione di altri RNA.

Composizione degli acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono polimeri costituiti da monomeri detti nucleotidi. Un nucleotide è composto da tre parti: una base contenente azoto, uno zucchero pentoso e da uno a tre gruppi fosfati. Le molecole contenenti uno zucchero pentoso e una base azotata, sono dette nucleosidi. I nucleotidi che formano acidi nucleici contengono un solo gruppo fosfato e si definiscono nucleosidi monofosfato.

Le basi azotate degli acidi nucleici sono di due tipi: le pirimidine, che presentano una struttura esagonale singola chiusa ad anello, e le purine, che hanno una struttura a due anelli divise tra loro. Nel DNA lo zucchero pentoso è deossiribosio, il quale differisce dal ribosio che si trova nell’RNA a causa dell’assenza di un atomo di ossigeno.

Lo zucchero pentoso dell’ultimo nucleotide della catena e il fosfato del nuovo neuclotide vanno incontro a una reazione di condensazione e il legame risultante è definito legame fosfodiestere. Il fosfato del nuovo nucleotide è attaccato al carbonio 5’ del suo zucchero, e il legame avviene tra quel fosfato e il carbonio 3’ sull’ultimo zucchero della catena esistente. Gli acidi nucleici crescono in direzione 5’-3’.

Differenze tra DNA e RNA

DNA e RNA sono diversi per il tipo di zuccheri, di basi e per la struttura dei filamenti. Nel DNA si trovano quattro basi: adenina, citosina, guanina e timina. Anche l’RNA è composto da quattro monomeri, ma i suoi nucleotidi presentano l’uracile al posto della timina. La chiave per capire la struttura e il funzionamento degli acidi nucleici è il principio dell’appaiamento complementare delle basi. Nel DNA la timina fa sempre coppia con l’adenosina (T-A) e la citosina con la guanina (C-G). Nell’RNA le coppie sono A-U e C-G. Le coppie di basi sono tenute assieme da legami di idrogeno.

Nel 1953 due scienziati, Watson e Crick, ipotizzarono la struttura del DNA, comprendendo che esso è una molecola costituita da due filamenti polinucleotidici associati tra loro e avvolti su se stessi con andamento a spirale, formando una doppia elica. Le basi azotate costituiscono l’interno della doppia elica. Inoltre, il DNA si avvolge attorno a proteine chiamate istoni. Il DNA costituisce un numero limitato di grosse molecole lineari dette cromosomi. I cromosomi sono 46 in ogni cellula, 23 in coppia, e hanno alta mobilità.

Ruolo informativo del DNA

Nel DNA, le informazioni sono date da un 5-6% del genoma; queste porzioni sono esoniche e quelle sequenze che non si conoscono sono introniche. Il genoma si suddivide in porzioni esoniche e introniche. Gli esoni sono la parte del genoma codificato, quindi quella che si conosce, mentre le sezioni che non portano informazioni vengono dette introni.

Il DNA è una molecola con un ruolo informativo. Esso trasmette informazioni in due modi:

• Il DNA può essere esattamente riprodotto. Questo processo è detto replicazione del DNA. Si compie tramite polimerizzazione, impiegando uno dei due filamenti esistenti come stampo su cui appaiare le basi complementari;
• Alcune sequenze di DNA possono essere copiate nell’RNA, in un processo chiamato trascrizione. La sequenza di nucleotidi nell’RNA può servire a determinare la sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica e si tratta del processo di traduzione. L’insieme di trascrizione e traduzione è detto espressione genetica.

Il corredo completo di DNA di un organismo vivente è detto genoma. Le sequenze di DNA trascritte nell’RNA sono chiamate geni. La duplicazione avviene tramite la nascita di due figlie con lo stesso patrimonio genetico, la duplicazione semi-conservativa permette di conservare ogni cromosoma a metà. I due filamenti tenuti insieme dal legame a ponte idrogeno si staccano e si duplicheranno. La caratteristica peculiare del DNA è la sua capacità di auto replicarsi.