Riassunto esame Biologia animale, Prof. Belladonna Maria Laura, libro consigliato "Becker" il mondo della cellula, Gregory Paul Bertoni, Jeff Hardin, Lewis J. Kleinsmith, Wayne M. Becker

La chimica della cellula

Tutti gli organismi presenti in natura risultano essere composti da cellule di varia natura. Nella prima metà dell'800, grazie al microscopio, è stato facile intendere la composizione degli organismi e capire che le cellule non sono altro che piccoli comparti che si assemblano per formare organismi ben definiti ed altrettanto complessi. Ogni organismo, come già detto in precedenza, risulta essere completamente composto da cellule, differenziandosi in base al numero di cellule di cui ogni singolo organismo è composto; avremo quindi organismi unicellulari e pluricellulari.

Divisione cellulare

Proseguendo gli studi effettuati sulle cellule, è stato altrettanto facile capire che tutte le cellule vengono generate unicamente dalla divisione di una cellula antenata, comunemente definita cellula madre. Ogni organismo pluricellulare quindi, non è altro che un insieme di cellule derivanti in tutto e per tutto da un’unica cellula madre antenata. Tale capacità delle cellule di replicarsi, non è importante solo dal punto di vista del numero delle cellule, ciò risulta essere necessario anche per capire come, partendo da una cellula madre che andrà incontro a replicazione, un organismo riuscirà a comporre un tessuto e permetterne la crescita dimensionale.

Oltre alle cellule appena descritte, vi sono numerose cellule che non andranno mai incontro a replicazione, esse si "limiteranno" a differenziarsi dalle altre e a specializzarsi per espletare le funzioni di un particolare tessuto di cui entreranno a far parte; in tal modo è semplice capire come un organismo riesca ad evolversi e a specializzarsi durante l’arco della sua intera esistenza.

Processi metabolici

Un’altra caratteristica primaria degli organismi viventi risulta essere la presenza e l’esistenza di numerosi processi metabolici (tutti mediati da enzimi) accompagnati da numerosi regolatori biochimici estremamente efficienti. Tali enzimi, regolatori biochimici, risultano essere un insieme di macchine molecolari in grado di trasformare una sostanza chimica, ma anche in grado di collaborare con le altre cellule dell’organismo per dar vita a sostanze e prodotti chimici necessari per il corretto funzionamento della cellula.

I processi metabolici non risultano essere spontanei, bensì regolati da numerosi altri processi differenti innescati da una fitta rete di segnalazioni chimiche che ne permettono l’avvenimento.

Biologia cellulare

Per studiare quindi questo fantastico mondo delle cellule vi è una scienza specifica: la biologia cellulare. Tale scienza però, non può e non deve essere vista come una scienza unita, come a se stante; essa bensì è frutto dell’unione di tre scienze ben distinte fra di loro:

• Citologia: scienza che si occupa dello studio della struttura cellulare (scienza resa possibile dalla creazione e dall’invenzione del microscopio e della scienza ad esso connessa, ovvero la microscopia).
• Biochimica: scienza che permette la comprensione delle strutture e del funzionamento della cellula. Questa scienza si occupa inoltre dello studio della chimica dei sistemi biologici e del funzionamento dei singoli componenti subcellulari (resa possibile grazie a numerosi processi e scoperte avvenuti negli ultimi 75 anni).
• Genetica: scienza che nacque con lo studio delle piante del pisello portato avanti da Mendel. Solo successivamente, grazie a Watson e Crick si arrivò all’affermazione che il nucleo della cellula è il luogo in cui risiede il DNA. Il DNA però è l’unica parte depositaria del codice genetico.

L'importanza del carbonio

Il carbonio è la molecola più adatta per la formazione delle molecole biologiche. Esso ricopre questo ruolo fondamentale grazie alla enorme quantità di composti che può formare, ma anche grazie alla stabilità che conferisce alle molecole di cui fa parte. Oltre a ciò, il carbonio è una molecola molto duttile, in quanto, legandosi con ben 4 atomi (ha valenza pari a 4) diversi può formare 3 tipi di legami differenti (singoli, doppi e tripli) con atomi di H, N, O e quindi anche dare diverse disposizioni nello spazio alle molecole che andrà a formare.

I tre diversi tipi di legami che forma con le altre molecole, vengono definiti legami covalenti (essi aumentano di energia all’aumentare del numero dei legami) e permettono di stabilizzare le molecole, sia che esse siano di natura biologica che non, e permettono alla cellula anche di avere interazioni con le cellule ad essa vicine. Tale possibilità di interazioni fra le cellule, è resa possibile dalla presenza di legami a più basso livello di energia, ed ovviamente più deboli, come il legame a idrogeno (ha energia fino a 100 volte inferiore rispetto ad un legame covalente).

Come già annunciato, il carbonio permette di formare numerosissime molecole biologiche differenti, pur mantenendole tutte perfettamente stabili. Nella enorme quantità di composti che può formare il carbonio, degni di menzione sono quelli con gli atomi di Idrogeno per la formazione degli idrocarburi. Tali idrocarburi risultano essere una classe di molecole provenienti dal carbonio (in sintesi, le valenze rimaste libere, vanno a legarsi con atomi di Idrogeno), ovvero molecole di dimensioni considerevoli e completamente insolubili in acqua, a causa della presenza delle catene alifatiche. Tali catene appena nominate, risultano avere una polarità bassissima, vengono considerate perciò apolari, e riescono ad interagire con molta difficoltà con le molecole di acqua.

Legami e gruppi funzionali

Una volta che il carbonio va a legarsi con atomi di molecole differenti, esso è in grado di formare numerose molecole, che differiscono fra loro sia per composizione fisica che per caratteristiche chimico-fisiche. Gli atomi che si legano al carbonio risultano essere: ossigeno, azoto, zolfo, fosforo. Tali molecole, oltre a legarsi con il carbonio, possono legarsi anche ad altri atomi diversi, andando a formare i cosiddetti gruppi funzionali:

• Gruppo carbossilico: COOH
• Gruppo fosfato: PO₄ & H₂PO₄

In condizioni corrette di PH, questi due gruppi funzionali tendono a perdere un H⁺ e a caricarsi negativamente:

• Gruppo amminico: Esso tende a caricarsi positivamente quando acquista un H⁺ e forma NH₃
• Gruppo ossidrilico
• Gruppo carbonilico
• Gruppo aldeidico

Questi tre gruppi, essendo di natura polare, non possiedono una carica netta:

• Gruppo sulfidrilico

Nella grande famiglia degli idrocarburi, ve ne sono alcuni che prevedono l’alternarsi di singoli e doppi legami all’interno della struttura della cellula: di queste molecole, l’esempio calzante risulta essere il benzene; in tale molecola, gli elettroni specifici di questi legami “risuonano” e permettono al composto stesso di assumere una geometria “ad anello”. Gli idrocarburi, in generale, vengono considerati apolari.

Centro di chiralità

Qualora un atomo di carbonio venisse legato da 4 gruppi funzionali completamente differenti, si parlerebbe quindi di un centro di chiralità (NB. Il carbonio tetraedrico risulta essere quello che ha 4 differenti legami, ognuno dei quali è ibridato sp³. Sappiamo infatti che la configurazione elettronica del carbonio presenta 2 elettroni in 2s e gli altri 2 in 2p. Quando questi elettroni esterni si ibridano a seguito di un’eccitazione, assumono una conformazione elettronica diversa da s e da p e il loro livello energetico risulta essere a metà fra quello di 2s e 2p. In questo caso quindi vengono a formarsi 4 orbitali nuovi, diversi dai precedenti, che hanno la caratteristica di distribuire gli elettroni nello spazio intorno al carbonio, orientandoli ai vertici del tetraedro precedentemente nominato).

Per centro di chiralità quindi, si intende un atomo di carbonio che lega 4 gruppi funzionali differenti, ognuno ad un vertice del tetraedro che forma. Essi svolgono un ruolo enormemente più importante nel mondo dei motori a combustione, visto e considerato che non sono solubili in acqua (solvente universali dei sistemi biologici). D’altra parte però, gli idrocarburi svolgono un ruolo primario nella costituzione delle membrane biologiche. Ergo, tali idrocarburi svolgono un ruolo primario nella formazione di diversi sistemi di barriera, ma non solo. Come vedremo, gli idrocarburi svolgono anche una funzione di riserva energetica. Gli idrocarburi infatti compongono ben 3 catene degli acidi grassi, legate ad una piccola parte non idrocarburica. Tramite degradazione, queste code idrocarburiche possono essere distrutte e possono permettere l’emissione di energia in esse contenute.

L'importanza dell'acqua

La molecola d’acqua risulta essere una fra le più importanti in natura per l’organismo umano. Essa costituisce circa il 70% del nostro organismo, ma permette anche l’interazione delle molecole biologiche con la struttura delle cellule con cui entrano in contatto. La molecola d’acqua è composta da due atomi di idrogeno che vanno a legare una singola molecola di ossigeno; tali atomi di idrogeno vanno a costituire i legami con l’ossigeno orientandosi verso due dei quattro vertici del tetraedro. Gli altri due vertici rimasti apparentemente liberi, sono necessari per andare ad ospitare una coppia di elettroni spaiati, ovvero coloro che non sono stati utilizzati per la formazione dei legami chimici.

In questo modo viene a formarsi una molecola con angoli di 104,5°, con una forma geometrica più schiacciata rispetto a quella tradizionale del tetraedro, ciò è dovuto alla presenza dei due doppietti di elettroni che premono e spingono gli atomi di H più vicino all’atomo dell’O (questa particolare distribuzione può essere spiegata con un parametro, ovvero Delta. Esso indica la distribuzione degli elettroni, essi infatti sono maggiormente attratti dall’atomo più elettronegativo, in questo caso l’ossigeno, e meno attratti da quello meno elettronegativo, ovvero l’idrogeno).

In questo modo, a seguito anche della spiegazione del parametro Delta, possiamo dire che la molecola di H₂O presenta un polo negativo rappresentato dall’ossigeno (ovvero colui che attrae maggiormente gli elettroni) e da due poli positivi, rappresentati in questo caso dai due atomi di idrogeno (ovvero coloro che attraggono meno gli elettroni).

Legami ad idrogeno

Le interazioni che avvengono fra molecole di acqua, sono proprio dovute alla presenza di tali poli: si verifica perciò una situazione in cui vengono a crearsi interazioni fra i doppietti di elettroni dell’ossigeno e i due atomi di idrogeno di una molecola d’acqua circostante. Le interazioni di questo tipo prendono il nome di legami ad idrogeno, sono coloro che permettono l’assunzione di una conformazione coesa della massa d’acqua; seppur essi siano considerati legami deboli, la loro assenza permetterebbe alle molecole di muoversi senza sosta. Come abbiamo già detto, seppur la natura debole dei legami ad idrogeno, essi sono presenti in altissima quantità, in maniera tale da permettere all’acqua di mantenere una conformazione compatta e coesa.

La presenza di così tanti legami ad idrogeno, permette alla massa d’acqua di solidificare a basse temperature, e di permettere alle molecole di distribuirsi spazialmente formando una struttura simile ad un reticolo cristallino. All’interno di tale struttura, fra la disposizione delle molecole d’acqua, vengono intrappolate anche numerose bolle d’aria, la presenza delle quali permetterà al ghiaccio di avere una densità inferiore rispetto a quella dell’acqua a temperatura ambiente, e perciò anche di galleggiare su di essa.

Tali legami ad idrogeno risultano essere importanti anche per l’elevata intensità superficiale presente sull’acqua, essi infatti permettono alle molecole più superficiali di instaurare una fitta rete di interazioni, così da permettere a numerosi insetti di poter muoversi o sostare sulla superficie di un specchio d’acqua, senza però affondare. Tali legami ad idrogeno, permettono anche l’effetto di capillarità all’interno delle piante. Esse infatti, al loro interno, hanno una fittissima rete di vasi linfatici al cui interno scorre acqua (detta Linfa, in questo caso specifico), ovvero piccoli condotti mantenuti uniti dalla presenza di legami ad idrogeno.

Capacità dell'acqua di stabilizzare la temperatura

Quando un liquido, in questo caso l’acqua, viene riscaldato, viene fornita energia cinetica (sotto forma di calore) alle singole molecole, in maniera tale che esse comincino ad eccitarsi ed inizino ad evaporare. Nel momento in cui viene fornito calore al liquido, l’energia cinetica da esso portata viene utilizzata per permettere la rottura e la formazione di nuovi legami fra le molecole presenti. In primis quindi, piuttosto che essere finalizzato unicamente all’evaporazione, il calore fornito permette di eccitare le molecole, che di conseguenza, a seguito di un continuo rifornimento di calore, permetteranno il processo di evaporazione vero e proprio. Da ciò è facilmente intuibile che l’acqua possegga un proprio calore specifico ed un’alta capacità termica. Queste caratteristiche dell’acqua quindi, saranno necessarie per intendere la facoltà del liquido di stabilizzare la temperatura. Come detto in precedenza, tutte le cellule dell’organismo contengono una buona quantità d’acqua, e sarà colei che permetterà il mantenimento della temperatura corretta di essa.

All’interno di ogni singola cellula, avvengono numerosissimi processi volti alla produzione di energia e di calore, che verrà completamente assorbito dall’acqua presente e funzionerà quindi da "tampone termico" per la cellula e le sue funzionalità. L’acqua però, come è normale che sia, nel momento in cui acquista troppo calore deve necessariamente evaporare, dando così vita ad un processo molto importante per il corpo umano. L’elevato calore di evaporazione permette all’organismo di far evaporare anche il sudore, fornendo così acqua che, evaporando, permetterà di raffreddare il comparto epidermico sottostante.

Capacità come solvente

Grazie alla presenza del dipolo elettrico (che sappiamo essere negativo per l’O e positivo per i due H) l’acqua è in grado di svolgere il ruolo di solvente sia nel caso di specie cariche positivamente che specie cariche negativamente. Solubilizzare una qualsiasi specie chimica consiste quindi nel ricoprire interamente la molecola di soluto con quelle del solvente, andando quindi a variare la disposizione dei suoi legami interni e lo stato di aggregazione della molecola stessa.

L’esempio più lampante e comune, risulta essere quello del cloruro di sodio (NaCl, ovvero il semplice sale da cucina) messo in acqua. Il primo risulterà essere il soluto, mentre il secondo sarà il solvente. Nel momento in cui si immerge NaCl in H₂O, le molecole di quest’ultima ricopriranno interamente le molecole di NaCl e tenderanno a rompere i legami presenti, andando a dissolvere il sale in acqua e cambiando anche la sua conformazione. Questo processo avviene unicamente nel caso di molecole polari, ovvero con differenza di elettronegatività.

Nel caso in cui abbiamo dei complessi apolari (ovvero completamente insolubili in acqua), quando esse entrano in contatto con l’acqua, tramite emulsione si formeranno delle piccole goccioline che rimarranno sempre e comunque ben divise e distinguibili rispetto alle molecole dell’acqua (esempio più calzante acqua+olio).

A seguito di questa netta distinzione fra molecole polari e non, sappiamo che in natura esistono molecole in cui coesistono porzioni polari con porzioni apolari, e tali specie chimiche prendono il nome di anfipatiche. L’esempio più lampante di queste specie chimiche con questo duplice comportamento, risultano essere i fosfolipidi che compongono il doppio strato della membrana cellulare (oltre alle micelle di alcune sostanze, come per esempio il latte). Tale membrana cellulare risulta essere quindi di natura lipofilica, con un duplice comportamento in base alla compagine che si osserva: essa sarà idrofilica nella sua compagine interna ed idrofobica in quella esterna. La membrana quindi permette un filtraggio di numerosi composti sia in entrata che in uscita, non solo grazie alla sua natura anfipatica, ma anche grazie alla sua composizione lipofilica; essa infatti sarà completamente per le specie polari come gli ioni, mentre sarà meno rigida e severa con piccole specie chimiche polari, ma comunque completamente prive di carica.

Da ciò è facile intuire che grosse molecole polari come l’acqua o l’etanolo non riescano a superare la barriera rappresentata dalla membrana plasmatica, cosa che invece sarà consentita a molecole come la CO₂ e l’ossigeno. La membrana plasmatica però, non è composta unicamente da fosfolipidi, essa intatti contiene numerose altre molecole dette polimeriche (come proteine, acidi nucleici e simili). Nel caso di questo specifico tipo di molecole, esse andranno incontro ad un processo di idrolisi, ovvero il processo inverso alla condensazione che ne permette la formazione, che è necessario per la degradazione della catena polimerica che si è formata. In tale processo di idrolisi, l’acqua tende a spezzare i legami presenti fra i monomeri della catena, andando così a degradare tutta la molecola polimerica che ha colpito.

Autoassemblaggio macromolecole

Tali molecole polimeriche precedentemente nominate, hanno necessità quindi che si formino delle interazioni fra i singoli monomeri, che poi andranno a costituire la catena polimerica. Nel caso particolare delle proteine, esse sono catene polimeriche costituite da amminoacidi, i quali si legano fra loro al livello del ribosoma.