Appunti biochimica

La cellula

La cellula è l'elemento fondamentale di ogni organismo vivente; le sue caratteristiche sono di essere in grado di vivere autonomamente e di riprodursi. Esistono due grandi classi di cellule:

• Procarioti
• Eucarioti

La maggiore differenza tra le cellule dei procarioti rispetto agli eucarioti sta nel fatto che i procarioti presentano il materiale genetico libero nel citoplasma, mentre negli eucarioti esso si trova segregato all'interno del nucleo circondato da membrana.

Caratteristiche dei procarioti

I procarioti (batteri ed alghe verdi) sono gli organismi più diffusi sulla terra; le cellule procariotiche, oltre ad essere molto più piccole rispetto a quelle eucariotiche, presentano una struttura interna molto semplice. Il loro DNA si trova concentrato in una regione del citoplasma, senza essere delimitato da alcuna membrana. Sono cellule prive di organuli ad eccezione dei ribosomi, all'interno dei quali vengono sintetizzate le proteine.

È presente la membrana plasmatica, costituita da un doppio strato lipidico e proteine, avente il compito di regolare gli scambi con la cellula e l'esterno ed impedire il passaggio di ioni inorganici e molecole cariche o polari. Il contenuto interno racchiuso dalla membrana è definito citoplasma, composto dalla soluzione acquosa citosol e da molte particelle come i cromosomi; questi consistono in una sola molecola di DNA circolare che è condensato a formare un corpo detto nucleoide. Inoltre, è presente la parete cellulare.

Caratteristiche degli eucarioti

La cellula degli organismi eucarioti ha un volume maggiore rispetto a quella dei procarioti ma il carattere distintivo è la presenza della membrana cellulare, del nucleo e di altri organelli ben delimitati dal citosol.

Il tratto distintivo della cellula vegetale è la presenza del cloroplasto e della parete cellulare. La parete cellulare è costituita dal 90% di carboidrati (cellulosa) ed il resto da proteine (glicoproteine). Le cellule adiacenti sono connesse tra loro per mezzo di plasmodesmati che consentono il passaggio di molecole molto piccole. Queste strutture legano le varie cellule vegetali a formare un compartimento nel quale i metaboliti possono circolare per diffusione (simplasto); lo spazio delimitato tra le cellule è chiamato apoplasto.

La membrana plasmatica

La membrana regola gli scambi tra l'interno e l'esterno della cellula con funzione di filtro selettivo capace di mantenere concentrazioni di ioni diverse fra interno ed esterno e di lasciare entrare le sostanze nutritive, facendo uscire i rifiuti: ciò permette di mantenere le condizioni in cui possono svolgersi le attività metaboliche. Analogamente, le membrane interne che delimitano gli organelli (mitocondri, nucleo...) controllano il passaggio di sostanze differenti tra i comparti cellulari, regolando così l'ambiente interno.

La componente maggiore della membrana sono i fosfolipidi, ma sono presenti anche stereoidi e glicolipidi che si dispongono spontaneamente con le estremità idrofobiche rivolte verso l'interno; questa struttura funge da barriera per la maggior parte delle molecole biologiche solubili in acqua e per gli ioni inorganici. Il passaggio di questi composti sarà consentito dalle proteine senza che avvenga l'incontro con il doppio strato lipidico. La membrana non è rigida ma fluida ed è tenuta insieme da un collante composto da stereoidi e soprattutto da colesterolo.

Organelli cellulari

Il citosol

Il citosol è la sostanza gelatinosa che, assieme agli organelli, costituisce il citoplasma. All'interno del citosol si svolge gran parte del metabolismo cellulare. Esso costituisce il 50% del volume di una cellula e contiene proteine enzimatiche che catalizzano varie reazioni come la demolizione degli zuccheri e la sintesi dei grassi.

Il vacuolo

Rappresenta il magazzino delle sostanze tossiche della cellula.

Il nucleo

Il nucleo è un grosso organulo delimitato da un involucro nucleare costituito da due membrane, ognuna delle quali è un doppio strato fosfolipidico. È l'organulo che racchiude il materiale genetico, cioè quello che è in grado di conservare l'informazione biologica. All'interno del nucleo il DNA si trova organizzato, a seconda della fase in cui si trova la cellula, in strutture dette cromosomi o in una forma meno organizzata, detta cromatina.

La membrana esterna del nucleo è spesso associata al reticolo endoplasmatico. L'involucro nucleare racchiude un'altra struttura a elevato grado di organizzazione: il nucleolo, nel quale avviene l'assemblaggio di tutti i ribosomi della cellula.

Il mitocondrio

I mitocondri sono presenti solo all'interno di organismi aerobi. All'interno di questi organelli avviene la sintesi dell'ATP (energia necessaria per molte funzioni cellulari), essi infatti contengono enzimi necessari per far avvenire le reazioni chimiche che recuperano l'energia contenuta nelle molecole organiche e l'accumulano nell'adenosintrifosfato (ATP), nelle quali si conserva concentrata e pronta all'uso. I mitocondri hanno una forma a bastoncello delimitata da due membrane a doppio strato lipidico, altamente selettive; la membrana esterna è liscia, quella interna forma numerose pieghe, dette creste. Tra le due membrane vi è lo spazio intermembrana e lo spazio della matrice in cui sono immersi enzimi, coenzimi, acqua, fosfati e altre molecole; all'interno di questa vi è inoltre il DNA mitocondriale per la sintesi di alcune proteine. La membrana esterna è più permeabile di quella interna, la membrana interna, invece, ha una permeabilità molto selettiva.

Cloroplasto

Il cloroplasto è un organello delimitato da una doppia membrana che racchiude una matrice amorfa e idrofila detta stroma. Lo stroma è attraversato da un sistema di lamelle dette tilacoidi, che vengono distinte in: tilacoidi stromatici e tilacoidi dei grana. All'interno di ogni tilacoide è presente un compartimento detto lumen. I cloroplasti sono la sede della fotosintesi, infatti contengono al loro interno la clorofilla, pigmento responsabile della loro colorazione verde.

Lisosomi

I lisosomi sono vescicole che si formano nell'apparato di Golgi, e sono sacchetti membranosi che racchiudono enzimi idrolitici in grado di demolire le grandi molecole.

Perossisomi

I perossisomi sono organelli caratterizzati da una sola membrana che contengono le catalasi, enzimi specializzati per effettuare reazioni ossidative, che impiegano l'ossigeno molecolare. Il perossisoma è il principale sito di utilizzazione dell'ossigeno nella cellula assieme al mitocondrio. Questi organelli sono importanti anche nel neutralizzare le sostanze tossiche di numerose molecole e si trovano soprattutto nelle cellule del fegato e del rene. Uno dei prodotti delle diverse reazioni è il perossido di idrogeno, composto estremamente tossico per la cellula, però la catalasi, contenuta all'interno dei perossisomi, converte rapidamente questa sostanza in acqua e ossigeno.

Parete cellulare

La parete cellulare riveste la membrana cellulare ed impartisce rigidità alla cellula ed è costituita principalmente da cellulosa e carboidrati. Nelle piante legnose al suo interno è presente anche la lignina, che impartisce ulteriore rigidità; la lignina è un polimero fenolico insolubile in acqua.

Vacuolo

Le cellule vegetali contengono uno o più vacuoli, che vengono utilizzati per immagazzinare i nutrienti. Questo organello, come i lisosomi nelle cellule animali, ha un pH interno acido mantenuto da una pompa di H+ nella membrana e contiene diversi enzimi degradativi. Nella cellula vegetale c'è un unico grande vacuolo che svolge una funzione importante nel potenziale idrico della pianta; quando una pianta appassisce le dimensioni del vacuolo sono ridotte per la perdita di acqua.

Macromolecole nella cellula

La cellula produce macromolecole, procedendo in percorsi che portano alla sintesi di piccoli monomeri uniti da legami covalenti in strutture superiori. Queste macromolecole sono poi tenute insieme in strutture sopramolecolari da legami molto più deboli come i legami idrogeno, le interazioni ioniche o le forze di van der Waals. La cellula è un sistema isotermico (deve mantenere costante la sua temperatura) che estrae energia dall'ambiente circostante.

Fondamenti chimici

Solo circa 30 degli elementi in natura sono indispensabili per gli organismi viventi. Il 90% della massa della maggioranza della cellula è composta da H, O, N e C. Nel citosol ci sono un migliaio di piccole molecole che rappresentano i metaboliti dei processi metabolici che avvengono in quasi tutte le cellule. Il metaboloma è l'insieme delle molecole in una cellula e la metabolomica è la scienza che studia i prodotti che risultano dalle reazioni chimiche che avvengono nelle cellule: i metaboliti.

Fondamenti di fisica

Gli organismi viventi e la cellula debbono compiere un lavoro per vivere e riprodursi. Una reazione chimica è un sistema costituito dai reagenti, i prodotti compreso il solvente e l'atmosfera (sistema + ambiente = universo). Il sistema può essere:

• Isolato -> nessuno scambio
• Chiuso -> scambia energia e non materia
• Aperto -> scambia energia e materia (cellula)

I sistemi viventi sono sistemi aperti. La cellula ha bisogno di energia per compiere il lavoro chimico che le permetta di accrescersi; tale energia la trae dalle reazioni chimiche, anche se una parte di essa verrà persa sotto forma di calore. Sia le cellule vegetali che quelle animali demoliscono i composti assunti durante la nutrizione per trarne energia e ottenere materiale inorganico (CO₂, H₂O...), dunque durante il processo di demolizione si passa da composti ordinati a composti disordinati, ciò porta ad un aumento di entropia e dunque la reazione sarà favorita. La maggior parte degli organismi trae energia (in maniera diretta o indiretta) dal sole mediante il processo di fotosintesi; gli organismi non fotosintetici ricavano l'energia di cui hanno bisogno ossidando i prodotti della fotosintesi e trasferendo gli elettroni all'ossigeno mediante il processo di respirazione.

L'acqua

• È il solvente più abbondante di tutti gli organismi viventi.
• È uno dei solventi con più alto valore del punto di ebollizione (100°C) e di fusione (0°C) e queste proprietà sono indotte dai legami idrogeno che si creano tra le molecole di acqua e con altre molecole biologiche.
• È un solvente estremamente polare.
• Può dissociare i sali.
• Interagisce con i soluti formando ponti a idrogeno e rompendo i legami ionici.
• L'acqua dispone di un'elevata capacità di dissoluzione degli ioni, forma un guscio idratato che scherma lo ione nel suo centro rendendolo incapace di riconoscere ioni di carica opposta.

Composti biologicamente importanti

Carboidrati

I carboidrati sono composti organici costituiti da C, H e O e sono chiamati anche zuccheri, saccaridi o glucidi. Sono polialcoli con funzione chetonica o aldeica (tutti i carboni sono legati ad un OH tranne uno che è un aldeide, aldosi, o un chetone, chetosi). Si dividono in: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Lipidi

I lipidi sono una classe di sostanze molto eterogenee, possono essere raggruppati in: cere (esteri di acidi carbossilici), gliceridi e fosfogliceridi (esteri del glicerolo), colesterolo e suoi derivati, derivati della sfingosina. Dunque i lipidi sono derivati esteri o ammidici degli acidi grassi. Gli acidi grassi sono acidi carbossilici di alcani, alcheni o polieni con 10-20 atomi di carbonio. Gli acidi grassi della serie "omega" 6 e 3 sono definiti essenziali in quanto non esiste nelle cellule animali un sistema enzimatico capace di introdurre doppi legami in queste posizioni a partire dal corrispondente acido saturo e vengono quindi assunti tramite l'alimentazione. Gli acidi grassi sono molto abbondanti negli organismi viventi come costituenti dei lipidi complessi.

Per quanto riguarda le proprietà fisiche gli acidi grassi saturi hanno un punto di ebollizione più alto, questo è dovuto al fatto che gli acidi grassi saturi possono impacchettarsi strettamente mentre gli acidi grassi insaturi non possono impacchettarsi come i saturi. Tali composti sono caratterizzati da una testa idrofilica e una coda idrofobica, per questo motivo in presenza di acqua tendono ad organizzarsi in strutture dette micelle in cui le teste polari idrofiliche sono a contatto con l'acqua mentre le code idrofobiche apolari (catene idrocarburiche) sono in contatto tra di loro. I lipidi sono i componenti strutturali della membrana e la classe di biomolecole più suscettibile all'attacco dei radicali. I radicali sono sostanze che ossidano le altre molecole per strappargli un elettrone ed ottenere stabilità; l'ossigeno forma radicali che possono muoversi liberamente ma che trovano come ostacolo la membrana.

Gli acidi grassi sono suscettibili all'attacco dei radicali, i quali provocano la reazione di perossidazione in cui viene strappato un elettrone all'acido grasso che si trasforma in radicale, a seguito di ciò vengono formati prodotti secondari tossici o cancerogeni e l'acido grasso non potrà più svolgere la sua funzione di struttura della membrana, dunque la membrana non potrà più regolare gli scambi. Gli acidi grassi sono acidi deboli e nei lipidi sono legati al glicerolo (con legame estereo) o alla sfingosina (con legame amminico).

Nucleotidi

Sono i costituenti base degli acidi nucleici (DNA e RNA), ma anche di coenzimi come NAD, FAD, ATP. Sono costituiti da:

• Una base azotata
• Un pentoso
• Una molecola di acido fosforico

Il nucleoside è un composto formato da: base azotata e uno zucchero con N-glicosidico. Il nucleotide è un composto costituito da: una base azotata + uno zucchero + gruppo fosfato esterificato con il gruppo alcolico in posizione 5’ dello zucchero. L'adenosina trifosfato è il composto comunemente noto con il termine di ATP; l'importanza biologica di tale composto è correlata con l'elevata quantità di energia libera rilasciata dalla rottura dei legami fosfoanidridici. L'idrolisi dell'ATP produce un gruppo fosfato libero e l'adenosin bifosfato.

I legami ad alta energia sono legami la cui idrolisi procede con una grande diminuzione di energia libera. I principali nucleotidi sono l’ATP e il NAD, quest’ultimo è costituito da una base adenina legata ad uno zucchero, legato ad un gruppo fosfato legato a sua volta ad un nucleotide con un legame fra i due gruppi fosfati. Il ruolo cellulare del NAD (nicotinammide adenin dinucleotide) può cedere e acquisire elettroni e protoni, ne è dunque un trasportatore, ed è coinvolto in reazioni redox di molecole organiche. Esiste nella forma ridotta NADH+H+ e nella forma ossidata NAD+; esiste anche la forma fosforilata (NADP+) di questo composto, dove il gruppo fosfato è a sua volta legato ad un altro gruppo fosfato.

L'RNA è un filamento di base azotata, zucchero e gruppo fosfato che a sua volta si lega con altri nucleotidi attraverso il legame fosfodiestereo. Direzione 5’ -> 3’. All'interno è presente il desossiribosio, uno zucchero modificato. Il DNA è una catena di nucleotidi a due filamenti dovuti alle interazioni tra le basi azotate, legate tramite ponti a idrogeno. I ponti a idrogeno rendono questo composto molecolare ancora più stabile; tra adenina e citosina ve ne sono due, mentre tra guanina e citosina tre.

Membrane cellulari

Le membrane cellulari sono importanti perché delimitano l’organello o la cellula regolandone lo scambio di ioni. Sono selettivamente impermeabili ai soluti polari, il cui passaggio è regolato da appositi trasportatori. Tali membrane sono costituite da: lipidi (glicerofosfolipidi, sfingolipidi, glicosfingolipidi) e proteine tenuti insieme dal colesterolo che ha funzione di collante. L’elemento strutturale è il doppio strato lipidico al cui interno l’orientamento delle proteine è asimmetrico, rendendo così anche la membrana asimmetrica.

Le proteine della membrana possono essere:

• Integrali
• Periferiche: si legano al doppio strato lipidico della membrana
• Anfitropiche: si trovano legate alla membrana o immerse nel citosol; sono proteine polari che interagiscono con la testa apolare del lipide

Le membrane sono estremamente fluide, in questo modo consentono il movimento, al loro interno, delle proteine, inoltre la fluidità consente alle membrane di potersi fondere e dar luogo a dei continuoum. Sulle membrane sono presenti delle sentinelle che hanno il compito di percepire i segnali cellulari, l’unico modo che hanno le cellule per comunicare sono gli organismi chimici.

Con suicidio cellulare si intende la sovrapposizione di radicali all’interno della cellula. Il destino della cellula attaccata è la morte, ed una volta morta la cellula il patogeno si trasferisce su un’altra cellula fino a portare alla morte del tessuto. Affinché ciò non avvenga la prima cellula colpita manda dei segnali sotto forma di radicali alle cellule adiacenti così che le altre cellule muoiano e dunque il patogeno, non potendo attaccarle, muore a sua volta.

Trasporto nelle cellule

All’interno degli organismi viventi avvengono due tipi di trasporto:

• Attivo: richiede energia e può essere primario o secondario
• Passivo: non richiede energia e comporta una diffusione semplice e facilitata