Appunti citologia

Citologia

La materia vivente comprende diversi componenti: alcune organiche, come i glucidi, i lipidi, i protidi e gli acidi nucleici e altre inorganiche come acqua e sali minerali.

Glucidi

I glucidi o i carboidrati sono composti formati da carbonio idrogeno e ossigeno e rappresentano la principale fonte di energia per le cellule animali e vegetali. Vengono distinti in monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi.

I monosaccaridi comprendono i glucidi che non possono essere idrolizzati in composti più semplici. I più importanti possiedono 5 atomi di carbonio, come ribosio e deossiribosio, oppure 6, come il glucosio. Oltre a gruppi ossidrilici, essi contengono un gruppo aldeidico o chetonico.

I monosaccaridi assumono forma ciclica grazie a cui vengono a formarsi degli isomeri, ovvero molecole con gli stessi atomi ma diversa disposizione spaziale.

Tra gli oligosaccaridi che sono costituiti da due a dieci monosaccaridi, si possono citare il maltosio, il lattosio e il saccarosio, disaccaridi con funzioni energetiche che vengono introdotti per via alimentare.

• Il maltosio deriva infatti dall’idrolisi parziale dell’amido.
• Il lattosio è lo zucchero del latte ed è costituito dall’unione di una molecola di glucosio con una di galattosio.
• Il saccarosio invece è lo zucchero della canna ed è formato dall’unione di glucosio e fruttosio.

Tra i polisaccaridi si distinguono gli omopolisaccaridi, costituiti da identiche unità monosaccaridiche, e eteropolisaccaridi, formati da unità diverse tra loro.

L’amido, costituito da amilosio e amilopectina, costituisce una delle principali forme di deposito di energia delle piante. Il glicogeno invece, formato da glucosio, è il punto di partenza di molte vie metaboliche degli organismi animali.

Ci sono poi i glicosamminoglicani (GAG), o mucopolisaccaridi, che sono lunghe catene polisaccaridiche non ramificate. Il nome deriva dal fatto che uno dei due zuccheri presenta sempre un gruppo amminico (NH₂) in sostituzione al gruppo ossidrilico.

I GAG son ricche di gruppi acidi, tra cui si trovano l’acido ialuronico, il dermatansolfato e l’eparina. I GAG svolgono un ruolo fondamentale per la struttura e la funzione di molti tessuti; sono infatti i costituenti essenziali della sostanza intercellulare amorfa dei tessuti connettivi, dove spesso si legano con proteine per formare proteoglicani.

I proteoglicani, o mucoproteine, sono molecole formate da GAG (95%) e proteine (5%), hanno quindi una più alta percentuale di carboidrati rispetto alle glicoproteine.

Le glicoproteine sono una componente essenziale delle membrane plasmatiche; si tratta di proteine coniugate il cui gruppo prostetico è un oligosaccaride. Glicoproteine di superficie sono gli antigeni che costituiscono il gruppo sanguigno e gli antigeni di isocompatibilità. La fibronectina è una glicoproteina della matrice extracellulare che promuove l’adesione cellulare. Glicoproteine extracellulari sono anche la condronectina della cartilagine e la laminina delle membrane basali.

Lipidi

I lipidi sono composti organici caratterizzati da un’elevata solubilità nei solventi organici e dalla non solubilità in acqua. Vengono detti semplici quando derivano dalla condensazione di lipidi non idrolizzabili ed eventuali aldeidi a basso peso molecolare come il glicerolo. Sono invece detti complessi se contengono anche altri residui derivati da molecole non lipidiche a carattere ionico o fortemente idrofilo quali acido fosforico, amminoacidi e polisaccaridi.

La maggior parte dei lipidi semplici deriva dall’esterificazione di acidi grassi con alcol di varia natura. Dall’esterificazione con alcoli superiori monovalenti si ottengono le cere, da quella con il glicerolo i gliceridi e da quella con gli steroidi gli esteri e gli steroidi.

I gliceridi costituiscono la classe principale dei lipidi semplici e si suddividono in monogliceridi, digliceridi e trigliceridi. I trigliceridi costituiscono la forma principale di deposito di materiale energetico in molti organismi. I lipidi semplici, dal carattere idrofilico, tendono a depositarsi nel citoplasma sotto forma di piccole gocce isolate.

I lipidi complessi sono caratterizzati dalla presenza di residui nettamente idrofilici che attribuiscono a questi composti un carattere anfipatico. Le molecole anfipatiche vengono utilizzate nella costruzione delle diverse strutture cellulari poiché sono in grado di interagire contemporaneamente sia con il mezzo acquoso sia con compartimenti cellulari caratteristicamente idrofilici. I lipidi complessi sono quindi costituiti da una testa polare idrofoba e due code a polari idrofile, costituite da catene di acidi grassi insaturi.

I lipidi complessi vengono distinti in fosfolipidi (residuo di acido fosforico) e glicolipidi (residui di mono- e oligosaccaridi). Sono fosfolipidi le lecitine e le cefaline, mentre sono glicolipidi i cerebrosidi e i gangliosidi. In base alla struttura della parte idrofobica, i lipidi complessi vengono anche distinti in fosfolipidi, comprendenti i fosfolipidi derivati dall’acido fosfatidico e gli sfingolipidi. Tutti i lipidi complessi possiedono due lunghe catene alifatiche apolari (sature o insature) e un gruppo più o meno voluminoso avente carattere fortemente idrofilo per la presenza di gruppi ionizzati con cariche negative e/o positive.

I lipidi complessi, posti in acqua, tendono a formare micelle o un doppio strato lipidico in cui le code apolari stanno all’interno mentre le teste sono poste a contatto con l’acqua. Questo doppio strato lipidico costituisce la struttura fondamentale delle membrane biologiche di cui i lipidi complessi sono, con le proteine, i costituenti principali.

I liposomi, o le micelle, vengono utilizzati per il processo di trasfezione. Del DNA circolare di origine batterica, o DNA plasmidico, viene inserito nel liposoma, il quale si inserisce nel citoplasma della cellula ospite e deposita il DNA batterico nel genoma cellulare.

Proteine

Le proteine, o protidi, sono composti che fanno parte di tutte le strutture viventi e intervengono in tutte le funzioni degli organismi. Una singola catena proteica può essere costituita da un numero di amminoacidi variabile da cento a una decina di migliaia.

Le proteine costituite esclusivamente da amminoacidi si chiamano semplici; altre proteine, dette coniugate, contengono, oltre a catene di amminoacidi che formano il gruppo proteico, anche molecole di natura diversa, che formano il gruppo della proteina. Sono gruppi prostetici gli ioni metallici e alcune vitamine.

Nelle proteine naturali gli amminoacidi sono sempre presenti nella forma L; le forme D non vengono utilizzate per la produzione delle proteine, ma sono presenti in alcuni piccoli polipeptidi che presentano azione antibiotica.

Gli amminoacidi sono sostanze anfotere, in quanto contengono almeno un gruppo funzionale acido (carbossilico) e uno basico (amminico). In soluzione acquosa gli amminoacidi possono essere in forma cationi, anioni o anfoioni.

Una proteina è formata da una lunga catena di amminoacidi uniti tra loro con legame peptidico, che si forma per condensazione del gruppo carbossilico di un amminoacido con il gruppo amminico del successivo. La sequenza degli amminoacidi nella catena polipeptidica rappresenta la struttura primaria che è specifica per ogni proteina. La struttura primaria condiziona la configurazione spaziale e la forma globale della molecola, dalle quali poi dipendono le sue proprietà biologiche.

Tuttavia, mentre la sostituzione anche di un solo amminoacido, in certi punti della molecola, porta alla completa inattivazione funzionale della stessa, sostituzioni in altre posizioni non hanno effetti analoghi. Ciò indica che le funzioni di una proteina non dipendono soltanto dalla natura chimica dei suoi costituenti, ma anche dalla loro localizzazione in determinati punti della molecola.

Nel legame peptidico solo il gruppo carbossilico è situato su un piano fisso, mentre le restanti parti della molecola possono avere un certo grado di libertà. Tuttavia, la configurazione molecolare viene stabilizzata in un assetto definitivo, detto struttura secondaria. Le principali strutture secondarie regolari sono la configurazione tipo β-cheratina (o a fisarmonica o foglietti β) e tipo elica. La struttura tipo β-cheratina, caratteristica delle molecole proteiche fibrose, origina dallo stabilirsi di legami a idrogeno tra gruppi carbonilici e amminici dei residui amminoacidici. La struttura α-elica si forma spontaneamente.

Un tipo particolare di struttura secondaria è il tropocollagene, costituito da tre filamenti polipeptidici che si organizzano in una configurazione elicoidale. Molte proteine presentano una configurazione spaziale più complessa, detta terziaria. Essa viene determinata non solo da legami a idrogeno tra i gruppi peptidici ma anche da una serie di altri legami di varia natura.

• Legami di tipo ione-ione e ione-dipolo
• Legame dipolo-dipolo
• Forze di Van der Waals
• Interazioni non polari

Alla stabilizzazione della struttura terziaria possono contribuire i ponti disolfuro. Le proprietà chimico-fisiche e biologiche di una proteina dipendono dall’integrità della struttura terziaria; infatti, la funzione esplicata da una proteina è una conseguenza della specificità dei rapporti che essa contrae con altre molecole. Alcune proteine sono costituite da più catene polipeptidiche associate tra loro a formare un complesso proteico dotato di una struttura spaziale detta struttura quaternaria. L’emoglobina ne è un esempio, essendo costituita da quattro catene polipeptidiche a due a due uguali.

Enzimi

Gli enzimi sono proteine, vengono sintetizzati sotto controllo genetico e regolano le reazioni metaboliche cellulari. I processi biochimici che consentono ai viventi di accrescersi sono detti anabolici e sono da considerarsi reazioni endoergoniche in quanto hanno luogo con il consumo di energia che proviene dall’ambiente sotto forma di energia chimica contenuta negli alimenti. Le molecole alimentari vengono degradate e liberano così l’energia contenuta nei loro legami; queste reazioni demolitive sono definite cataboliche ed esoergoniche in quanto forniscono energia. L’insieme delle reazioni anaboliche e cataboliche costituisce il metabolismo.

Generalmente le reazioni chimiche non avvengono spontaneamente, ma necessitano di energia. La quantità di calore che è necessario fornire al sistema viene denominata energia di attivazione. Le sostanze in grado di abbassare questa energia di attivazione prendono il nome di catalizzatori, mentre il processo teso ad abbassare l’energia è detto catalisi. Tuttavia, gli enzimi possono catalizzare solamente reazioni favorite da un punto di vista termodinamico ma non possono far avvenire una reazione impossibile. Inoltre, un enzima non può cambiare la direzione di una reazione così come non può influire sul suo equilibrio.

Molti enzimi, oltre alla componente proteica detta apoenzima, presentano una componente non proteica, il coenzima, necessario per lo svolgimento dell’attività catalitica. Ciascun enzima si lega a una sola o a poche specie molecolari e catalizza un solo tipo di reazione biochimica. In base al tipo di reazione catalizzata, gli enzimi si classificano in:

• Ossidoreduttasi
• Transferasi
• Idrolasi
• Sintetasi
• Isomerasi
• Liasi

Acidi nucleici

Esistono due tipi di acidi nucleici: l’acido deossiribonucleico e l’acido ribonucleico. Gli acidi nucleici sono definiti polinucleotidi in quanto sono formati dall’unione di numerose unità semplici, dette nucleotidi. Ogni nucleotide è a sua volta formato da una base azotata, uno zucchero pentoso e un radicale fosforico. Nel DNA il pentoso è il deossiribosio, nell'RNA il ribosio. Le basi azotate appartengono a due categorie: le pirimidiniche e le puriniche. Le prime sono costituite da un solo anello e comprendono la timina, la citosina e l’uracile; le seconde sono formate da due anelli e comprendono l’adenina e la guanina.

Al carbonio 1 dello zucchero si lega una delle basi azotate e il composto prende il nome di nucleoside. Per formare il nucleotide, il radicale fosforico si lega allo zucchero tramite carbonio 5. Nucleosidi di- e trifosfato si possono trovare liberi nella cellula. Ne sono un esempio i sistemi adenosin-difosfato e adenosin-trifosfato, nucleotidi formati da adenina, ribosio e due (ADP) o tre (ATP) radicali fosforici legati allo zucchero.

Negli acidi nucleici, l’unione tra due nucleotidi avviene grazie a legami di esteri fosforici presenti tra l’ossidrile del carbonio 5 di uno zucchero e l’ossidrile del carbonio 3 dello zucchero successivo. La struttura primaria degli acidi nucleici è caratterizzata dalla sequenza dei nucleotidi allineati a formare il polinucleotide. La struttura secondaria, ovvero la disposizione spaziale dei polinucleotidi, è diversa tra DNA e RNA. Il DNA risulta formato da due filamenti polinucleotidici antiparalleli tra loro e avvolti a formare una struttura secondaria a doppia elica; l’RNA è un singolo filamento polinucleotidico avvolto su se stesso in giri elicoidali.

Nella doppia elica del DNA i due filamenti che si avvolgono sono costituiti da catene zucchero-fosfato orientate in direzioni opposte; questi filamenti esterni sono detti scheletri e costituiscono la porzione invariabile del DNA. I filamenti antiparalleli sono mantenuti a regolare distanza da basi azotate che sporgono dagli scheletri verso il centro della doppia elica. Queste basi si collegano tra loro con legami a idrogeno la cui rottura permette ai due filamenti di DNA di separarsi e di funzionare da stampo. L’appaiamento delle basi, adenina con timina e guanina con citosina, rende i due filamenti complementari, per cui il meccanismo di autoduplicazione viene detto semiconservativo.

Poiché la molecola di DNA può raggiungere enormi lunghezze, è particolarmente adatta a trasmettere una grande quantità di informazioni genetiche. A livello strutturale le proteine si distinguono fra loro per la sequenza degli aminoacidi che le costituiscono. Ciascuna proteina è codificata sul DNA sotto forma di sequenze nucleotidiche corrispondenti a quelle degli amminoacidi della proteina. Gli aminoacidi vengono codificati attraverso triplette di nucleotidi. Le triplette di nucleotidi caratteristiche di ciascun amminoacido prendono il nome di codoni.

Le lunghe molecole di DNA della cellula contengono nei codoni l’informazione per tutte le proteine cellulari. Il tratto di DNA che contiene l’informazione per un’intera proteina è detto gene strutturale, esso entra in attività trascrivendo un mRNA sul quale avviene poi la sintesi della proteina. Il DNA può subire una serie di modificazioni chimiche e strutturali importanti per la regolazione delle sue funzioni. Una delle modificazioni più frequenti è l’aggiunta di un gruppo metilico alla citosina, che negli eucarioti potrebbe rappresentare un meccanismo di inattivazione genica.

L’RNA, a differenza del DNA, consta di un solo scheletro di zucchero-fosfato dal quale sporgono basi azotate. Le molecole di RNA sono trascritte dal DNA con l’intervento della RNA polimerasi; la trascrizione ha inizio con l’apertura della doppia elica del DNA, di cui un solo filamento funge da stampo. I principali tipi di RNA sono l’RNA messaggero, RNA transfer e RNA ribosomiale. Vi sono poi anche l’RNA primer, coinvolto nella duplicazione del DNA e i piccoli RNA nucleari che partecipano ai processi di maturazione degli RNA citoplasmatici.

Gli mRNA, negli eucarioti, si trovano solo nel citoplasma, sono costituiti da filamenti contenenti tanti codoni quanti sono gli amminoacidi delle proteine codificate da ciascun mRNA. Il tRNA trasferisce ai ribosomi i vari amminoacidi che formano le proteine. Una molecola di tRNA ha una tipica struttura a trifoglio con anse alternate a tratti a doppia elica.

L’estremità 3’ del filamento di RNA sopravanza quella 5’ di tre nucleotidi: questa tripletta rappresenta il sito accettore dell’amminoacido. Le due anse presenti sui due lati della zona centrale, detta ansa T e ansa D, svolgono un ruolo importante nel riconoscimento del tRNA ad opera del ribosoma e dell’amminoacil-tRNA sintetasi. La parte più caratteristica è l’ansa centrale, detta dell’anticodone, che contiene una sequenza di tre basi complementare a uno o più codoni specifici per l’aminoacido legato al tRNA.

L’rRNA è un costituente dei ribosomi, organuli adibiti alla sintesi delle proteine. Ciascun ribosoma è formato da due subunità diseguali, la minore delle quali contiene una molecola di rRNA, mentre la maggiore ne contiene due o tre diverse tra loro. La forma della subunità minore è descrivibile come un corpo principale ovoidale unito ad una testa tondeggiante da un collo più sottile.

La subunità maggiore presenta una faccia connessa e una faccia piana da cui sporgono tre regioni. Le due subunità sono osservate tra loro nel solo momento in cui i ribosomi sono attivi nella sintesi proteica. Nella subunità maggiore sono presenti due diversi siti funzionali: un sito A su cui si va a localizzare l’RNA transfer con l’aminoacido corrispondente e un sito P su cui si localizza la catena polipeptidica in formazione. La sintesi proteica richiede l’attivazione degli aminoacidi ad opera dell’amminoacil-tRNA sintetasi che lega gli aminoacidi ai rispettivi tRNA. Il processo di biosintesi proteica avviene sui ribosomi e si divide in tre fasi:

• Fase di inizio: permette ai ribosomi di iniziare la lettura dell’mRNA dal codone AUG di inizio. L’inizio della sintesi proteica presenta delle differenze tra procarioti ed eucarioti. Gli mRNA dei batteri presentano dei siti di legame per i ribosomi a cui si lega la subunità 30S che fa adottare uno specifico tRNA di inizio. Negli eucarioti, invece, la subunità minore 40S si lega al cappuccio, una struttura presente all’estremità