Appunti di Biologia Generale e Cellulare

Introduzione: materia vivente

Tutti gli esseri viventi presentano alcune caratteristiche comuni:

• Complessità: è presente una grande mole di informazione genetica contenuta in macromolecole (DNA o RNA); importante la biodiversità, ovvero la presenza di forme di vita di diverse tipologie, grazie ad essa è possibile preservare la vita e la variabilità genetica.
• Capacità di accrescimento: trasformare sostanze e costruire macromolecole.
• Capacità di riproduzione: sessuata o asessuata, consente la trasmissione dell’informazione genetica attraverso i processi di mitosi e meiosi, che sono alla base della ripartizione del materiale genetico alle cellule figlie.
• Adattamento all’ambiente: un meccanismo dell’evoluzione, assieme alla selezione naturale che consente di selezionare o eliminare organismi che presentano insorgenze di mutazioni casuali che li rendano più o meno adatti ad un certo ambiente.
• Morte: La vita non necessita della continuità degli esseri viventi, consente la presenza di risorse per altri esseri viventi.

L’organizzazione biologica è di tipo gerarchico, ogni livello presenta delle proprietà o caratteristiche, dette "emergenti", non presenti ai livelli inferiori. Ogni livello è basato sul precedente.

Esempio: unità base (nucleotidi, amminoacidi..) < macromolecole < complessi sopra-molecolari (ribosomi, membrane..) < organuli (mitocondri, nucleo..) < cellula.

La teoria cellulare

• Tutti gli organismi sono costituiti da una (unicellulari) o più cellule (pluricellulari).
• La cellula è l’unità base della struttura degli organismi.
• Tutte le cellule sono derivate da cellule preesistenti per divisione cellulare.

Le cellule sono costituite per gran parte di acqua, la quale è il solo composto presente in quantità elevate allo stato liquido sulla terra e ciò è dovuto ad alcune importanti proprietà:

• Polarità: distribuzione disomogenea di cariche (parzialmente negative su O e positive sugli H), consente la formazione di legami idrogeno con altre molecole di acqua. Il numero di legami idrogeno varia in base allo stato di aggregazione: a quello solido si hanno 4 legami, a quello liquido i legami vanno da 1 a 4 in quanto si distruggono e ricompongono in continuazione (a maggiore temperatura si rompono con più frequenza) e a quello gassoso si hanno 0 legami. Il numero di legami determina la densità, è il motivo per cui il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida e quindi galleggia su di essa. La densità massima dell’acqua è a 3,98 °C.
• Forze di coesione (attrazione tra le molecole stesse, capacità di “aggregarsi” in gocce per diminuire l’energia potenziale del sistema) e adesione (interazione con altre sostanze), da cui derivano proprietà quali la tensione superficiale, l’alto punto di ebollizione e la capillarità (capacità di risalire tubi capillari).
• Alto calore specifico (quantità di calore necessaria ad innalzare 1 g di sostanza di 1°C), dovuto alla presenza di grandi quantità di legami idrogeno. Consente il mantenimento di una temperatura costante, in quanto i legami idrogeno “tamponano” l’energia rilasciata dalle cellule, che viene utilizzata per rompere i legami invece che agitare le particelle aumentandone la temperatura.
• Alto calore di evaporazione (quantità di calore necessaria a convertire 1 g di liquido in vapore), dovuto alla presenza di legami idrogeno che vanno rotti per poter far evaporare il composto. L’evaporazione porta con sé grandi quantità di calore, provocando un raffreddamento per evaporazione (esempio: sudorazione).
• Tendenza a dissociarsi in ioni H⁺ e OH^-
• Ottimo solvente, grazie alla propria polarità. Le sostanze in acqua possono avere 3 tipi di comportamento: idrofilia (hanno alta affinità per l’acqua, si sciolgono rapidamente in essa, si formano aloni di idratazione), idrofobico (poca affinità per l’acqua, sostanze apolari che si aggregano nel mezzo acquoso associandosi tra loro ed escludendo le molecole di acqua) e anfipatico (presentano tratti polari, che tendono a disporsi a contatto con l’acqua, e tratti apolari, che tendono ad allontanarsi dal mezzo acquoso).

Macromolecole

Le macromolecole, o molecole organiche, sono ottenute dalla polimerizzazione di piccole molecole organiche (monomeri). La polimerizzazione sequenziale con cui si formano le macromolecole consiste nell’aggiunta di monomeri con eliminazione di una molecola di H₂O (reazione di condensazione). Essa prevede l’aggiunta di monomeri in forma attivata, ovvero accoppiati con un’adeguata molecola di trasporto; l’accoppiamento è consentito dall’idrolisi di ATP (o un composto analogo) che libera energia. Le macromolecole hanno un’intrinseca direzionalità, ovvero i due estremi della catena sono chimicamente differenti. Poiché il processo prevede eliminazione di acqua, ogni monomero possiede un gruppo H⁺ e un gruppo OH^- reattivi.

Le molecole di trasporto per la polimerizzazione sono diverse per ogni polimero, in particolare per quanto riguarda gli acidi nucleici non sono indispensabili. Una volta legati i monomeri, la molecola di trasporto viene rilasciata.

La degradazione delle macromolecole avviene per idrolisi, che consiste nell’aggiunta di H₂O, la quale spezza i legami presenti. In questo modo il gruppo H⁺ reattivo del monomero riceve un OH^-, e il gruppo OH^- reattivo del monomero riceve un H⁺.

Lipidi

I lipidi sono una classe eterogenea di molecole organiche, non ottenuti attraverso polimerizzazione sequenziale. Hanno in comune il fatto di essere idrofobi e solubili in solventi apolari (acetone, benzene, etere, cloroformio..), alcuni sono anfipatici. I lipidi possono essere suddivisi in 4 classi: lipidi semplici, lipidi complessi, steroidi e terpeni (non approfonditi, sono sintetizzati a partire dall'isoprene e di essi fanno parte la vitamina A e i carotenoidi, dei pigmenti vegetali di colore rosso e giallo).

Funzioni dei lipidi:

• Riserva energetica (lipidi di deposito)
• Funzione strutturale (componenti di membrane)
• Trasmissione di segnali (ormoni)
• Isolanti termici
• Vitamine (A, D, E, K)

L’unità base dei lipidi è costituita dagli acidi grassi: acidi monocarbossilici a lunga catena, perlopiù lineari e con numero pari di atomi di carbonio (in quanto la sintesi comprende, ad ogni “stadio”, l’aggiunta di 2 atomi di C; la maggior parte degli acidi grassi ha 16 o 18 atomi di carbonio). Sono costituiti da una lunga catena idrocarburica apolare (e quindi idrofobica) e una testa, il gruppo COOH, polare (e quindi idrofila).

Gli acidi grassi possono essere saturi, quando presentano solo singoli legami e sono solidi a temperatura ambiente, o insaturi, hanno una struttura “ripiegata” in corrispondenza dei doppi legami e quindi sono liquidi a temperatura ambiente poiché non possono impacchettarsi in modo compatto. Esistono anche i grassi trans, grassi insaturi con ripiegature minori rispetto ai comuni grassi insaturi, quindi si impacchettano meno strettamente (in genere sono grassi artificiali).

I lipidi semplici, chiamati anche gliceridi, sono i più abbondanti e hanno funzione di riserva energetica. Sono costituiti da un alcol, il glicerolo (contiene tre atomi di carbonio e tre gruppi ossidrilici OH) e 1, 2 o 3 acidi grassi (e si chiamano quindi mono-, di- o tri-gliceridi) ognuno legato a un gruppo OH del glicerolo. Il legame tra glicerolo e acido grasso si forma per esterificazione, un particolare tipo di reazione di condensazione, con formazione di legami esterici; gli acidi grassi vengono aggiunti “per tappe”, uno per volta.

Tra i lipidi semplici hanno particolare rilevanza i trigliceridi, principali lipidi di deposito e di isolamento termico nelle cellule vegetali e animali. Si trovano nel citoplasma sotto forma di “gocce” di grasso, senza una struttura che li contenga, trattenuti da forze idrofobiche che escludono le molecole di acqua. Negli animali si trovano all’interno degli adipociti, particolari cellule in cui la maggior parte dello spazio è occupato dalla “goccia” di grasso. Se presentano per la maggior parte acidi grassi saturi, i trigliceridi sono detti grassi, sono solidi a temperatura ambiente; quando invece gli acidi grassi in prevalenza sono insaturi, sono detti oli e sono liquidi a temperatura ambiente.

I lipidi complessi sono suddivisi in glicolipidi e fosfolipidi. I primi sono gangliosidi e cerebrosidi, che presentano rispettivamente residui oligosaccaridici e monosaccaridici, sono entrambi importanti componenti del sistema nervoso. I gangliosidi sono anche antigeni riconosciuti dal sistema immunitario.

I fosfolipidi si dividono in fosfogliceridi e sfingolipidi, questi ultimi presentano la sfingosina (amminoacido) invece che il glicerolo, sono presenti soprattutto sul lato esterno delle zattere lipidiche della membrana plasmatica. I fosfolipidi sono importanti costituenti delle membrane cellulari, molecole anfipatiche che possono disporsi a doppio strato (membrane), in micelle o liposomi quando si trovano in soluzione acquosa. Sono costituiti da un’unità base chiamata acido fosfatidico (a sua volta costituito da un digliceride, con un acido grasso saturo e uno insaturo, e un gruppo fosfato legato al glicerolo) e un gruppo polare, in genere un alcol idrofilo. Presentano, quindi, una coda apolare (acidi grassi) e una testa polare estremamente idrofila (tutto il resto della molecola).

Gli steroidi si trovano quasi esclusivamente nelle cellule eucariotiche, sono costituiti da uno scheletro carbonioso ciclico ad anelli condensati a cui sono legate diverse catene e gruppi funzionali. Il più importante tra questi è il colesterolo, una molecola rigida ed estremamente idrofobica ad eccezione di un gruppo OH polare; è un costituente delle membrane (sia plasmatica che degli organelli, tranne la membrana interna dei mitocondri e quella dei cloroplasti), ma è presente anche nel plasma complessato con proteine di trasporto, è inoltre un precursore degli ormoni steroidei (tra questi troviamo gli ormoni sessuali, come estrogeni e androgeni, i glucocorticoidi che favoriscono la gluconeogenesi e sopprimono le reazioni infiammatorie, e i mineralcorticoidi che regolano l’equilibrio ionico).

Carboidrati

I carboidrati hanno formula generale (CH₂O)_n con n ≥ 2. Possono essere classificati secondo vari criteri: in base alla presenza di un gruppo aldeidico (-CO) o chetonico (-CHO), in base al numero di monomeri presenti o in base al numero di atomi di carbonio presenti.

Funzioni dei carboidrati:

• Energetica
• Sintesi di altri composti
• Di sostegno
• Di segnale

Tra le proprietà tipiche dei carboidrati vi è la stereoisomeria, che si verifica in presenza di un carbonio chirale (legato a 4 gruppi chimici diversi), propria di strutture speculari che possono orientare in modo diverso la luce polarizzata. Per quanto riguarda i carboidrati si usa D se il gruppo OH legato al carbonio chirale si trova a destra e L se si trova a sinistra (esempio: in natura è presente quasi esclusivamente D-glucosio).

Alla stessa formula molecolare possono corrispondere diverse formule di struttura, che possono essere lineari (di Fischer) o proiezioni di Haworth. Da queste ultime è possibile identificare un monosaccaride come α o β, nel primo caso OH si trova in basso rispetto al carbonio 1, nel secondo si trova in alto.

I carboidrati sono polimeri di monosaccaridi, possono essere:

Disaccaridi, tra cui i più comuni sono saccarosio (glucosio+fruttosio), lattosio (glucosio+galattosio) e maltosio (glucosio+glucosio). Sono ottenuti per condensazione e portano alla formazione, in caso di monosaccaridi del tipo α, di legami α-glicosidici 1-4 (tra il carbonio 1 del primo monosaccaride e il 4 del secondo). In caso di monosaccaridi del tipo β, si hanno legami β-glicosidici 1-4 (esempio: nel lattosio il glucosio è del tipo β).

Polisaccaridi, polimeri di specifici monomeri, i più comuni sono polimeri del glucosio, ma vi sono anche polisaccaridi come la chitina, che è un componente della corazza dei crostacei e degli esoscheletri di insetti, un polimero della N-acetilglucosamina. Essi hanno perlopiù funzioni di riserva e sostegno.

I principali polimeri del glucosio sono: cellulosa (β-D-glucosio, polimero lineare con legami β-glicosidici e funzione di sostegno. Gli erbivori/ruminanti non digeriscono questo tipo di legame, lo rompono attraverso dei microrganismi presenti nel sistema digerente), amido (α-D-glucosio, ramificato attraverso legami α 1-6, è lo zucchero di deposito nelle cellule vegetali, localizzato nei cloroplasti e negli amiloplasti) e glicogeno (α-D-glucosio, più ramificato dell’amido sempre grazie a legami α 1-6, è lo zucchero di riserva nelle cellule animali, localizzato sul reticolo endoplasmatico di cellule quali gli epatociti e le cellule muscolari).

L’amido è costituito da amilosio e amilopectina, dei due solo la seconda è ramificata (il polisaccaride presenta ramificazioni ogni 24-30 residui, mentre il glicogeno ogni 12-15 residui).

I legami di tipo α consentono alle molecole che li presentano di disporsi naturalmente ad elica e ciò risulta in una struttura poco ordinata con ramificazioni, mentre i legami del tipo β formano delle microfibrille immerse in una matrice non cellulosica (nel caso della cellulosa) che contiene una proteina chiamata estensina, presente solo nelle pareti cellulari.

Proteine

Le proteine sono polimeri di amminoacidi, i geni che codificano per le proteine sono circa 20’000. Esse svolgono una grande quantità di funzioni:

• Enzimatica
• Strutturale
• Di trasporto
• Di deposito/immagazzinamento
• Contrattile
• Regolatoria
• Di protezione/difesa
• Ricezione
• Ormonale

Gli amminoacidi sono 60 all’interno della cellula ma solo 20 di questi effettivamente sono costitutivi di proteine. Tra gli amminoacidi la cisteina e la metionina sono gli unici a contenere zolfo (S). Sono costituiti da un carbonio legato ad un gruppo carbossilico (COOH), un idrogeno (H), un gruppo amminico (NH₂) e un gruppo R (residui amminoacilici quando incorporati nel polipeptide), diverso per ogni amminoacido (nella glicina è H, quindi il suo carbonio non è chirale). I gruppi R consentono di classificare le proteine, in quanto questi possono essere: gruppi apolari (idrofobici, tali amminoacidi si trovano in aree non a contatto con il mezzo acquoso), polari non carichi (idrofili, tra questo tipo di amminoacidi vi sono serina, treonina e tirosina che contengono un gruppo OH, il quale permette la fosforilazione, ossia l’aggiunta di un gruppo fosfato, per attivare/disattivare la proteina) o polari carichi (idrofili, formano legami con l’acqua e se sono basici sono carichi positivamente a pH fisiologico, se acidi sono carichi negativamente).

La polarità del gruppo R è utile alla classificazione degli amminoacidi, in quanto le proteine si avvolgono in risposta alla tendenza a sottrarre al contatto con il solvente acquoso le catene idrofobiche e solfatare quelle idrofile. Gli amminoacidi sono, in realtà, monomeri di polipeptidi, che a loro volta sono monomeri delle proteine. I polimeri degli amminoacidi sono legati da legami peptidici, che si formano tra il COOH del primo amminoacido e il NH₂ del secondo, sempre attraverso una reazione di condensazione, che porta ad avere un legame covalente con atomi sullo stesso piano. La formazione di tali legami comporta che il primo amminoacido abbia il gruppo amminico libero e l’ultimo abbia il gruppo carbossilico libero, perciò i due estremi vengono detti regione amminoterminale e regione carbossiterminale (direzionalità intrinseca). Da ciò si evince quanto sia importante l’ordine del legame. I peptidi risultano formati da una sorta di ossatura di -N-C-C- a cui sono legate le catene laterali.

La struttura proteica è estremamente importante, in quanto da essa deriva la funzione delle proteine, perciò è fondamentale che una stessa proteina abbia sempre la stessa struttura nello spazio. Esistono diversi livelli di struttura e organizzazione (se la proteina o il peptide sono costituiti da una sola catena, sono presenti solo i primi 3 livelli):

1. Struttura primaria = sequenza degli amminoacidi, determina la conformazione della proteina da cui deriva la funzione, è codificata dai geni del DNA (gli altri livelli dipendono da questo).
2. Struttura secondaria = conformazioni ripetitive e regolari che la catena assume in certi tratti della proteina, stabilizzate da legami idrogeno; le più comuni sono ad α-elica o foglietto-β (ipotesi di Pauling e Corey), ma vi sono anche regioni dette a random coil, che non presentano nessuna delle due conformazioni e servono da regioni di congiunzione. Molto spesso le α-eliche ed i foglietti-β si trovano in combinazioni specifiche chiamate motivi.

Le α-eliche hanno lunghezze diverse, ma presentano sempre lo stesso diametro. Le catene laterali consentono la formazione di una struttura elicoidale (un giro di elica conta 3,6 amminoacidi), che viene poi stabilizzata da legami idrogeno intramolecolari (all’interno dello stesso polipeptide). I legami sono quasi perpendicolari all’asse della molecola e si formano tra amminoacidi sullo stesso “lato”, in modo da mantenere sempre lo stesso diametro. In particolare il legame idrogeno si forma tra il gruppo -NH di un legame peptidico e il -CO di un altro legame peptidico, anche se talvolta si formano tra gruppi R. Più α-eliche possono formare una struttura detta coiled coil, nella quale gli amminoacidi idrofobici si dispongono sullo stesso lato e si associano al fine di evitare il contatto con l’acqua (un coiled coil può essere formato da 2 o 3 α-eliche e più coiled coil possono dare origine a protofilamenti).

I foglietti-β sono strutture in cui la catena si flette in corrispondenza degli atomi...