Appunti di citologia: macromolecole, tutti gli organelli cellulari e le loro funzioni

I componenti organici

I componenti organici sono rappresentati dalle proteine, glucidi, lipidi e dagli acidi nucleici. Le macromolecole sono formate da unità (monomeri) che si ripetono e che sono legate in modo covalente; la macromolecola che ne risulta è chiamata polimero. Il processo che forma il polimero è la polimerizzazione.

Si parla di omopolimeri (associazione di monomeri identici come nel caso del glicogeno) o eteropolimeri (due o più specie molecolari come le proteine e gli acidi nucleici).

Glucidi

I glucidi o carboidrati sono composti formati da carbonio, idrogeno e ossigeno e rappresentano la fonte principale di energia per le cellule vegetali e animali; sono anche sostanze di sostegno, poiché costituiscono la parete cellulare della maggior parte delle cellule vegetali.

Monosaccaridi

I monosaccaridi sono le unità strutturali di base di tutti i glicani e non possono essere idrolizzati in composti più semplici. Quelli di interesse biologico hanno fra tre a sette atomi di carbonio: i più importanti sono i pentosi tra cui il ribosio e il desossiribosio, e gli esosi come il glucosio, galattosio e fruttosio.

I monosaccaridi contengono un gruppo aldeidico (aldosi) o un gruppo chetonico (chetosi). La gliceraldeide è il più semplice aldoso e il diidrossiacetone il più semplice chetoso. I monosaccaridi con almeno cinque atomi di carbonio possono assumere una struttura ciclica che è quella naturalmente assunta da queste molecole. L'anello formatosi individua un piano che, a sua volta, suggerisce la simmetria delle molecole: i diversi gruppi legati agli atomi di carbonio possono venire a trovarsi dalla medesima parte o in opposizione rispetto al piano stesso. Ciò permette la formazione di isomeri. Esistono, per esempio, due isomeri del glucosio: α-D-glucosio e β-D-glucosio; queste molecole differiscono soltanto per la posizione, rispetto al piano individuato dall'anello di legami, dell'ossidrile e dell'idrogeno portati dal carbonio in posizione 1.

L'amido e il glucosio sono polimeri di α-D-glucosio, mentre la cellulosa di β-D-glucosio. Le molecole di α-D-glucosio formano catene spiralate e/o ramificate che difficilmente sono in grado di interconnettersi, mentre le molecole di β-D-glucosio formano polimeri lineari in grado di impacchettarsi fra loro tramite una fitta serie di legami idrogeno intercatena.

Oligosaccaridi e polisaccaridi

L'unione tramite legame O-glucosidico (un legame di condensazione), di un numero via via crescente di unità di monosaccaridiche porta prima alla formazione di oligosaccaridi e poi di polisaccaridi. Tra gli oligosaccaridi biologicamente più importanti si possono citare maltosio, lattosio (galattosio + glucosio) e saccarosio (glucosio + fruttosio) (disaccaridi).

Tra i polisaccaridi si distingue in omopolisaccaridi e eteropolisaccaridi. L’amido è costituito da due tipi di polisaccaridi, l'amilosio e l’amilopectina, entrambi omopolimeri dell’α-D-glucosio. Per le cellule degli organismi animali, il glicogeno costituisce la principale forma di accumulo dei glucidi, soprattutto a livello delle cellule del fegato e dei muscoli. L’accumulare materiale di riserva sotto forma di enormi molecole di glicogeno, presenta il vantaggio di non rendere iperosmotico l’ambiente intracellulare. Il glicogeno è formato dalla polimerizzazione di un gran numero di molecole di glucosio. La molecola del glicogeno ha una configurazione altamente ramificata e risulta costituita da brevi catene la cui lunghezza media è di circa dodici molecole di glucosio.

Tra i polisaccaridi strutturali, il più abbondante è la cellulosa che ha la funzione di sostegno e protezione; essa rappresenta il componente più importante della parete cellulare delle cellule vegetali. La sua molecola è un polimero di β-D-glucosio.

Glicosamminoglicani

I GAG sono lunghe catene polisaccaridi non ramificate composte da unità disaccaridiche che si ripetono. Si chiamano così perché uno dei due zuccheri, nel disaccaride che si ripete, è sempre un amino zucchero, cioè un monosaccaride in cui un gruppo ossidrile (-OH) è stato sostituito da un gruppo amminico (-NH₂) come l'N-acetiglucosammina e l'N-acetigalattosamina. I GAG sono ricchi di gruppi acidi per la presenza di gruppi solforici e carbossilici in molti residui di zuccheri.

I GAG svolgono un ruolo fondamentale per la struttura e la funzione di molti tessuti. Essi sono i costituenti essenziali della sostanza amorfa dei tessuti connettivi, dove si trovano spesso legati a proteine a formare i proteoglicani. I GAG sono idrofili, legano quindi grandi quantità d’acqua; questa tendenza è accentuata dall’alta densità di cariche negative (dovuta alla presenza di gruppi acidi). La facilità con cui i GAG si idratano crea uno stato di turgore nella matrice extracellulare che la rende particolarmente resistente alle forze di compressione.

Le proteine

Le proteine sono polimeri il cui monomero costitutivo è l’amminoacido. Gli amminoacidi presenti in tutte le proteine naturali sono venti e possono combinarsi in tutte le possibili conseguenze.

Le proteine costituite esclusivamente da amminoacidi si chiamano semplici. Altre proteine dette coniugate oltre a catene di amminoacidi (gruppo proteico) contengono anche molecole di natura diversa (gruppo prosterico).

Come è fatto un amminoacido

Ogni amminoacido ha un gruppo amminico (basico) e un gruppo carbossilico (acido), per questo sono dette sostanze anfotere. Il gruppo R (residuo) cambia da amminoacido ad amminoacido. Nell’amminoacido più semplice R è costituito da una molecola di idrogeno glicina.

Il carbonio in posizione 2 si chiama chirale perché è legato a 4 gruppi diversi, pertanto, per ogni amminoacido, possono esistere due isomeri che si designano come forme D (destrogira o destrorsa) e L (levogira o sinistrorsa). Nelle proteine naturali gli amminoacidi sono sempre presenti in forma L. Diamo questi nomi a seconda della risposta dell’amminoacido quando viene colpito da un raggio di luce polarizzata: si fa passare la luce normale da un filtro che costringe la luce a seguire una direzione ben precisa. Quando la luce polarizzata colpisce L-amminoacidi viene deviata verso sinistra, a destra se sono D-amminoacidi. Solo in alcuni batteri sono stati trovati D-amminoacidi. D e L sono detti stereoisomeri: hanno formula molecolare identica, stessa connettività ma una diversa orientazione spaziale degli atomi che li rende non sovrapponibili.

Oltre agli amminoacidi costituenti le proteine, nella cellula sono presenti gli amminoacidi che formano il pool degli amminoacidi. Essi derivano dalla demolizione delle proteine o da processi di assorbimento dei fluidi interstiziali.

Amminoacido in acqua

• A pH neutro le basi si comportano da basi e gli acidi da acidi: il gruppo amminico accetta ioni H⁺ e l’acido li rilascia, quindi l’amminoacido si carica sia positivamente che negativamente e prende il nome di zwitterione.
• A pH acido, siccome vi è disponibilità di ioni H⁺, la base si comporta da base e l’acido non si dissocia, quindi l’amminoacido si carica positivamente.
• A pH basico, la concentrazione di ioni H⁺ è bassa, l’acido si comporta da acido e rilascia ioni H⁺, la base non può comportarsi da base per cui l’amminoacido si carica negativamente.

Tutto questo accade se non si tiene conto dei residui.

Strutture delle proteine

Le proteine sono formate da una lunga catena di amminoacidi uniti fra loro dal legame peptidico (-CO-NH-) che si forma per condensazione del gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico dell’amminoacido successivo. Da questo legame viene liberata una molecola di acqua. La formazione del legame peptidico richiede dispendio di energia e l’intervento di catalizzatori specifici, il suo scioglimento uguale e viene operato dalle proteasi o peptidasi che introducono una molecola d’acqua per tagliare il legame. I sei atomi costituenti il legame peptidico si trovano sullo stesso piano, quindi il legame peptidico è rigido e planare e la catena è ripiegata nello spazio soltanto mediante rotazioni attorno ai legami del carbonio alfa.

La sequenza degli amminoacidi di una proteina rappresenta la sua struttura primaria. La struttura primaria condiziona la configurazione spaziale e la forma globale della molecola, dalle quali dipendono poi le sue proprietà biologiche. La sequenza lineare degli amminoacidi contiene l’informazione per la formazione di una proteina che ha una struttura 3D specifica che le consente di svolgere una determinata funzione. Quindi le funzioni di una proteina non dipendono soltanto dalla natura chimica dei suoi componenti, ma anche dalla loro localizzazione in determinati punti della molecola, importanti nel determinare la configurazione che la catena polipeptidica assume nello spazio.

I legami responsabili della formazione di una catena polipeptidica, cioè della struttura primaria, sono sempre legami covalenti. Nel legame peptidico, soltanto il gruppo carboamidico è situato su un piano fisso, mentre le restanti parti della molecola possono avere un certo grado di libertà di rotazione nello spazio. Il complesso molecolare può quindi variare continuamente in forma assumendo, in particolari condizioni, una struttura elicoidale casuale (random coil). Tuttavia, normalmente, la configurazione molecolare viene stabilizzata in un assetto definitivo, detto appunto struttura secondaria, dall’instaurarsi di legami a idrogeno. Se i gruppi carbonilici e amminici appartenenti ad amminoacidi differenti e impegnati in un legame peptidico si trovano a distanze che rientrano in 0.3 nm, si può stabilire un legame a idrogeno che stabilizza la conformazione della catena proteica.

La configurazione secondaria è limitata ad alcuni tratti della proteina che magari nel suo insieme presenta forma globulare. Quindi gli amminoacidi lungo la catena si associano a seconda delle loro caratteristiche per dar luogo ad organizzazioni stabili ricorrenti quali l’α-elica (struttura α) o il foglio piegato (struttura β o β-sheet).

Struttura β

Le catene polipeptidiche (filamenti β) si dispongono l’una accanto all’altra formando un foglietto fatto da molti ripiegamenti. La struttura β è stabilizzata da legami H che si formano tra segmenti adiacenti della catena polipeptidica. I legami peptidici formano le pagine del foglio, mentre gli atomi di carbonio chirale (carbonio α) formano le pieghe con i residui amminoacidici R che si presentano alternati sempre in corrispondenza della parte convessa della piega.

Struttura α

Scoperta da Pauling, è la struttura più frequentemente assunta ed è rappresentata da un avvolgimento a spirale detto α-elica che presenta un passo di 0.54 nm e contiene 3.6 residui amminoacidici per giro. In questo modo la molecola assume un diametro di circa 1 nm, compresi i residui che sporgono. I legami a idrogeno che si formano coinvolgono tutti i legami peptidici. In essi l’azoto fa da ponte tra esso e un gruppo carbonilico di un altro amminoacido lontano nella sequenza.

Strutture supersecondarie

Le strutture supersecondarie sono combinazioni di alfa eliche e strutture beta connesse attraverso loop che formano pattern presenti in numerose differenti strutture proteiche. Queste strutture sono stabilizzate dallo stesso tipo di legami che inducono la formazione della struttura terziaria. A volte per descrivere le strutture supersecondarie si utilizza il termine di motivo strutturale. Alcuni esempi di strutture supersecondarie sono Greek Key motif, Beta-barrel motif e loop-elica-loop.

Il ripiegamento della proteina è condizionato dall’ambiente in cui si trova che è un ambiente acquoso. Quindi il ripiegamento è condizionato dall’acqua e anche dai residui. Il ripiegamento tridimensionale della proteina prende il nome di struttura terziaria ed è determinata da legami a idrogeno, legame tra ione-ione e ione-dipolo, legami dipolo-dipolo, forze di Van der Waals, interazioni non polari, ponti disolfuro (che si stabiliscono tra due residui cisteinici). La configurazione ultima che assumerà la proteina sarà quella a minor energia libera, ovvero la più stabile, e una volta assunta potrà svolgere la sua funzione: infatti la funzione di una proteina dipende dalla sua struttura terziaria, per esempio le numerosissime interazioni deboli rendono possibile il riconoscimento di superfici molecolari complementari richiedono quindi una localizzazione precisa dei gruppi che debbono intervenire nella reazione. La proteina in conformazione terziaria prende il nome di proteina nativa.

Struttura quaternaria e chaperoni molecolari

Alcune proteine sono costituite da più catene polipeptidiche (subunità) associate tra loro a formare un complesso proteico dotato di una definita struttura spaziale, detta struttura quaternaria. L’emoglobina è il tipico esempio, come le immunoglobuline, l’F-actina e i microtubuli. Gli chaperoni molecolari e le chaperonine aiutano le proteine a ripiegarsi correttamente. Infatti la cellula utilizza altre proteine per aiutare la cellula a ripiegarsi. Queste proteine si attaccano alle parti idrofobe della proteina che non possono stare a contatto con l’ambiente acquoso altrimenti farebbero precipitare le proteine. Sia gli chaperoni molecolari che le chaperonine lavorano grazie all’ATP: quando esso è legato alla proteina ne fa cambiare conformazione e si stacca dalla porzione idrofobica della proteina. (Le chaperonine hanno struttura quaternaria).

Cambi di conformazione

I cambi di conformazione in una proteina possono essere indotti da:

• Calore
• ATP
• Atomi più piccoli come lo ione calcio: la caderina è in grado di legare il calcio, quando lo lega la proteina si irrigidisce ed è diventa in forma attiva; o come l’ossigeno per l’emoglobina.
• Sostituzione di un amminoacido con un altro come nell’anemia falciforme che è causata dalla sostituzione di un acido glutammico (aa idrofilico) in posizione 6 della catena β dell’emoglobina con una valina (aa idrofobico). L’emoglobina diventa meno solubile e tende a precipitare. In condizioni di ipossia i globuli rossi assumono una forma a falce. Tuttavia, sostituzioni di singoli amminoacidi non sempre alterano la struttura 3D e di conseguenza la funzione di una proteina.
• pH: un pH fortemente acido o fortemente basico. Nello stomaco viene prodotto acido cloridrico, quindi il pH si trova intorno a 4: infatti nello stomaco vengono denaturate le proteine.
• Sali: forza ionica dei sali.
• Agenti chimici: l’urea è un forte denaturante. Questi agenti non possono rompere i legami covalenti come i ponti disolfuro ma possono essere ridotti.

Può succedere che una proteina non si ripieghi mai, allora vengono degradate e gli amminoacidi riutilizzati. Nel citoplasma una proteina può essere degradata se viene marcata come “spazzatura” da delle proteine chiamate ubiquitine (si chiamano ubiquitine perché sono state trovate in tutti gli eucarioti e si attaccano alle lisine tramite legame covalente). Una proteina che ha attaccate almeno 4 ubiquitine viene riconosciuta da un complesso proteico chiamato proteosoma dove si realizza un primo taglio e si formano i peptidi che poi vengono tagliati nel citoplasma da peptidasi.

Acidi nucleici

Furono trovati per la prima volta nel nucleo e fu osservato che sono ricchi di fosforo e di natura acida. Esistono due tipi di acidi nucleici: l’acido ribonucleico (RNA) e acido desossiribonucleico (DNA). Essi sono presenti in ogni forma di vita. Nei virus è presente o l’RNA o il DNA.

Struttura

Gli acidi nucleici sono definiti polinucleotidi il cui meros è appunto il nucleotide. Ogni nucleotide è formato da uno zucchero pentoso (nel caso del DNA lo zucchero è il desossiribosio, nel caso dell’RNA il ribosio), base azotata legata al carbonio in posizione uno dello zucchero tramite il legame N-glicosidico (le basi si dividono in purine e pirimidine, le purine sono fatte da 2 anelli e sono l’adenina e la guanina, le pirimidine sono fatte da un solo anello e sono la citosina, timina e uracile. Nell’RNA troviamo la citosina e l’uracile più le purine, nel DNA al posto dell’uracile compare la timina. La differenza tra la timina e uracile è che nella timina c’è un gruppo metilico che nell’uracile non c’è), e i fosfati legati al carbonio 5’ con un legame di estere fosforico e possono essere solo uno o due o tre.

In soluzioni acquose sono caricati negativamente e liberano ioni H⁺. Negli acidi nucleici la parte acida è data proprio dai fosfati. Generalmente sono attaccati tre fosfati. L’ultimo fosfato ha un legame ad alta energia (fosfato γ).

L’ATP e l’ADP sono due nucleosidi (zucchero + base) formati da ribosio e adenina con tre o due radicali fosforici legati allo zucchero. Il secondo e il terzo radicale fosforico che si legano al nucleoside dell’adenina lo fanno con legami anidridici che, diversamente dai normali legami esteri, sono in grado di incorporare grandi quantità di energia. Questa energia può essere disponibile per le varie attività cellulari allorché l’enzima ATPasi compie l’operazione inversa, idrolizzando ATP in ADP e liberando le calorie dal legame fosforico terminale.

Negli acidi nucleici i nucleotidi formano polimeri dando luogo a lunghe catene la cui struttura può variare in base alla sequenza dei nucleotidi stessi. L’unione tra due nucleotidi avviene per il fatto che il radicale fosforico ha ancora due gruppi acidi e può esterificare il gruppo alcolico in posizione 3 di un’altra molecola di ribosio o di desossiribosio. Quindi si ha un legame fosfodiesterico che è covalente ed è un legame di condensazione (rilascio di una molecola di acqua).