Appunti di Fondamenti di Biologia Anatomia e Fisiologia

La cellula: struttura e funzioni

Biomolecole

Le biomolecole sono molecole sintetizzate dagli organismi e contengono atomi di carbonio. Il carbonio ha 4 elettroni nel suo orbitale più esterno e forma legami covalenti condividendo questi elettroni con altri atomi, compresi altri atomi di carbonio. Atomi comunemente presenti nelle biomolecole sono anche ossigeno, idrogeno e azoto. La capacità del carbonio di formare legami covalenti con altri atomi di carbonio fa sì che le molecole contenenti carbonio possano essere grandi e complesse.

I quattro tipi principali di biomolecole sono i carboidrati, i lipidi, le proteine, i nucleotidi. Alcune biomolecole sono polimeri formati dalla ripetizione di subunità.

Carboidrati

I carboidrati sono composti da carbonio, idrogeno e ossigeno secondo un rapporto 1:2:1, con la formula chimica generale (CH₂O)_n. Il carbonio si lega a gruppi ossidrilici (-OH) e idrogenionici (-H). La presenza di molti gruppi ossidrilici fa sì che i carboidrati siano molecole polari e che pertanto si dissolvano in acqua.

Sulla base delle loro dimensioni molecolari, i carboidrati possono essere classificati in: monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. I monosaccaridi sono gli zuccheri semplici, composti da una singola unità. Il monosaccaride più comune è il glucosio, che rappresenta un’importante sorgente di energia per le cellule. Il glucosio ha formula generale C₆H₁₂O₆.

I disaccaridi sono carboidrati formati dal legame covalente di due monosaccaridi. Tipici disaccaridi sono il saccarosio, che è composto da glucosio-fruttosio, e il lattosio, che è composto da glucosio-galattosio.

I polisaccaridi sono carboidrati formati dal legame covalente di diversi monosaccaridi. Il glicogeno è un polimero formato da subunità di glucosio e si trova nelle cellule animali. L'amido è un polisaccaride che si trova nelle piante e che noi assumiamo attraverso diversi cibi vegetali; il processo digestivo fa sì che le subunità di glucosio che costituiscono l'amido divengano disponibili come sorgenti di energia.

Lipidi

I lipidi sono un gruppo di biomolecole che contengono prevalentemente atomi di carbonio e atomi di idrogeno uniti tra loro da legami covalenti non polari. Pertanto, i lipidi non si sciolgono in acqua. La maggior parte dei lipidi contiene anche atomi di ossigeno e molti di essi contengono gruppi fosfato (-HPO₄), che, in maniera dipendente dalla struttura molecolare, possono formare nella molecola regioni polari. Una molecola che contiene sia regioni polari che non polari viene definita anfipatica.

Ci sono quattro classi principali di lipidi: trigliceridi, fosfolipidi, eicosanoidi, steroidi.

Trigliceridi

I trigliceridi, chiamati in genere “grassi”, sono formati da due elementi: una molecola di glicerolo legata a tre molecole di acidi grassi. Il glicerolo è un alcool a tre atomi di carbonio e funziona come “scheletro” del trigliceride; gli acidi grassi sono lunghe catene di atomi di carbonio con un gruppo carbossilico terminale. La maggior parte degli acidi grassi ha un numero pari di atomi di carbonio, in genere 16 o 18. Un’importante caratteristica delle catene degli acidi grassi è il numero di doppi legami tra gli atomi di carbonio. Se non ci sono doppi legami, l’acido grasso viene considerato saturo. Diversamente, gli acidi grassi insaturi contengono una o più coppie di atomi di carbonio legate da doppio legame. Il grado di saturazione determina importanti proprietà dei lipidi, alcune delle quali con significative implicazioni cliniche.

I trigliceridi sono molecole non polari a causa della presenza di legami non polari carbonio-carbonio e carbonio-idrogeno. Per questa ragione non si sciolgono in acqua, ma lo fanno nei solventi non polari.

Fosfolipidi

I fosfolipidi sono lipidi che contengono un gruppo fosfato. La loro struttura è simile a quella dei trigliceridi in quanto contengono uno scheletro di glicerolo. Diversamente, anziché contenere tre acidi grassi, i fosfolipidi hanno due acidi grassi e un gruppo fosfato. I due acidi grassi formano la regione della coda che è non polare. Il gruppo fosfato è in genere attaccato a un altro gruppo chimico e insieme formano la regione della testa, tipicamente polare.

La natura anfipatica dei fosfolipidi conferisce loro un comportamento unico negli ambienti acquosi: infatti, quando i fosfolipidi vengono messi in ambiente acquoso, le regioni polari si orientano verso l’acqua mentre le regioni non polari tendono a raggrupparsi fra loro. I fosfolipidi posti in ambiente acquoso formano due strutture fisiologicamente importanti: il doppio strato lipidico che costituisce la struttura base delle membrane cellulari, nel quale i fosfolipidi sono disposti in due strati paralleli; e la micella, una struttura sferica composta da un singolo strato di fosfolipidi, la cui funzione è quella di trasportare molecole non polari in un ambiente acquoso.

Eicosanoidi

Gli eicosanoidi sono acidi grassi modificati con funzione nella comunicazione intercellulare. Un eicosanoide è derivato da un acido grasso a 20 atomi di carbonio e contiene un anello a cinque atomi di carbonio al centro. Questo anello fa sì che la molecola si pieghi su se stessa in modo tale che le due catene di atomi di carbonio si estendano parallelamente l’una all’altra allontanandosi dall’anello.

Steroidi

Gli steroidi hanno una struttura chimica unica, che consiste di tre anelli a sei atomi di carbonio e di un anello a cinque atomi di carbonio. Lo steroide più comune è il colesterolo. Esso è un importante costituente della membrana plasmatica che delimita le cellule. In aggiunta, il colesterolo è il precursore di tutti gli altri steroidi. Molti steroidi funzionano come ormoni, tra questi il testosterone e il cortisolo.

Aminoacidi e proteine

Le proteine sono polimeri di aminoacidi, biomolecole relativamente piccole che contengono un carbonio centrale, un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un idrogeno e un gruppo residuo R. Esistono 20 diversi aminoacidi.

I polimeri di aminoacidi sono formati congiungendo tra loro due aminoacidi mediante un legame peptidico; per questa ragione questi polimeri vengono chiamati polipeptidi. Il legame peptidico si forma tra il gruppo amminico di un aminoacido e il gruppo carbossilico di un altro aminoacido mediante una reazione di condensazione, cioè una reazione che libera acqua. I polipeptidi possono essere di lunghezza variabile e vengono denominati peptidi se sono catene con meno di 50 aminoacidi; proteine se sono formati da più di 50 aminoacidi.

La funzione di una proteina dipende dalla sua struttura tridimensionale detta anche conformazione. La struttura delle proteine può essere primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

La struttura primaria è data dalla sequenza aminoacidica che è determinata dai legami peptidici all’interno della catena peptidica. La struttura secondaria è determinata dai ripiegamenti dovuti ai legami idrogeno. Questi legami fanno sì che la molecola assuma varie forme, come le α-eliche e i foglietti β.

La struttura terziaria dipende dai ripiegamenti prodotti dall’interazione tra i gruppi R di diversi aminoacidi nello stesso polipeptide. Le interazioni possono essere legami idrogeno, legami ionici, forze di van der Waals e legami covalenti.

La struttura quaternaria esiste soltanto in quelle proteine che contengono più di una catena polipeptidica. Un esempio è l’emoglobina, che ha la funzione di trasportare l’ossigeno nel sangue. Essa è una singola proteina formata da quattro catene polipeptidiche separate.

La conformazione tridimensionale delle proteine può assumere forma fibrosa o globulare. Le proteine fibrose formano in genere filamenti allungati che svolgono funzioni strutturali o di contrazione. Le proteine globulari sono formate da catene raggomitolate, ripiegate, irregolari e impacchettate. Tra le loro funzioni principali vi sono quelle di messaggeri chimici, recettori, proteine trasportatrici ed enzimi. Alcune proteine, come la miosina, sono formate da componenti sia globulari che fibrose.

Alcune proteine hanno altre classi di molecole attaccate ad esse. Ad esempio, le glicoproteine sono formate da catene polipeptidiche alle quali sono attaccati carboidrati, mentre le lipoproteine presentano lipidi.

Nucleotidi e acidi nucleici

I nucleotidi hanno l’importante funzione di trasferire l’energia all’interno delle cellule, oltre a formare il materiale genetico. I nucleotidi contengono un carboidrato a cinque atomi di carbonio, una base azotata e uno o più (massimo 3) gruppi fosfato. I carboidrati che si trovano nei nucleotidi sono il ribosio e il desossiribosio. Le basi azotate dei nucleotidi vengono suddivise in due classi: pirimidine, che contengono un singolo anello di atomi di carbonio (a queste appartengono la citosina, la timina e l’uracile) e le purine, che contengono un doppio anello di atomi di carbonio (l’adenina e la guanina). Un nucleotide contenente un solo gruppo fosfato viene chiamato nucleotide monofosfato e così via.

Alcuni nucleotidi hanno l’importante funzione negli scambi di energia cellulare. Per esempio, l’energia contenuta nel legame fosfato dell’adenosintrifosfato (ATP) può essere usata per sostenere processi cellulari quando l’ATP è idrolizzato in ADP.

I nucleotidi esistono anche sotto forma di polimeri; tra questi vi sono gli acidi nucleici che hanno la funzione di immagazzinare ed esprimere le informazioni genetiche: l’acido desossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA). Le molecole di DNA sono localizzate nel nucleo cellulare e fungono da deposito dell’informazione genetica. Le molecole di RNA si trovano sia nel nucleo che nel citoplasma delle cellule. Sia il DNA che l’RNA sono polimeri di nucleotidi in cui il gruppo fosfato di un nucleotide è legato al carboidrato di un altro, formando una catena in cui le basi sporgono ai lati. Tra l’RNA e il DNA vi sono comunque importanti differenze.

Il DNA è formato da due filamenti di nucleotidi avvolti l’uno sull’altro a formare una doppia elica. Il carboidrato contenuto nel DNA è il desossiribosio. Le basi azotate che formano il DNA comprendono l’adenina (A), la guanina (G), la citosina (C) e la timina (T). I due filamenti di DNA sono tenuti insieme da legami idrogeno che si formano tra le basi azotate secondo la legge della complementarietà dell’accoppiamento delle basi azotate (A-T(o U); C-G). La citosina e la guanina formano tre legami idrogeno tra loro, mentre l’adenina e la timina ne formano due.

L’RNA è formato da un singolo filamento di nucleotidi. Il carboidrato contenuto nell’RNA è il ribosio mentre le basi azotate includono l’adenina, la citosina, la guanina e l’uracile. Anche le basi azotate dell’RNA seguono la legge della complementarietà dell’accoppiamento delle basi azotate. Anche se l’RNA è composto da un singolo filamento, la complementarietà delle basi azotate è necessaria per creare l’RNA dal DNA e per consentire il ripiegamento di una singola molecola di RNA su se stessa.

Struttura cellulare

Quando le biomolecole vengono assemblate in una determinata maniera, formano le cellule. Il corpo umano contiene più di 100.000 miliardi di cellule che lavorano assieme per mantenere l’omeostasi. Tutte queste cellule derivano da una singola cellula uovo fecondata e nel corso dello sviluppo si differenziano in oltre 200 tipi diversi. La cellula è delimitata da una membrana plasmatica che separa l’interno dal fluido extracellulare. All’interno della cellula ci sono due regioni principali: il nucleo che è una struttura delimitata da membrana e contiene l’informazione genetica, e il citoplasma. A sua volta il citoplasma è formato dal citosol che è un fluido di consistenza gelatinosa, e dagli organuli che sono strutture formate da una grande varietà di biomolecole. Gli organuli possono essere suddivisi in membranosi, separati dal citosol da una o più membrane, e non membranosi.

Struttura della membrana plasmatica

La cellula contiene vari tipi di membrane che svolgono la funzione di barriera tra i vari compartimenti. La struttura dell’involucro nucleare e quella delle membrane che delimitano gli organuli, sono simili a quella della membrana plasmatica. Dal punto di vista strutturale, la membrana plasmatica viene anche definita a “mosaico fluido” ed è costituita da fosfolipidi, proteine e colesterolo.

Doppio strato fosfolipidico

I fosfolipidi sono disposti in un doppio strato in modo tale che le loro teste idrofiliche siano rivolte verso il citosol o il liquido interstiziale. Questo doppio strato forma la struttura di base della membrana, che viene considerata fluida poiché i fosfolipidi non sono legati tra loro da legami chimici e possono muoversi lateralmente e da un versante all’altro del doppio strato. Le molecole di colesterolo possono causare la cristallizzazione della struttura e la riduzione della fluidità.

Il doppio strato lipidico costituisce una barriera al movimento di grandi molecole polari. Le molecole d’acqua, però, possono generalmente attraversare il doppio strato lipidico date le loro piccole dimensioni. Il colesterolo riduce la capacità dell’acqua di attraversare il doppio strato lipidico.

Proteine di membrana

La membrana plasmatica viene definita come un mosaico perché le proteine formano degli isolotti che emergono dal mare fosfolipidico. Esistono due classi di proteine di membrana: proteine integrali di membrana e proteine periferiche di membrana. Le proteine integrali di membrana sono immerse nel doppio strato lipidico dal quale possono essere dissociate solo mediante distruzione fisica della membrana.

Alcune proteine integrali di membrana vengono definite proteine transmembrana poiché attraversano interamente il doppio strato lipidico. Tra le proteine transmembrana vi sono i canali, che permettono agli ioni di permeare la membrana, e proteine di trasporto. Diversamente dalle proteine transmembrana, altre proteine integrali di membrana sono localizzate solo da un lato della membrana stessa. Alcune di queste sono in contatto con il citosol e funzionano come enzimi, altre, a contatto con il liquido extracellulare, svolgono funzione enzimatica o di recettore.

Le proteine periferiche di membrana sono solo debolmente legate alla membrana, pertanto possono essere rimosse mantenendo la membrana intatta. La maggior parte delle proteine periferiche di membrana si trovano dal lato del citosol e svolgono funzione strutturale.

Carboidrati di membrana

Associati alla membrana plasmatica vi sono anche dei carboidrati, legati covalentemente alle proteine o ai lipidi di membrana. I carboidrati di membrana si trovano solo sulla superficie extracellulare, dove svolgono due funzioni principali: formano il glicocalice, uno strato protettivo che serve anche a mantenere le cellule collegate tra loro, e partecipano al riconoscimento cellulare.

Struttura del nucleo

La maggior parte delle cellule è dotata di un singolo nucleo che contiene il DNA. Tranne che durante la divisione cellulare, il DNA è presente nel nucleo sotto forma di cromatina. Il nucleo è delimitato dal citoplasma da un involucro nucleare, a sua volta formato da due membrane. Queste membrane si fondono tra loro a intermittenza lasciando aperti degli spazi definiti pori nucleari che permettono il movimento selettivo di molecole. All’interno del nucleo vi è il nucleolo, che è il luogo in cui viene sintetizzato RNA ribosomiale (rRNA). Il nucleo svolge una funzione fondamentale per la trasmissione e l’espressione dell’informazione genetica. Il DNA costituisce infatti il serbatoio dell’informazione genetica necessaria per la sintesi dell’RNA e delle proteine.

Contenuto del citosol

Il citosol è il luogo in cui si svolgono importanti reazioni chimiche e dove vengono immagazzinate varie molecole. Diversi enzimi si trovano nel citosol, così come depositi energetici che vengono impacchettati in piccoli ammassi chiamati inclusioni. Le molecole che devono essere secrete dalla cellula vengono immagazzinate nelle vescicole secretorie. In aggiunta, la composizione molecolare del citosol è critica per la normale funzione cellulare. Ad esempio, la composizione ionica del citosol svolge un ruolo cruciale nell’eccitabilità delle cellule nervose e muscolari.

Struttura degli organuli membranosi

La membrana che delimita i vari organuli intracellulari forma una barriera, quindi un distinto compartimento all’interno del citoplasma. In alcuni casi vi sono addirittura due membrane e si viene pertanto a formare un ulteriore compartimento all’interno dell’organulo stesso.

Reticolo endoplasmatico

Il reticolo endoplasmatico è formato da una complicata rete di membrane che dà luogo a un compartimento interno chiamato lume. Il reticolo endoplasmatico si divide in rugoso e liscio. Il reticolo endoplasmatico rugoso viene così chiamato a causa del suo aspetto granulare o rugoso, dovuto alla presenza di ribosomi. Il reticolo endoplasmatico liscio, al contrario, è formato da tubuli senza ribosomi attaccati.

Il reticolo endoplasmatico rugoso serve alla sintesi di proteine che saranno poi secrete all’esterno della cellula, che verranno incorporate nella membrana plasmatica o che saranno destinate ad altri organuli. Il reticolo endoplasmatico liscio è la sede di sintesi dei lipidi, compresi trigliceridi e steroidi.

Apparato del Golgi

L’apparato del Golgi è composto da cisterne. Esso è da un lato strettamente associato al reticolo endoplasmatico, chiamato lato cis, e l’altro lato è definito lato trans. L’apparato del Golgi elabora le molecole sintetizzate.