Biologia 1

Biologia cellulare prof. Villone

In questo corso noi ci occupiamo di anatomofisiologia delle cellule eucariotiche. Definiamo cellula eucariotica quella che presenta un nucleo, dal greco Carion=nucleo. Un uovo è un esempio di cellula eucariotica dove il tuorlo rappresenta il nucleo mentre l'albume è il citoplasma. Sebbene il citoplasma appaia come una sostanza gelatinosa omogenea, essa in realtà non lo è perché al suo interno contiene un'infinità di strutture dette organelli o organuli. Dunque un organello è una struttura morfologicamente definita; il compartimento è una struttura cellulare funzionalmente definita. Ciò vuol dire che possiamo avere degli organelli con più compartimenti (Es: ho una casa che ha più camere ognuna delle quali ha più stanze).

Il rapporto tra struttura e funzione è indissolubile; ogni struttura è fatta in un certo modo perché deve servire a quella funzione e al contrario quella funzione può essere svolta solo se ha una struttura fatta in quel modo. Sebbene le cellule eucariotiche siano tipiche degli organismi viventi quelle vegetali si distinguono in quanto hanno una parete di sostegno composta da cellulosa. Oltre agli eucarioti è bene ricordare i procarioti comunemente noti come batteri.

Acqua nelle cellule

Per entrare nel vivo della biologia e dello studio che dobbiamo affrontare è importante dire che l'acqua è la molecola più diffusa nelle cellule. La molecola di H₂O è un dipolo elettrico ossia l'elettrone dell'idrogeno viene attratto dall'ossigeno ed è dunque un sistema costituito da due cariche di segno opposto. Diciamo che l'acqua è un dipolo elettrico perché l'elettrone dell'idrogeno gira attorno al protone ma quando si forma la molecola d'acqua l'elettrone dell'atomo di idrogeno gira intorno al nucleo dell'H ma viene attratto anche dal nucleo dell'atomo di ossigeno; dunque l'elettrone va verso l'ossigeno, torna verso l'idrogeno, passa veloce e ritorna all'ossigeno dove rallenta perché viene molto attratto dal suo nucleo a causa della sua grandezza maggiore; dunque dipolo elettrico perché ha due cariche una + ed una -, dove il lato dell'ossigeno è negativo e quello dell'idrogeno positivo.

Se scriviamo H₂O non vuol dire niente perché sappiamo solamente che ci sono due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno ma le proprietà dell'acqua dipendono dal modo in cui tale molecola è costituita. L'acqua però ha una stranezza: per quanto riguarda la densità, questa è massima a 4°C ossia quando è liquida; la conseguenza di ciò è che le cellule non possono MAI stare a 0°C perché l'acqua congela e spacca tutto. La cellula però si può congelare solo ed esclusivamente nell'azoto liquido cioè a -196°C così non si dà il tempo materiale di formare i cristalli di ghiaccio e quindi di rompere la cellula.

pH e molecole

A questo punto è bene fare alcune premesse che ci aiuteranno a capire meglio i concetti che tratteremo: il pH è la misura dell'acidità ossia della concentrazione di ioni H⁺ in una soluzione. Dunque più ioni H⁺ ci sono più la soluzione si dirà acida. Il Ph neutro è 7 e si dice così perché ci sono tanti ioni H⁺ quanti ioni OH^-; superato il valore 7 la soluzione si dice basica o alcalina, altrimenti acida. L'unità di misura del pH è l'esponente della concentrazione molare. Ossia M=10^-1 pH=1; bisogna ricordare il pH della pelle=5.5, pH cellule=7.2/7.4, pH soda caustica =13.9, pH stomaco = 2.

Tutte le molecole si dividono in due categorie, quelle che reagiscono con l'acqua e quelle che non lo fanno; avremo dunque le molecole polari/idrofile/lipofobe e le molecole apolari/idrofobe/lipofile.

Macromolecole

Le macromolecole biologiche sono 4: zuccheri/carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici. Le cellule sintetizzano la maggior parte delle macromolecole in catene dette polimeri composti da unità dette monomeri. Abbiamo fatto l'esempio secondo cui il polimero è il muro invece il monomero è il mattone che lo compone. Le cellule uniscono i monomeri per costruire polimeri tramite la reazione di condensazione che consiste nell'eliminazione di una molecola d'acqua; quando i monomeri sono uguali si parla di omopolimero, quando sono diversi si parla di eteropolimero; le cellule possono poi demolire i polimeri facendo l'esatto opposto ossia aggiungendo una molecola d'acqua (idrolisi).

I carboidrati (zuccheri) si dividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi. Sono monosaccaridi il glucosio, il fruttosio e il galattosio. Sono disaccaridi il saccarosio, il maltosio ed il lattosio. Sono polisaccaridi l'amido, il glicogeno, la cellulosa e la chitina. L'amido rappresenta la risorsa principale di energia delle piante invece gli animali immagazzinano gli zuccheri in eccesso sotto forma di glicogeno. La cellulosa è il composto più abbondante sulla terra ma gli animali non possono usarla come fonte di energia poiché non hanno nel tubo digerente dei microorganismi capaci di idrolizzare la cellulosa; cosa succede se mangiamo l'insalata? Succede che non la digeriamo cioè non riusciamo a trarre glucosio dalla cellulosa: essa nel nostro colon ha un effetto spazzola perché non viene assorbita. La chitina invece è usata dagli insetti e dai crostacei per costruire l'esoscheletro.

Gli zuccheri sono macromolecole formate da atomi di carbonio. Quando hanno 3 atomi di carbonio si chiamano triosi, quando ne hanno 5 si chiamano pentosi e quando ne hanno 6 si chiamano esosi. Lo zucchero più noto è il glucosio la cui formula è C₆H₁₂O₆ in cui gli atomi di carbonio sono disposti sullo stesso piano formando un anello con O ed OH disposti sopra e sotto i carboni. Come possiamo unire due molecole di glucosio? Con l'idrolisi ossia con l'eliminazione di una molecola d'acqua grazie alla quale si crea un legame glicosidico; possiamo poi rompere tale legame con la condensazione (aggiunta di una molecola d'acqua).

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici invece sono il prototipo delle molecole informazionali. Ne conosciamo due tipi: il DNA e l'RNA, entrambi eteropolimeri di nucleotidi. Un nucleotide è una molecola composta a sua volta da altre molecole:

• Base azotata: ne esistono due famiglie ossia le purine a 9 atomi di carbonio e sono Adenina e Guanina e le pirimidine a 6 atomi di carbonio e sono Timina e Citosina;
• Residuo di acido ortofosfato;
• Zucchero pentoso che può essere il ribosio o il desossiribosio.

Chi è più stabile tra DNA ed RNA? DNA perché il desossiribosio non ha il gruppo ossidrilico OH che è invece presente sull'RNA. Come facciamo a legare due nucleotidi? Con l'eliminazione di una molecola d'acqua e si crea il legame fosfodiesterico (idrolisi). Quando i nucleotidi formano una delle catene del DNA essi presentano sempre due estremità libere una è detta 3' poiché presente sul terzo carbonio ed una detta 5' poiché presente sul fosfato. Il DNA è una molecola a doppia elica anti parallela dove una catena ha direzione 3'-5' ed una 5'-3'; le due catene sono complementari in quanto le basi azotate si legano sempre nel seguente modo: A con T e C con G tramite legami idrogeno.

Dunque la ringhiera del DNA è legata da legami fosfodiesterici invece gli scalini sono le basi azotate che si agganciano tra di loro con legami idrogeno detto anche elettrostatico. Nonostante la molecola di DNA sia molto stabile, esso può essere rotto attraverso vari meccanismi tra i quali ricordiamo la degradazione che è un processo irreversibile e consiste nella rottura dei legami fosfodiesterici tra i nucleotidi (ciò avviene durante l'apoptosi che è la morte della cellula però programmata geneticamente); la degradazione avviene tramite un enzima detto caspasi. Il secondo modo per rompere il DNA è la denaturazione che consiste nella rottura dei legami a idrogeno tra le basi azotate ed è reversibile poiché avviene tramite calore; la temperatura alla quale ciò avviene è 92°C.

Per dirla meglio, la temperatura dipende da quante basi abbiamo e quali basi ci sono; ad esempio tra A e T ci sono due legami idrogeno invece tra C e G ce ne sono 3... dunque il DNA si rompe in corrispondenza di A e T poiché c'è un dispendio di energia minore (logico!). Per concludere il discorso possiamo affermare che il DNA contiene le istruzioni di assemblaggio delle macromolecole.

Ora spostiamo l'attenzione sull'RNA indicando alcune piccole differenze: l'RNA è un eteropolimero di nucleotidi a catena singola. Una differenza sostanziale tra DNA ed RNA è che se nel DNA si presenta il principio di complementarità delle basi azotate ossia se abbiamo il 20% di A avremo il 20% di T e dunque il 30% di C e G, questo nell'RNA non accade poiché la T è sostituita dall'U ossia Uracile e quindi se abbiamo il 20% di A non sappiamo quanto U ci sarà!

Il DNA è il nostro patrimonio genetico e contiene tutte le informazioni invece l'RNA serve a rendere tale informazione applicata dunque ha funzione applicativa. Le catene di DNA sono molto lunghe invece quelle di RNA più corte.

Proteine

Le proteine sono macromolecole biologiche costituite da catene di amminoacidi legati uno all'altro da un legame peptidico che avviene per eliminazione di una molecola d'acqua tra il gruppo amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico dell'altro amminoacido. Svolgono tantissime funzioni tra cui trasporto di sostanze, catalizzano le reazioni, partecipano all'architettura molecolare.

Gli amminoacidi ne sono in tutto 20 e sono quasi tutti uguali tra loro infatti l'unica cosa che cambia è la R che sta per radicale, il quale ne determina le funzioni e le proprietà chimico-fisiche. Sono formati da un carbonio al centro, sopra c'è il COOH ossia il gruppo carbossilico che è la parte acida dell'amminoacido, un gruppo amminico a destra e sotto c'è l'idrogeno; poi c'è il gruppo R. Il legame peptidico è detto planare poiché è come se ci fosse un microfoglietto tra un amminoacido e un altro ed dunque gli elementi del legame sono tutti su uno stesso piano.

Ecco la struttura degli amminoacidi che ci interessano ossia glicina, acido glutammico, aspartico e metionina (questa è la proteina con cui iniziano tutti i processi). I 20 amminoacidi si dividono in alcune famiglie: acidi, idrofobici, idrofili. Ora focalizziamo la nostra attenzione sulle proteine, in modo particolare sulla loro struttura. Data la notevole complessità della struttura proteica, per poterla descrivere compiutamente si parla di struttura primaria, secondaria, terziaria e a volte anche quaternaria.

La struttura primaria indica la successione degli amminoacidi legati da legame peptidico: da essa dipende la forma e la struttura delle proteine. La struttura secondaria consiste in un ripiegamento della sequenza primaria e può essere di 3 tipi:

• Alpha elica: ripiegamento ad elica un po' come in un nastro fotografico. Come si mantiene questa forma? Grazie ai legami idrogeno che si formano tra i legami peptidici e in particolare tra un ossigeno di sopra ed un idrogeno di sotto;
• Foglietto Beta: la sequenza primaria si ripiega su se stessa come un foglio ripiegato a ventaglio e anch'essa è mantenuta in posizione dai legami idrogeno;
• Raggomitolamento casuale: detto random è una sorta di appallottolamento degli amminoacidi tenuto in forma anche in questo caso da legami idrogeno. Immaginando che in un raggomitolamento casuale 2 cisteine si trovino ad avere il gruppo SH l'uno vicino all'altro si libera idrogeno molecolare e si viene a formare un ponte solfuro che rende la struttura ancor più stabile. Per eliminare un ponte solfuro basta aggiungere idrogeno (processo detto riduzione).

Un pezzo di molecola si chiama dominio. La struttura terziaria invece consiste in un altro ripiegamento della struttura secondaria ma questa volta assume la sua forma funzionale. A tenerla ben salda sono legami deboli cioè forze di tipo elettrostatico (forze di Van Der Waals) oppure legami idrofobici. La struttura quaternaria invece non riguarda più le singole proteine ma riguarda i complessi proteici che per funzionare hanno bisogno di Sub-unità. Il primo esempio che facciamo è l'emoglobina che è composta da quattro subunità uguali a due a due: due catene alpha e due catene beta (solo nel nato). Ogni catena prende il nome di globina in cui c'è una sorta di tasca che contiene un gruppo eme il quale contiene un atomo di ferro. Si forma così, in base a quanto detto sopra, un microambiente molecolare: grazie all'azione dell'emoglobina che possiede 4 subunità con 4 gruppi eme e quindi 4 atomi di ferro, solo qui avviene l'ossidazione reversibile del ferro (in natura ciò non è possibile assolutamente, basti pensare ad un cilindro di ferro arrugginito) così che l'ossigeno legato al ferro a livello dei polmoni viene poi trasportato e liberato nei tessuti e negli organi di tutto il corpo.

C'è da dire che quando la natura capisce come risolvere un problema ripete la soluzione nelle varie specie... infatti tutti gli esseri viventi hanno bisogno di ossigeno: c'è un equivalente dell'emoglobina nei pesci, anche nel saccaromices. Definiamo dunque strutture conservate questo ripetersi di sequenze geniche nelle varie specie che vengono trasmesse nel corso dell'evoluzione.

Enzimi e proteine allosteriche

Ora proviamo a spiegare due famiglie di proteine che sono gli enzimi e le proteine allosteriche. Gli enzimi sono delle proteine che rendono possibili reazioni che comunque avverrebbero in natura alle condizioni chimico-fisiche e di tempo compatibili con la vita. L'enzima non partecipa alla reazione perché alla fine di essa risulta invariato (come entra così esce). L'enzima ha una forma specifica, ossia quella che serve per far avvenire la reazione, l'unica forma possibile. Dunque essi sono gli operatori dell'intera biologia ed hanno una forma precisa per accogliere un determinato substrato nella loro tasca: si forma così il complesso Enzima/Substrato.

Le proteine allosteriche sono particolari proteine capaci di cambiare forma, aventi almeno due siti attivi. Abbiamo due possibilità di funzionamento:

• Attivazione allosterica: abbiamo una proteina che non funziona fino a quando sul suo sito 1 non si inserisce uno specifico attivatore come ad esempio una molecola; conseguenza di ciò è il cambio di forma della proteina che scopre il sito 2 che è il sito attivo.
• Inibizione allosterica: in questo caso abbiamo una proteina inattiva poiché nel suo sito 1 è presente uno specifico inibitore (una molecola); solo la rimozione dell'inibitore dal sito 1 fa modificare la conformazione della proteina rendendo così visibile il sito 2.

Lipidi

I lipidi non sono molecole informazionali, sono composti organici largamente diffusi in natura. Non sono solubili in acqua mentre sono solubili in acetone, alcoli e idrocarburi. All'interno dei lipidi dunque non può esserci acqua. Tra i lipidi ricordiamo gli acidi grassi saturi che sono catene di carbonio, gli acidi grassi insaturi che sono sempre catene di carbonio ma non saturate completamente dall'idrogeno.

L'acqua all'interno della cellula è separata dall'acqua esterna tramite una doppia membrana fosfolipidica dove le code idrofobiche sono rivolte verso l'interno della membrana e le teste polari verso l'esterno. Dunqe le membrane cellulari sono costituite da fosfolipidi il quale è fatto da glicerolo-due acidi grassi-da una testa con il fosfato a cui possono legarsi altri pezzi di molecola. È fondamentale ricordare che in questa membrana non c'è assolutamente acqua.

Modello a mosaico fluido

La membrana cellulare presenta un modello a mosaico fluido:

• Mosaico perché è costituito da un mare fosfolipidico in cui sono immerse le proteine (come in una sorta di colla). Fu dimostrato da due scienziati, Singer e Nicolson, grazie all'esperimento del criodecapaggio (la cellula viene immersa in azoto liquido divenendo così dura ma allo stesso tempo estremamente fragile; con un colpo tangente la cellula si aprirà nel punto di minor resistenza cioè tra i due foglietti fosfolipidici che si aprono a lembo; all'interno, se vediamo con microscopio, troviamo le proteine; dunque Mosaico vuol dire che nello spessore dei fosfolipidi ci sono le proteine.

Le proteine di membrana si dividono in due categorie:

• Proteine intrinseche di membrana: sono quelle che attraversano tutto lo spessore;
• Proteine estrinseche di membrana: invece si trovano a contatto solo con uno dei due foglietti del bilayer.

Come dimostriamo che è fluido? Tutte le cellule hanno, come abbiamo visto, delle proteine di membrana che sono a contatto con il mondo esterno e dunque con altre cellule; se prendiamo una cellula di uomo ad esempio un fibroblasto (nel sotto cute, cellula del tessuto connettivo) e la iniettiamo in un coniglio, questo produrrà degli anticorpi contro le proteine che stanno fuori la cellula dell'uomo... a questo punto prendiamo tali anticorpi e li isoliamo (li mettiamo da parte); facciamo la stessa cosa con una cellula di topo, prendendo un altro coniglio e iniettando al suo interno la cellula sopracitata... il coniglio produrrà anticorpi contro le proteine che stanno fuori la cellula del topo... prendiamo tali anticorpi e li isoliamo; a questo punto abbiamo anticorpi contro la cellula di un uomo ed anticorpi contro la cellula di topo. Ora prendiamo una cellula di uomo ed una di topo e le fondiamo avendo come risultato un grande cellulone; subito dopo facciamo interagire gli anticorpi contro la cellula umana ai quali abbiamo legato una sonda fluorescente rossa e contemporaneamente facciamo interagire gli anticorpi contro la cellula di topo ai quali abbiamo legato una sonda fluorescente blu; se vediamo tutto al microscopio ci ritroviamo una sorta di pallone metà rosso e metà blu; a questo punto prendiamo tale cellula e la lasciamo per circa 40 minuti a 37°C; alla fine...