Biologia applicata agli studi medici

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La cellula

La cellula è l’unità strutturale e funzionale degli organismi viventi. L’organizzazione di più cellule con la matrice extracellulare che le circonda origina la produzione di tessuti e organi. In media la lunghezza di una cellula è 10/20 μm mentre lo spessore della membrana cellulare è 5 nm. Tuttavia, ne esistono di forme molto varie come, ad esempio, il prolungamento delle cellule nervose che formano l’assone e che possono arrivare a un metro.

L'acqua

La molecola più presente nel nostro corpo è quella dell'acqua (H₂O). Ogni molecola di acqua si coordina con altre 4 molecole. Questo comportamento è permesso dalla formazione di legami a idrogeno tra molecole di acqua e altre molecole polari. L'acqua infatti è una molecola polarizzata dal momento che presenta su di essa dei dipoli dovuti alla grande differenza di elettronegatività tra gli atomi di ossigeno e quelli di idrogeno. La presenza di legami idrogeno tra le molecole di acqua ha alcune importanti conseguenze:

• L'acqua ha un'alta temperatura di ebollizione, in quanto serve tanta energia per rompere i legami a idrogeno.
• L'acqua può sciogliere facilmente tutte le molecole polari.

Il legame a idrogeno è comunque un legame intermolecolare, quindi è un legame debole. Esso è importante nella struttura di alcune macromolecole:

• Le proteine si ripiegano su sé stesse mediante legami H.
• I nucleotidi formano la doppia elica tipica del DNA attraverso legami H.

Macromolecole

Zuccheri e polisaccaridi

Gli zuccheri, chiamati anche carboidrati (derivante da idrati del carbonio) o glucidi, hanno struttura generale (CH₂O)_n dove n assume valori 0 ≤ n ≤ 8. Gli zuccheri si possono distinguere in base al numero di carboni:

• Triosi (3 C): un esempio è la gliceraldeide che è lo zucchero più semplice.
• Pentosi (5 C): un esempio è il ribosio.
• Esosi (6 C): esempi sono il glucosio e il fruttosio.

Dallo zucchero ribosio si può ottenere, per sottrazione di un ossigeno, il desossiribosio, uno dei costituenti dei nucleotidi. Tra il desossiribosio e il ribosio c'è molta differenza in quanto, perdendo un atomo di ossigeno, il desossiribosio perde anche la sua polarità. Gli zuccheri si possono rappresentare con una struttura lineare o con una struttura ad anello. In ognuna di queste strutture gli atomi di carbonio hanno una posizione specifica che viene indicata con un numero.

Gli isomeri sono zuccheri caratterizzati dalla stessa forma ma da una diversa disposizione dei rispettivi atomi. Ad esempio, il fruttosio, il galattosio e il mannosio hanno la stessa formula molecolare ma una disposizione degli atomi diversa. L’unione di due zuccheri semplici, detti monosaccaridi, porta alla formazione di un disaccaride. L’unione di due monosaccaridi è una reazione di condensazione, ossia una reazione endoergonica che prevede l’espulsione di una molecola di acqua. La reazione che porta a un disaccaride è una reazione invertibile. Un esempio di disaccaride è il saccarosio che deriva dall’unione di un glucosio e un fruttosio.

Quando si ha l’unione di più di due zuccheri si ha la formazione di un polisaccaride. Esempi di polisaccaride sono il glicogeno, l’amido e la cellulosa. Questi sono dati dal diverso assemblaggio di più molecole di glucosio. Il glicogeno è un polimero di molecole di glucosio con molte ramificazioni laterali che viene utilizzato come riserva di energia, l’amido invece è un polimero lineare che funge anch’esso da riserva di energia. La cellulosa è, come l’amido, un polimero lineare che presenta un legame tra le molecole di glucosio diverso da quello dell’amido; l’uomo non possiede gli enzimi per tagliare questo tipo di legami ed è per questo che la cellulosa non è digeribile. La cellulosa si trova nelle pareti delle cellule vegetali.

Acidi grassi e lipidi

Gli acidi grassi sono caratterizzati da una struttura avente una testa idrofila, data da un gruppo COO^-, e una lunga coda idrofobica, data da una coda idrocarburica.

Gli acidi grassi si possono distinguere in:

• Saturi: sono gli acidi grassi privi di doppi legami, sono caratterizzati da una forma lineare.
• Insaturi: sono gli acidi grassi che possiedono doppi legami, sono caratterizzati da una forma piegata; in particolare la catena presenta un angolo = 60°.

Gli acidi grassi saturi possono compattarsi facilmente e per questo a temperatura ambiente si trovano allo stato solido. Gli acidi grassi insaturi si compattano meno facilmente e per questo a temperatura ambiente si trovano allo stato liquido. Attraverso processi chimici si può rettificare la catena idrocarburica degli acidi grassi insaturi, trasformandoli in acidi grassi saturi. Un esempio di questo processo è la formazione della margarina.

In soluzione acquosa gli acidi grassi formano delle strutture in cui le teste polari si trovano rivolte verso l’esterno e le code apolari si trovano rivolte verso l’interno. Ad esempio, le bolle di sapone sono delle strutture in cui l’acqua è rivestita di sapone, ossia un acido grasso. In questo caso, si ha che le teste polari sono rivolte verso l’acqua e le code apolari sono rivolte verso l’aria. Il processo di lavarsi le mani permette di eliminare lo sporco perché consiste nel formare delle bolle, in questo caso definite micelle, che contengono lo sporco all’interno.

Gli acidi grassi costituiscono i lipidi che si dividono in:

• Trigliceridi che sono formati da tre catene di acidi grassi legati a un glicerolo.
• Fosfolipidi che sono formati da due catene di acidi grassi legati a un glicerolo e a un gruppo fosfato. I fosfolipidi costituiscono le membrane cellulari in cui formano la struttura a doppio strato fosfolipidico. In questa struttura le teste polari di ciascuna catena sono rivolte verso l’esterno e le code idrofobiche sono rivolte verso l’interno.
• Steroidi che sono tutti formati dallo scheletro a 4 anelli, un esempio di steroide è il colesterolo.

Amminoacidi e proteine

Gli amminoacidi sono caratterizzati da una struttura generale. Il carbonio α, o carbonio centrale, forma 4 legami con 4 gruppi:

• Un idrogeno.
• Un gruppo amminico (NH₂).
• Un gruppo carbossilico (COOH).
• Un residuo laterale R, ossia un gruppo diverso in ogni tipo di amminoacido.

Tuttavia, all’interno del nostro organismo, in condizioni normali di pH = 7, gli amminoacidi sono in forma ionizzata. La forma ionizzata ha una reattività molto diversa in quanto, a differenza della forma non ionizzata, ha un lato negativo e uno positivo. Esistono circa 500 tipi di amminoacidi, di questi l’uomo, per svolgere correttamente le sue funzioni, ne utilizza 22, tuttavia vengono ricordati solo 20 amminoacidi che sono quelli classici. I 20 amminoacidi si differenziano tra loro principalmente per la diversa catena laterale R; possono essere indicati con tre modalità diverse:

• Con il nome completo.
• Abbreviazione a 3 lettere (di solito si fa riferimento al nome inglese).
• Abbreviazione a una lettera.

L’amminoacido più piccolo e flessibile è la glicina, questa contiene come residuo R un atomo di H. Lo spazio fisico occupato dai residui R, e quindi lo spazio occupato dagli amminoacidi, può variare molto, basti pensare ad esempio alla differenza tra glicina e arginina.

In base al residuo R, gli amminoacidi si possono raggruppare in 4 gruppi:

• Amminoacidi non polari: il residuo laterale R non è polare.
• Amminoacidi polari: il residuo laterale R ha una carica parziale.
• Amminoacidi positivi (o basici): contengono una carica netta positiva.
• Amminoacidi negativi (o acidi): contengono una carica netta negativa.

Alcuni esempi di residui R sono:

• Gruppi polari: OH presente nella serina.
• Gruppi apolari: CH₃ presente nell’alanina.
• Gruppi con carica negativa: COOH presente nell’acido aspartico e nell’acido glutammico.

Gli amminoacidi non polari sono amminoacidi costituiti da catene laterali idrofobiche formate quasi interamente da atomi di C e H. Questi amminoacidi tendono a formare il nucleo più interno delle proteine solubili, lontano dal mezzo acquoso. Esse sono importanti nelle membrane associandosi con il doppio strato lipidico. Gli amminoacidi non polari non stanno bene in acqua e sono instabili quando vi si trovano. Gli amminoacidi polari sono amminoacidi costituiti da catene laterali idrofilie che tendono a essere completamente cariche, agiscono come acidi o basi tendendo a essere completamente cariche in condizioni fisiologiche. Le catene laterali formano legami ionici e sono spesso coinvolte in reazioni chimiche. Gli amminoacidi polari privi di carica sono amminoacidi costituiti da catene laterali idrofobe che tendono ad avere cariche parziali, questo permette loro di partecipare alle reazioni chimiche, formare legami H e associarsi con l’acqua.

Una proteina è un polimero di una fissata lunghezza, composizione e struttura, dato dalla combinazione di 20 amminoacidi specifici per una proteina. Esempi di proteine presenti nel nostro organismo sono:

• L’insulina, ossia una piccola proteina formata da una cinquantina di amminoacidi.
• La titina, ossia la proteina più grande conosciuta, costituita da 27.000 amminoacidi.
• L’emoglobina, costituita da 574 amminoacidi.
• L’albumina, ossia la proteina più numerosa nel sangue, costituita da 609 amminoacidi.
• Il lisozima, costituito da 129 amminoacidi.
• Il glucagone, costituito da 29 amminoacidi.

Perché due amminoacidi si possano legare è necessaria la formazione di un legame che prende il nome di legame peptidico. Questo legame avviene tra il gruppo COOH di un amminoacido e il gruppo NH₂ di un amminoacido successivo. Il legame peptidico si origina grazie all’azione di un ribosoma. Si forma così un dipeptide, ossia la proteina più piccola in natura. Quando si ha un insieme di 4 amminoacidi si parla invece di tetrapeptide.

Gli amminoacidi all’interno delle proteine si organizzano in modo da formare uno scheletro peptidico, dato dall’alternanza di atomi di carbonio e azoto, che rivolge verso l’esterno i residui polari e all’interno i residui non polari. Se si pone una proteina in un mezzo acquoso, questa tende a ripiegarsi su sé stessa e a disporsi nella posizione più favorita energeticamente. La proteina tende quindi a disporre i residui non polari all’interno e a tenere verso l’esterno i residui polari.

Per funzionare correttamente, una proteina deve possedere un’adeguata struttura. Questa dipende dai residui posti sullo scheletro peptidico e dai legami che possono instaurarsi tra gli amminoacidi polari della proteina. I legami che si possono instaurare tra gli amminoacidi sono:

• Legami idrogeno.
• Legami elettrostatici forti.
• Ponti disolfuro, ossia particolari legami covalenti tra due gruppi solfidrici. Ad esempio l’insulina è una proteina formata da due catene peptidiche legate da ponti disolfuro.

La struttura delle proteine può essere definita in un modo gerarchico, in questa maniera si ha:

• Struttura primaria: data dalla sequenza degli amminoacidi che la compongono.
• Struttura secondaria: data da ripiegamenti della struttura primaria. Le strutture secondarie sono forme ripetitive presenti in tutti i viventi. Le principali forme sono a α-elica e a β-foglietto ripiegato.
• Struttura terziaria: data dall’organizzazione nelle tre dimensioni delle forme della struttura secondaria. La struttura terziaria è la struttura che caratterizza la proteina infatti, se c'è un’alterazione di questa struttura, la proteina perde la sua funzionalità.
• Struttura quaternaria: data dall’organizzazione di quattro proteine in una struttura poliproteica.

Il prione PrPc è una proteina presente nel cervello di tutti i mammiferi. Normalmente questa proteina è ripiegata a α-elica, tuttavia può succedere che si ripieghi a β-foglietto ripiegato. Quando la proteina si trova nella forma a α-elica, si può degradare attraverso la cottura; quando invece si trova nella forma a β-foglietto ripiegato, non può essere degradata. Quando la proteina non viene degradata e resta attiva, è in grado di convertire tutte le altre proteine PrPc nella forma a β-foglietto. La problematica di tutto ciò sta nel fatto che, nella forma a β-foglietto, la proteina PrPc non è idrosolubile e quindi, quando si trova nel cervello, precipita e buca le membrane cerebrali dando origine a una patologia chiamata encefalopatia spongiforme bovina, meglio nota come malattia della mucca pazza. Questa alterazione è rara nell’uomo, tuttavia è più frequente nelle mucche e quando l’uomo ingerisce carne bovina, dal momento che la proteina PrPc non si degenera con la cottura, ingerisce anche proteine PrPc alterate attive.

Un altro esempio di come la struttura di una proteina sia fondamentale per la sua funzionalità è quello del morbo di Alzheimer. Normalmente nel cervello umano è presente una proteina, chiamata proteina beta-amiloide, che si trova nella forma a α-elica; quando però questa proteina subisce un’alterazione e diventa nella forma a β-foglietto si origina una problematica. Infatti, le proteine beta-amiloidi a β-foglietto precipitano e creano dei depositi, questi sono molto tossici e portano alla progressiva morte dei neuroni: ha luogo così il morbo di Alzheimer.

Nucleotidi e acidi nucleici

I nucleotidi hanno una struttura generale. L’unione di una base azotata e uno zucchero origina un nucleoside. L’unione di un nucleoside e un gruppo fosfato origina un nucleotide. In particolare, un nucleoside è dato da un 2-desossiribosio (o un ribosio) legato a una base azotata in posizione numero 1 mentre un nucleotide è formato da un gruppo fosfato legato al 2-desossiribosio di un nucleoside in posizione 5.

Le basi azotate sono delle strutture che si dividono in due tipi:

• Pirimidine: sono formate da un anello e prendono questo nome poiché sono simili a una molecola eterociclica che prende il nome di pirimidina.
• Purine: sono formate da un doppio anello e sono più grandi delle pirimidine. Prendono questo nome poiché sono simili a una molecola eterociclica che prende il nome di purina.

Negli acidi nucleici ci possono essere tre tipi di pirimidine, ossia timina, citosina e uracile, e due tipi di purine, ossia adenina e guanina. In base al tipo di base azotata, possiamo avere vari nucleosidi:

• Adenosina (zucchero + adenina).
• Guanosina (zucchero + guanina).
• Citidina (zucchero + citosina).
• Uridina (zucchero + uracile).
• Timidina (zucchero + timina).

Inoltre, in base al numero di gruppi fosfato legati a un nucleoside, possiamo avere vari nucleotidi:

• AMP, con l’aggiunta di un gruppo fosfato.
• ADP, con l’aggiunta di due gruppi fosfato.
• ATP, con l’aggiunta di tre gruppi fosfato.

I nucleotidi sono componenti importanti del flusso delle informazioni e del ciclo dell’energia all’interno del mondo vivente. Inoltre, possono agire come cofattori per molti enzimi e come donatori di gruppi fosfato. I nucleotidi svolgono anche altre funzioni, ad esempio possono trasportare energia chimica attraverso i loro legami tra gruppi fosfato, altamente energetici (per esempio l’ATP), possono combinarsi con altri gruppi per formare coenzimi (per esempio il coenzima A) e sono utilizzati come trasmettitori intracellulari (per esempio il cAMP).

L’ATP, o adenosintrifosfato, è un nucleotide con tre gruppi fosfato che è un buon portatore di energia in quanto ha tre legami altamente energetici che se tagliati possono liberare una grande quantità di energia.

La cellula persegue due obiettivi:

• La crescita cellulare.
• Il differenziamento cellulare.

Nell’ambito dell’organismo, questi obiettivi devono essere regolati con grande precisione. I programmi di crescita e differenziamento cellulare sono geneticamente determinati. I depositari dell’informazione genetica sono gli acidi nucleici. Questi sono polimeri di nucleotidi legati tra loro da particolari legami covalenti, chiamati legami fosfodiesterici. Questi legami si instaurano tra un carbonio 5’ di un nucleotide e un carbonio 3’ di un nucleotide successivo. La catena che si forma è fatta in modo che il terminale 5’ sia sempre un fosfato libero mentre il terminale 3’ sia sempre un gruppo ossidrile libero. Da notare che le basi azotate non sono coinvolte nel legame fosfodiesterico, il filamento infatti è costituito dall’alternanza di uno zucchero e un gruppo fosfato mentre ai lati del filamento spuntano le basi libere. Il legame fosfodiesterico si instaura solo se c’è una DNA polimerasi che lo catalizza. Quando si parla di un nucleotide di cui non interessa la base specifica, si parla di 2-desossinucleosidemonofosfato (dNMP).

Esistono due tipi di acido nucleico:

• Il DNA, che è un polimero di desossiribonucleotidi.
• L’RNA, che è un polimero di ribonucleotidi.

Per i nucleotidi del DNA si utilizza come zucchero il 2-desossiribosio e quattro delle cinque basi, due per tipo: le due purine e come pirimidine, la timina e la citosina. Per i nucleotidi dell’RNA si utilizza come zucchero il ribosio e quattro delle cinque basi, due per tipo: le due purine e come pirimidine, la citosina e l’uracile.