Biologia applicata (macromolecole, cellula eucariotica, sintesi del DNA, divisione cellulare)

Macromolecole

Le macromolecole sono costituite per il 70% da acqua nella cellula; tutte le altre componenti devono interagire con l'acqua.

Acqua

L'acqua ha due legami covalenti con idrogeno, caratterizzati dalla compartecipazione di elettroni. La molecola è a carica neutra, ma viene definita come un dipolo elettrico. Il nucleo dell'ossigeno presenta una carica negativa parziale e l'idrogeno una positiva. Si formano legami idrogeno tra le cariche parziali. Ogni molecola può creare quattro legami a idrogeno, che sono deboli ma i più forti tra i deboli. Questi legami rendono l'acqua un ottimo solvente nelle soluzioni, grazie alla maggiore coesione. Allo stato solido le molecole d’acqua hanno densità minore (pesa meno). Altri composti avrebbero bisogno di meno calore per fare i passaggi di fase. L'acqua è stabile anche in presenza di grossi sbalzi di temperatura. Queste caratteristiche sono utilizzate dalla natura per scegliere l'acqua come solvente universale.

I soluti si dividono in interazioni idrofiliche (molecole polari) e interazioni idrofobiche (molecole apolari).

Gruppi funzionali

• R = catena laterale nei gruppi funzionali
• Gruppo fosfato = acido fosforico
• Solfidrilico: estremamente importante per la stabilità delle proteine perché forma il ponte disolfuro

Proteine

Le proteine sono effettori di reazioni metaboliche e sono presenti in maggiore quantità.

Lipidi

I lipidi sono molecole diverse tra di loro. La maggior parte presenta come componente principale l'acido grasso, costituito da una testa data dal gruppo carbossilico e da una coda carboniosa legata a idrogeni. Se il carbonio è completamente legato agli idrogeni, il grasso è saturo, risultando in una molecola lineare che occupa poco spazio e si presenta solida. Al contrario, se alcuni carboni non sono saturati dai legami a idrogeno, ma presentano doppi legami tra carboni, il grasso è insaturo, formando una molecola ripiegata che occupa più spazio e si presenta liquida.

• Trigliceridi (grassi solidi e oli liquidi): formati da glicerolo e tre acidi grassi con una reazione di condensazione (formazione di un legame tra due gruppi funzionali con perdita di una molecola d’acqua). Sono molecole interamente idrofobiche, apolari.
• Fosfogliceridi (fosfolipidi): formati da glicerolo (testa idrofila) e due acidi grassi (coda idrofoba), risultando in una molecola anfipatica. Tutte le membrane plasmatiche si basano sul doppio strato fosfolipidico. I fosfolipidi non si legano tra loro con legami covalenti, ma sono uniti dalla loro "paura" dell'acqua e stabilizzati dalle forze di Van der Waals presenti sulle code, rendendo le membrane estremamente fluide.
• Steroidi: formati da una catena carboniosa e quattro anelli idrocarburici, come testosterone e vitamine A ed E. Il colesterolo si intercala tra i fosfolipidi. È una struttura apolare che presenta un gruppo OH leggermente polare, nella parte idrofobica dei fosfolipidi, dove crea un legame a idrogeno con il gruppo carbonilico dell'acido grasso e il suo gruppo ossidrilico. È un mediatore della fluidità della membrana, rallentando il congelamento a basse temperature e impedendo la dissociazione dei fosfolipidi a temperature elevate.

Polimeri

Le macromolecole si formano per l'associazione con un legame covalente di più monomeri; ne sono esempi le proteine (amminoacidi), gli acidi nucleici (nucleotidi) e i carboidrati (monosaccaridi). Due gruppi funzionali interagiscono tra loro per creare un legame con perdita di una molecola d’acqua, processo noto come condensazione.

Carboidrati

I carboidrati hanno una forma base data dal carbonio associato agli atomi di idrogeno e ossigeno, strutturandosi come una molecola d’acqua. Le strutture pentosa ed esosa non sono presenti in natura. La struttura complanare tra i diversi monosaccaridi varia in base alla posizione del gruppo OH, che ne cambia la funzione e le caratteristiche biochimiche. Il legame glicosidico avviene tra carboni. I polisaccaridi di deposito, come amido e glicogeno, sono grosse molecole che permettono di depositare il glucosio per un utilizzo successivo nelle vie metaboliche.

Macromolecole informazionali

Il DNA funge da deposito dell'informazione genetica, mentre l'RNA gestisce il passaggio di informazioni alle proteine. Il dogma centrale della biologia prevede che l'informazione genetica presente sul DNA venga mantenuta costante nei processi di replicazione. Questa informazione si esprime inizialmente nell'RNA attraverso il processo di trascrizione (linguaggio degli acidi nucleici), per poi trasferirsi alle proteine attraverso la traduzione (linguaggio degli amminoacidi). Watson e Crick hanno scoperto che nel DNA è depositata l'informazione genetica.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono composti da nucleotidi, che comprendono uno zucchero pentoso aldoso, una base azotata e un gruppo fosfato. Il quinto carbonio si estende all'esterno del pentagono. Ribosio e deossiribosio differiscono in posizione 2'; nel ribosio è presente un gruppo ossidrilico OH, nel deossiribosio c'è solo un H. La base azotata, legata al carbonio in posizione 1', è costituita da carbonio e azoto, e differiscono per i loro gruppi funzionali e per la capacità di interagire con altre molecole.

• Pirimidine a un anello: citosina, timina (nel DNA), uracile (nell'RNA)
• Purine a due anelli: adenina, guanina

Zucchero e base azotata formano un nucleoside. Quando si lega un gruppo fosfato al carbonio 5’, si ottiene un nucleotide. L'adenosina è costituita dalla base azotata adenina e ribosio. L'ATP è un nucleotide ad alta energia, immagazzinata nei legami dei tre fosfati e utilizzata per reazioni metaboliche. I nucleotidi si legano tra loro per creare un filamento di DNA, con il primo carbonio libero della catena (5' fosfato) legato al carbonio 3’ del nucleotide successivo tramite un legame fosfodiesterico, formando una struttura 3'-5' (gruppo fosfato + due legami esteri grazie alla presenza di ossigeno). L'estremità finale è un OH 3'. L'informazione genetica risiede nella combinazione e frequenza delle basi azotate. La lettura avviene dall'alto verso il basso, da 5' a 3', conferendo polarità (direzionalità). Il DNA ha una struttura a doppia elica destrogira, creando solchi maggiori e minori, dove le basi azotate sono maggiormente visibili e le proteine possono legarsi per leggere il contenuto. La doppia elica è costituita da due filamenti antiparalleli che si associano per interazione delle basi azotate, proiettate all'interno della doppia elica, secondo la legge della complementarità. I gruppi funzionali di una base interagiscono con quelli della base opposta tramite legami a idrogeno (il più forte dei deboli), mantenendo stabile la struttura tridimensionale.

• La base adenina complementa con timina, creando due legami idrogeno
• La base guanina complementa con citosina, creando tre legami idrogeno

I legami possono rompersi facilmente per consentire la lettura della sequenza. Watson e Crick hanno dimostrato che in base alla sequenza del primo filamento si può determinare il secondo, che contiene la stessa informazione. La struttura canonica è rappresentata dalla conformazione DNA-B, mentre la conformazione alternativa DNA-Z presenta la doppia elica che si arrotola a zig-zag verso sinistra, a seconda del tipo e quantità di basi azotate.

RNA

L'RNA è un filamento singolo che può assumere diverse conformazioni. Contiene uracile al posto della timina e lo zucchero ribosio. Il filamento è meno stabile rispetto al DNA e ha un'emivita breve, motivo per cui l'RNA è continuamente prodotto e serve come molecola di passaggio, ovvero come messaggero.

Proteine

Le proteine sono polimeri di aminoacidi, ciascuno con una struttura di base e una catena laterale diversa.

• Polari: presentano un gruppo OH o un atomo di ossigeno elettronegativo per interagire con l'acqua.
• Elettricamente carichi: acidi (carbonilico) o basici (amminico) interagiscono con l'acqua.
• Non polari: non interagiscono con l'acqua e non hanno carica.

I legami peptidici tra aminoacidi sono formati attraverso una reazione di condensazione. Anche le proteine hanno polarità (direzionalità), iniziando con un aminoacido con un gruppo amminico libero (N-terminale) e terminando con un aminoacido con un gruppo carbossilico libero (C-terminale). Tutte le proteine iniziano con lo stesso aminoacido, la metionina.

• Struttura primaria: ordine degli aminoacidi legati in sequenza tramite legame peptidico, che descrive il ripiegamento scritto nella struttura primaria.
• Struttura secondaria: tridimensionale, come l'alfa elica destrogira nel ripiegamento elicoidale a spirale (con catene laterali verso l'esterno) o il foglietto beta pieghettato con andamento a zig-zag, tenuto da legami idrogeno tra catene laterali e tra gruppi amminici e carbossilici. I gruppi R sporgono alternativamente sopra e sotto la molecola. Le strutture di domini proteici non comprendono l'intera proteina e possono alternarsi tra alfa e beta.
• Struttura terziaria: l'intera proteina nello spazio è formata dall'unione di strutture secondarie che formano delle anse. È stabilizzata da legami deboli, interazioni elettrostatiche e ponti disolfuro (covalenti) tra due cisteine. Gli aminoacidi con radicali apolari sono verso l’interno, quelli con radicali polari verso l’esterno.
• Struttura quaternaria: complesso proteico funzionale risultante da legami tra più subunità polipeptidiche. Le catene possono essere uguali o diverse, come nell'emoglobina, che ha quattro subunità uguali a due a due.

Cellula procariotica

I procarioti, come i batteri, sono organismi unicellulari. Sono definiti da una membrana plasmatica che racchiude il citoplasma. All'interno del citoplasma non ci sono organuli specifici ben delimitati, ma solo ribosomi, adibiti alla sintesi proteica. I procarioti contengono il DNA batterico sotto forma di doppia elica di DNA circolare e super avvolta per riuscire a rimanere all'interno. Il nucleoide è la regione dove è localizzato il DNA batterico. Le proteine svolgono la loro funzione all'interno del citoplasma o associate alla membrana. Gli organuli locomotori, come il flagello, hanno un movimento a elica, diverso dal movimento a onda nei flagelli eucariotici. Esternamente è presente una sorta di parete cellulare costituita da peptidoglicani. Alcuni procarioti possono avere anche una membrana esterna.

• Batteri gram-positivi: non presentano la membrana esterna e possono essere colorati con la colorazione gram, che riesce a intercalarsi nella parete cellulare.
• Batteri gram-negativi: non permettono al colorante di attaccarsi alla parete.

Alcuni procarioti hanno, oltre alla membrana esterna, una capsula composta prevalentemente da zuccheri, che protegge l'organismo dall'ambiente esterno. Inoltre, alcuni possiedono estroflessioni dalla membrana plasmatica chiamate pili, utilizzate per prendere contatto con altri organismi e scambiare materiale genetico (coniugazione). I batteri possono assumere diverse forme, come cocchi (sferici), bacilli (bastoncelli) e spirilli.

Cellula eucariotica

Vegetale

• Parete cellulare composta da cellulosa
• Cloroplasti: mediano la fotosintesi
• Vacuolo centrale: organulo riempito d'acqua

Il nucleo è l'organulo più grande e altri organuli si sono evoluti per permettere le reazioni metaboliche. La membrana plasmatica, definita nel 1980, ha una struttura come un mosaico fluido, costituito da diverse molecole in movimento: fosfolipidi, proteine, colesterolo e oligosaccaridi. Regola la concentrazione dei soluti tra esterno e interno.

Lipidi di membrana

• Fosfolipidi: testa polare e coda idrofobica. Formano un doppio strato e sono anfipatici.
• Fosfogliceridi: composti da due acidi grassi e un alcol (glicerolo). Presentano diversi tipi di teste polari in base al tipo di membrana plasmatica: fosfatidil-colina, fosfatidil-serina, fosfatidil-inositolo, fosfatidil-etanolammina.
• Sfingolipidi: simili ai lipidi di membrana, ma basati sulla sfingosina. Sono presenti soprattutto nelle cellule nervose.
• Steroidi: il colesterolo è quasi totalmente idrofobico e si inserisce nella membrana prendendo contatto con i diversi fosfolipidi.

Proteine di membrana

Le proteine di membrana interagiscono in base alle caratteristiche degli amminoacidi: non polari idrofobici nelle code e polari nell'ambiente extra e intracellulari.

• Intrinseche o transmembrana: riescono ad attraversare la membrana con un'unica alfa elica (monopasso) o con più domini alfa elica (multipasso). Alcune proteine formano canali attraverso la membrana (multimeriche).
• Estrinseche o periferiche: associate alla membrana ma non in grado di attraversarla, sono solo a contatto e presentano amminoacidi polari. Sono appoggiate o ancorate al doppio strato fosfolipidico attraverso modificazioni che inseriscono due acidi grassi all'interno del doppio strato.

I microfilamenti di actina fanno parte del citoscheletro cellulare e sono associati alla membrana. Servono per dare struttura e forza alle cellule. Molti movimenti della cellula sono mediati da queste proteine. I carboidrati di membrana sono zuccheri legati alle proteine o ai lipidi di membrana, quasi sempre sul lato extracellulare.

• Glicoproteine: responsabili dei gruppi sanguigni.
• Oligosaccaridi: etichettano le nostre cellule e le riconoscono nel loro ambiente.

Le membrane plasmatiche sono fluidi bidimensionali. Dopo la fusione di due membrane, le proteine iniziano a mescolarsi. Nel doppio strato fosfolipidico, le proteine e i fosfolipidi possono muoversi lateralmente in continuazione all'interno del doppio strato (diffusione laterale) perché non sono legati da legami covalenti. Tuttavia, la diffusione trasversale è impedita e permessa solo attraverso enzimi. Le uniche forze che stabilizzano la struttura sono le forze di Van der Waals presenti tra le code. Anche le proteine non sono connesse al doppio strato attraverso legami covalenti. Questo facilita i movimenti laterali, ma le proteine non possono spostarsi dal lato extracellulare all'interno per la presenza di domini idrofilici e idrofobici, se non grazie all'azione degli enzimi.

Membrana e permeabilità

La membrana è permeabile a gas e piccole molecole apolari, ma impermeabile a ioni e molecole polari. Le membrane plasmatiche sono selettivamente permeabili e permettono il passaggio solo di alcune molecole (gas, piccole molecole apolari), mentre altre (ioni, molecole polari, zucchero, sodio, potassio, calcio) non possono attraversarla facilmente.

Diffusione semplice

La diffusione semplice avviene secondo gradiente, da minor a maggior concentrazione, senza spese energetiche. Anche le molecole d’acqua si muovono secondo il gradiente di concentrazione tramite osmosi, un tipo di diffusione semplice. Il processo di osmosi riguarda il passaggio del solo solvente da una soluzione ipotonica a una ipertonica, fino a che la concentrazione di soluto non diventa identica, diluendo così la soluzione più concentrata. Questo processo è fondamentale per la fisiologia delle nostre cellule, immerse in soluzioni isotoniche. La pressione osmotica è esercitata per impedire il movimento dell'acqua da una soluzione ipotonica a una ipertonica.

Nei globuli rossi, si verifica la plasmolisi, ossia la rottura della membrana quando vengono messi in soluzione ipotonica, oppure il raggrinzimento, ossia l'uscita di acqua per diluire la soluzione ipertonica. Il movimento osmotico del citoplasma mantiene costante la concentrazione dei soluti nelle soluzioni isotoniche. Oltre al movimento osmotico, si possono evidenziare trasporti di singoli soluti secondo o contro il gradiente.

Diffusione facilitata

La diffusione facilitata è un processo di trasporto di ioni e composti polari secondo il gradiente di concentrazione, senza utilizzo di energia. La cellula facilita l'attraversamento della membrana grazie a delle proteine di membrana.

• Canali ionici: complessi proteici attraversano il doppio strato lipidico creando un canale riempito di molecole d’acqua attraverso il quale possono passare gli ioni. Questi canali non sono sempre aperti affinché la cellula possa regolare il contenuto dei diversi soluti in base alle sue necessità. Vengono aperti dopo una segnalazione di una molecola che si lega sul canale ionico, il quale si apre e permette il passaggio di ioni secondo gradiente, un esempio di comunicazione nervosa. I canali ionici sono specifici per ioni come potassio e sodio.
• Carrier o trasportatori: il glucosio cerca di entrare all’interno della cellula, ma essendo più grande ha bisogno di complessi di transmembrana chiamati carrier, che riconoscono in modo specifico la molecola da trasportare. I trasportatori sono normalmente aperti verso l'esterno dove la concentrazione di glucosio è maggiore e presentano un sito di legame forte per il glucosio, che si lega all'interno della proteina. Dopo il legame, la proteina cambia conformazione, si apre verso l'interno, perde il sito di legame e rilascia la molecola all'interno della cellula. La diffusione facilitata avviene secondo il gradiente di concentrazione. La presenza dei carrier rende più efficace l'ingresso del glucosio, ma questo trasporto è limitante per il numero di carrier.

Le concentrazioni di quasi tutti i soluti ai due lati della membrana sono spesso differenti per la presenza di un trasporto contro gradiente di concentrazione, che richiede spesa energetica, noto come trasporto attivo.

• Primario: richiede spesa energetica immediata (ATP).
• Secondario: non richiede spesa di energia, ma utilizza il gradiente di concentrazione di un'altra sostanza.

Modalità di trasporto

• Uniporto: trasporto di una singola sostanza.
• Simporto: movimento accoppiato di due molecole nella stessa direzione.
• Antiporto: movimento accoppiato in direzioni opposte, come nel trasporto attivo primario della pompa sodio-potassio. Questo complesso proteico è alla base del mantenimento delle concentrazioni differenti ai due lati della membrana. La pompa spende energia per mantenere alta la concentrazione di sodio all'esterno e del potassio all'interno. Inizialmente è aperta verso l’interno con tre siti di alta affinità per il sodio, che si lega alla pompa. Il legame di tre ioni di sodio provoca la fosforilazione (spesa energetica mediante legame di un gruppo fosfato dall'ATP alla proteina), causando un cambiamento strutturale. Si apre e perde i tre siti per il sodio all'esterno (trasporto contro gradiente), creando due siti di legame per il potassio. Due molecole di potassio si legano alla pompa, provocando un cambiamento conformazionale e la pompa ritorna nel suo stato basale. La pompa mantiene differenti concentrazioni che possono essere utili per qualche funzione cellulare.

Trasporto attivo secondario

Il trasporto attivo secondario avviene contro il gradiente di concentrazione utilizzando il gradiente di un’altra sostanza.