Biologia e Genetica - Appunti

Biologia e genetica

Basi chimiche e organizzazione molecolare della "vita"

Ciò che più di ogni altra cosa distingue il mondo animato dal mondo inanimato è l'informazione genetica, il progetto scritto nei nostri geni. Il solo DNA, tuttavia, non può generare la vita ma necessita dell'organizzazione cellulare; inoltre tutti gli elementi che appartengono alla cellula sono presenti anche nella natura animata.

L'acqua

L'acqua (H₂O) occupa un ruolo importantissimo per gli organismi viventi pari al ruolo svolto dal carbonio (C). L'acqua si comporta come un dipolo elettrico, l'ossigeno (O) essendo più elettronegativo, attira mediamente più elettroni rispetto all'idrogeno (H) che presenta invece una leggera carica positiva. Com'è noto, ogni molecola d'acqua ha formula bruta H₂O, un atomo di ossigeno forma 2 legami covalenti con 2 atomi di idrogeno. L'ossigeno presente nell'acqua (configurazione sp³) presenta una coppia di elettroni non condivisa ed ha la possibilità di formare 4 legami ad idrogeno ("legami ad H") fungendo da donatore per 2 di essi e da accettore per gli altri due: ogni molecola d'acqua, quindi, tiene legate a sé altre 4 molecole d'acqua. La temperatura può indurre dei cambiamenti a questa proprietà dell'acqua.

Ricordiamo che la stabilità di un legame è inversamente proporzionale alla sua lunghezza: legami corti (es: legame covalente) saranno più forti e stabili rispetto ai legami lunghi (es: legame ad H).

Disegno 1: I quattro legami ad idrogeno che possono essere formati da una molecola d'acqua. Lo schema non rispetta la reale disposizione spaziale, tetraedrica, essendo l'ossigeno in ibridazione sp³.

Se si fornisce energia al sistema, i legami covalenti diventano legami ad H e viceversa. Il cambiamento appena descritto non avviene se l'acqua è allo stato solido (ghiaccio) perché sia i legami covalenti sia quelli ad H sono stabili. Ciò che differenzia i due stati (liquido e solido) non è il numero dei legami ma la stabilità degli stessi: nell'acqua allo stato liquido i legami ad H si rompono e formano continuamente permettendo alle molecole d'acqua di scivolare l'una sull'altra e conferendo fluidità e stabilità al sistema.

Dalla appena esposta struttura dell'acqua scaturiscono le seguenti proprietà:

• Elevata coesione: è dovuta alla tendenza delle molecole d'acqua ad unirsi tra di loro.
• Elevata tensione superficiale: poiché ogni oggetto che deve penetrare una massa d'acqua deve rompere i legami ad H tra molecole adiacenti, la superficie dell'acqua si mostra particolarmente resistente (tranne ad oggetti a forma di cuneo).
• Elevata capacità termica: l'acqua assorbe molto bene il calore che utilizza per scambiare i legami ad H con le molecole circostanti e quindi la temperatura cresce di poco.
• Elevato calore di evaporazione: per far evaporare l'acqua bisogna rompere i legami ad H che tengono unite le molecole d'acqua. Il calore necessario per fare questo è molto più elevato rispetto ad altri liquidi.
• Elevato punto di ebollizione ed elevato punto di fusione: in base al peso molecolare l'acqua dovrebbe congelare a 125°C e bollire a circa -75°C ma grazie alla presenza di ponti ad H, si comporta come una sostanza a più alto peso molecolare e quindi congela a 0°C e bolle a 100°C.

L'acqua come solvente

L'acqua è il solvente di elezione per tutte le reazioni di interesse biologico. La capacità di solubilizzare le sostanze è dovuto alla rottura dei legami tra le molecole sia del soluto che del solvente e all'intimo mescolamento delle molecole tra di loro. Se la soluzione si forma spontaneamente significa che l'energia che si libera per la rottura dei legami tra le molecole sia del soluto sia del solvente è sufficiente a creare nuovi legami tra le molecole del soluto con quelle del solvente.

Vista la proprietà polare dell'acqua risulta che i composti polari (come l'acqua stessa) si sciolgano bene in acqua (per via delle interazioni tra dipoli e relativa formazione di legami ad H) mentre le sostanze apolari non si sciolgono in acqua (perché tra il soluto e l'acqua non si riescono a creare legami sufficientemente forti da compensare l'energia richiesta per rompere i legami ad H tra le molecole d'acqua).

Rapporti tra acqua e composti anfipatici

I composti anfipatici presentano nella loro molecola una parte polare ed una apolare (es: fosfolipide): questo permette loro di interagire con l'acqua da una parte e di venire espulsi dall'altra. Grazie a questa proprietà si possono avere 3 tipi di struttura:

• Si può avere la formazione di micelle, se le molecole si dispongono a cerchio con la parte idrofila verso l'acqua e la parte idrofobica verso il centro del cerchio.
• Si ha la formazione di strati monomolecolari quando le molecole anfipatiche, disposte in monostrato le une accanto alle altre (come un muro), si dispongono con la parte idrofila verso l'acqua e la zona idrofobica lontana dall'acqua.
• Si possono avere le membrane quando un doppio strato di molecole anfipatiche (fosfolipidi nella fattispecie) si dispongono in modo da rivolgere le zone polari verso l'acqua e le zone apolari all'interno. Questa è la condizione che troviamo nelle membrane cellulari.

I carboidrati

La formula bruta dei carboidrati (o glucidi o idrati di carbonio) è C_nH_2nO_n. Il nome deriva dal fatto che si pensava che ad una molecola di C fosse legata una di H₂O: ciò non risulta vero infatti al Carbonio troviamo legati gruppi idrogenionici (H) e ossidrilici (OH). L'unità di base, più semplice e non idrolizzabile (l'idrolisi è il processo grazie al quale aggiungendo acqua ad una molecola, questa si scopone in molecole più semplici) è definita monosaccaride. Un disaccaride può essere scisso in due monosaccaridi, mentre un polisaccaride fornisce, sempre per idrolisi, numerose molecole di monosaccaride.

Monosaccaridi

Si tratta dei carboidrati più semplici, facilmente solubili in acqua e di dolce sapore (infatti sono anche detti zuccheri). Si possono classificare in base a:

• Presenza del gruppo aldeico (CHO) o chetonico (C=O) per cui vengono definiti aldosi o chetosi (nota che la desinenza -osi identifica i carboidrati e -osio identifica i monosaccaridi e i disaccaridi);
• Numero di atomi di carbonio che costituiscono lo scheletro carbonioso. Abbiamo, quindi, i triosi, tetrosi, pentosi, esosi ed eptosi. Lo scheletro della molecola può contenere un massimo di 9 atomi di carbonio.

Quindi un monosaccaride, avrà tutti i C legati a gruppi idrogenionici e ossidrilici tranne un C che sarà legato ad un gruppo aldeico (CHO) o chetonico (CO). Sebbene tutti i carboidrati abbiamo la stessa formula bruta e stessa struttura, i componenti si trovano spesso in posizioni spaziali differenti e sono detti isomeri ottici. Per di più in molti casi la configurazione risulta speculare e non sovrapponibile (enantiomeri con proprietà chirale) come la mano destra e sinistra, che risultano uguali ma non sovrapponibili ma "a specchio". Questo genera 2 tipi di monosaccaridi quelli della serie D (i più abbondanti) e quelli della serie L.

Il monosaccaride più comune è il glucosio (C₆H₁₂O₆) che essendo uno zucchero a 6 atomi di carbonio e contenendo un gruppo aldeico è quindi detto aldoesoso, così come il galattosio. Il fruttosio, lo zucchero della frutta, è uno dei pochi zuccheri chetosi abbondanti in natura ed è uno chetoesoso. Gli aldopentosi più famosi sono il desossiribosio e il ribosio, costituenti rispettivamente della molecola di DNA e RNA.

Disaccaridi

I disaccaridi sono carboidrati formati dal legame glicosidico di due monosaccaridi. Il legame glicosidico avviene tra due particolari gruppi ossidrilici dei 2 zuccheri, ed essendo una reazione di condensazione, viene prodotta una molecola d’acqua. Tra i più comuni troviamo il saccarosio (glucosio + fruttosio) e il lattosio (galattosio + glucosio).

Polisaccaridi

Sono carboidrati formati dal legame covalente di diversi monosaccaridi. Il glicogeno, per esempio, è un polimero di glucosio, così come l'amido. La cellulosa, conosciuta anche come fibra alimentare, passa attraverso il sistema gastrointestinale senza essere modificata perché il nostro organismo non è in grado di digerirla.

I lipidi

Per lipidi si intende una classe di composti eterogenei ed è quindi impossibile indicarne una formula generale come per i carboidrati. La caratteristica comune a questi composti è la solubilità in solventi apolari (quindi l'acqua va esclusa) e il grande potere energetico che contengono, superiore alle altre biomolecole. I lipidi che hanno funzione di riserva energetica vengono definiti lipidi di deposito, quelli che fanno parte delle membrane o comunque partecipano alla struttura di molecole, sono detti lipidi strutturali. Esistono, inoltre, lipidi che svolgono attività ormonale, come quelli steroidei (il cui precursore è il colesterolo).

Gli acidi grassi concorrono nella formazione di gran parte dei lipidi e sono costituiti da uno scheletro carbonioso relativamente lungo che termina con un gruppo carbossilico (COOH). Se un acido grasso contiene solo atomi di carbonio con legami semplici, l'acido si dice saturo; se invece vi è la presenza di uno (acido grasso monoinsaturo) o più doppi legami l'acido grasso si dice polinsaturo. Gli acidi grassi saturi hanno un punto di fusione più elevato di quelli insaturi (perché le catene possiedono singoli legami, sono libere di interagire tra esse ed è facile stabilire numerose interazioni di van der Waals).

Possiamo classificare i lipidi in due categorie:

• Lipidi semplici: i gliceridi sono lipidi semplici e sono costituiti da glicerolo legato ad uno o più acidi grassi. Avremo quindi i monogliceridi (1 acido grasso), i digliceridi (2 acidi grassi) e i trigligeridi (3 acidi grassi). Un trigliceride in cui tutti gli acidi grassi siano saturi, sarà solido a temperatura ambiente e verrà chiamato grasso, viceversa sarà liquido e verrà chiamato olio.
• Lipidi complessi: risultano essere anfipatici e divisibili in due categorie.
  • I fosfogliceridi: due gruppi alcolici del glicerolo sono esterificati con acidi grassi (di solito uno saturo e uno insaturo) e il terzo è esterificato con acido fosforico. Il capostipite dei fosfogliceridi è l'acido fosfatidico.
  • Gli sfingolipidi: il precursore è la sfingosina, un amminoalcol, può legare i gruppi alcolici del glicerolo a svariati gruppi ottenendo altrettanti tipi di lipidi.

Le proteine

Sono polimeri di grandi dimensione che hanno per monomeri gli amminoacidi. Attualmente il numero di amminoacidi è passato dagli storici a 20 a 22. Sono le molecole presenti in maggior numero nella cellula animale, costituendo la maggior parte del materiale strutturale della cellula (hardware cellulare) nonché agiscono come macchine catalizzatrici a livello molecolare (enzimi).

Gli amminoacidi sono uniti fra di loro grazie a reazioni di condensazione ed il legame che si viene a formare è detto peptidico. Se paragoniamo 22 amminoacidi esistenti all'alfabeto e sapendo che essi si combinano in milioni di sequenze differenti, creando delle "parole", possiamo immaginare un "linguaggio proteico". Dipendentemente dalla combinazione di questi monomeri otterremo proteine diverse che svolgono compiti diversi. Una proteina può, inoltre, essere composta da più catene polipeptidiche.

Grazie all'elevato numero di strutture e forme che le proteine possono assumere, sono in grado di svolgere molteplici funzioni:

• Enzimi: proteine che fungono da catalizzatori biologici, in grado di accelerare specifiche reazioni chimiche.
• Proteine strutturali: formano il citoscheletro e la maggior parte delle strutture extracellulari di sostegno (collageno, elastina, cheratina, ecc.).
• Trasporto di ioni: permettono il passaggio selettivo di determinate sostanze attraverso la membrana cellulare (carriers, pompe e canali ionici).
• Proteine contrattili: permettono la motilità delle cellule e degli organismi.
• Ormoni: molti ormoni sono proteici.
• Recettori: anch'essi sono in maggioranza di natura proteica.
• Proteine di trasporto: hanno il compito di trasportare le sostanze apolari nell'acqua.
• Anticorpi: particolari proteine che difendono l'organismo da minacce esterne.
• Proteine di deposito: materiale di riserva che viene usato all'occorrenza.
• Tossine: proteine che risultano tossiche per l'organismo.

Struttura chimica delle proteine

Le proteine si dicono semplici, quando sono costituite esclusivamente da amminoacidi o coniugate se troviamo anche altri gruppi non proteici (detti gruppi prostetici). Le proteine semplici si possono dividere in fibrose (di forma allungata, con rapporto assiale > 10, es: collagene, cheratina, miosina, ecc.) e globulari (di forma più o meno tondeggiante, con rapporto assiale < 10, es: enzimi, ormoni, ecc.). NOTA: rapporto assiale = lunghezza/larghezza.

Le proteine coniugate sono classificate in base alla natura del gruppo prostetico: glicoproteine (gruppo prostetico: carboidrati), lipoproteine (lipidi), emoproteine (gruppo eme), metalloproteine (ioni metallici), fosfoproteine (acido fosforico) e flavoproteine (nucleotidi flavinici). In una proteina coniugata, sovente, è possibile separare il gruppo prostetico dalla catena polipetidica, ottenendo le apoproteine. Il legame covalente tra gruppo prostetico e la catena polipeptidica avviene solo dopo che quest'ultima è stata sintetizzata. Questo fenomeno è noto come modificazione post-traduzionale delle proteine.

Amminoacidi e legame peptidico

Gli amminoacidi (ad eccezione della prolina) presentano una struttura comune, caratterizzata dalla presenza di un gruppo carbossilico acido (COOH) e un gruppo amminico basico (NH₂). I due gruppi sono legati allo stesso atomo di carbonio in posizione alfa (detto appunto carbonio alfa) e proprio per questo essi vengono detti alfa-amminoacidi. Un atomo di H legato al C-alfa completa la struttura invariante di un amminoacido.

Gli amminoacidi differiscono quindi per il loro gruppo R (gruppo radicale), che è specifica per ogni amminoacido. Osservando la formula, risulta evidente che il carbonio alfa è legato a 4 diversi costituenti, pertanto è un atomo di carbonio "asimmetrico" o "chirale"; ciò fa sì che ogni amminoacido esista in due forme isomeriche (stereoisomeri) che possono essere orientati nello spazio secondo due diverse conformazioni, L e D, l'una l'immagine speculare dell'altra. Gli amminoacidi presenti nelle proteine appartengono tutti alla serie L, sebbene la ricerca abbia dimostrato, anche nell'uomo, l'esistenza di esemplari D. L'unico amminoacido che non presenta stereoisomeri è la glicina in quanto il suo gruppo R è rappresentato da un singolo atomo di H.

Gli amminoacidi sono acidi e basi deboli, infatti in soluzione acquosa il gruppo carbossilico perde un protone e si carica negativamente (COO^-) mentre il gruppo amminico acquista un protone, caricandosi positivamente (NH₃⁺).

Gli amminoacidi costituenti le proteine vengono classificati in tre gruppi:

• Amminoacidi apolari, presentano il radicale apolare e risultano quindi insolubili in acqua;
• Amminoacidi polari, presentano il radicale polare e quindi sono solubili in acqua;
• Amminoacidi ionizzabili, presentano gruppi ionizzabili e quindi sono solubili in acqua.

L'organismo non è in grado di immagazzinare amminoacidi, per cui gli amminoacidi liberi nella cellula derivano dal catabolismo proteico (o di proteine interne al corpo, per esempio nei depositi del muscolo scheletrico o di proteine ingerite con la dieta). Gli amminoacidi liberi costituiscono quello che viene detto pool di amminoacidi, da cui le cellule traggono gli elementi necessari per la produzione di nuove proteine. Il legame peptidico (e relativa reazione di condensazione) si realizza tra gli amminoacidi per formare i peptidi e avviene tra il gruppo carbossilico del primo amminoacido e il gruppo amminico del secondo, con conseguente perdita di una molecola d'acqua (in realtà non si ha la formazione di acqua perché, prima della reazione, il gruppo carbossilico diventa carbonico (CO)). Il legame peptidico è un legame covalente CO-NH ed è una struttura planare e rigida, ovvero non è possibile effettuare rotazioni intorno al legame C-N.

Le catene polipeptidiche che si ottengono con la formazione dei legami peptidici risultano formate da uno scheletro (backbone) nel quale si succedono in modo regolare atomi di carbonio alfa-legame peptidico-atomi di carbonio alfa-legame peptidico e dal quale sporgono, in maniera apparentemente disordinate, i residui R. Tale struttura presenta quindi due estremità diverse, una delle quali espone un gruppo amminico libero (estremità amminoterminale o N-term) e l'altra un gruppo carbossilico libero (estremità carbossiterminale o C-term). Anche le due direzioni in cui si può percorrere la catena non sono equivalenti, quindi le catene polipeptidiche sono dotate di polarità. L'ordine degli amminoacidi, quindi, è importante: la sequenza degli amminoacidi in una catena polipeptidica è detta struttura primaria della proteina ed è geneticamente determinata (un gene specifica per quella proteina).

Organizzazione tridimensionale delle proteine

Nonostante siano costituite da amminoacidi legati in sequenza, le proteine non sono molecole filamentose ma si ripiegano su se stesse assumendo una struttura tridimensionale. Le proteine, come tutte le altre biomolecole, si organizzano in modo da minimizzare l'energia del sistema.