Biologia (lezioni)

La cellula

Procariotiche

Procariotiche sono gli organismi unicellulari (batteri), hanno dimensioni di circa 1-10µm, sono prive di nucleo e prive o povere di compartimenti interni. Inoltre possiedono una parete cellulare e il genoma della cellula è costituito da una molecola di DNA singola e circolare.

Eucariotiche

Eucariotiche sono gli organismi pluricellulari (cellule vegetali e animali), hanno forme e dimensioni differenti tra i 10-100µm. Sono dotate di un nucleo, di membrana cellulare (animali) o di parete cellulare (vegetali) e di compartimentalizzazione interna delle attività. Il genoma è contenuto nel nucleo ed è organizzato in cromosomi.

Ciclo di vita della cellula

La cellula nasce, cresce (buona parte dell’informazione genetica riguarda la sintesi degli enzimi, in questa fase avvengono le reazioni di sintesi degli enzimi), si muove, regola i processi, si riproduce (meccanismo di replicazione del DNA, meccanismo di ripartizione del materiale replicato e meccanismi di divisione cellulare), risponde agli stimoli, si adatta ai cambiamenti dell’ambiente (meccanismo d’evoluzione per selezione naturale) e muore.

Composizione della cellula

Atomi

Gli atomi più comuni sono H, O, C, N, P, S. In particolare, il C è l’atomo che compone principalmente lo scheletro delle molecole biologiche. Importanti sono i legami tra questi atomi:

• Legame covalente: semplice (ad esempio tra due atomi d’idrogeno che raggiungono la stabilità condividendo due elettroni formando una molecola d’idrogeno) oppure doppio (ad esempio dati due atomi di ossigeno che condividono due coppie di elettroni andando a formare l’ossigeno molecolare).

Si definisce composto organico un composto in cui uno o più atomi di carbonio sono uniti tramite legami covalenti ad atomi di altri elementi.

Proteine

L’unità fondamentale che le forma è l’amminoacido, ne esistono circa 20 e 9 di questi sono definiti essenziali ovvero non sono sintetizzabili dal nostro organismo. Un amminoacido è costituito da un gruppo ammino, da un gruppo carbossilico e da una catena R la quale va a determinare le proprietà chimico fisiche dell’amminoacido. In particolare quelli che non presentano atomi di O, N (atomi che interagiscono con l’acqua) sono 9 e sono idrofobici, questi costituiscono le proteine che si trovano all’interno così da non entrare in contatto con soluzioni acquose. Gli amminoacidi che invece presentano O, N, S sono idrofilici e si dividono in due gruppi: quelli neutri e quelli che invece presentano catene laterali cariche.

Struttura delle proteine

Struttura primaria

Si forma in seguito a condensazione o disidratazione tra due amminoacidi con conseguente formazione di legami polipeptidici (covalenti) che sono molto forti in quanto questa struttura deve essere solida. La reazione in sé non ha bisogno di energia che invece serve per il trasporto degli amminoacidi. Inoltre, la cellula ha anche bisogno di informazioni per sapere come lavorare gli amminoacidi. Unendo due soli amminoacidi non si può ancora parlare di struttura proteica che invece si ha con circa 100 amminoacidi (un po’ meno di 100 si ha un polipeptide). Per avere una proteina funzionale è necessario un tot di legami covalenti ma non è sufficiente.

Struttura secondaria

Si forma in seguito alla formazione di legami deboli (facili da attivare e distruggere) interni alla struttura. Si può avere una struttura α-elica dove ogni giro è costituito da 4 amminoacidi e si formano legami a idrogeno (tra il gruppo imminico NH e il gruppo carbonilico) tra gli amminoacidi 1-4, 2-5, 3-6… Questi legami a idrogeno sono paralleli all’asse principale e le catene R sono esterne a causa del loro ingombro sferico. Si può anche avere una struttura β-foglietto che si forma per ripiegamento di una catena (intracatena) o per avvicinamento di più catene (intercatena). In questa struttura le catene R sono esterne alternate e i legami a idrogeno sono perpendicolari all’asse principale. Inoltre, può essere in antiparallelo o in parallelo a seconda della posizione del gruppo carbossilico e amminico/imminico.

Struttura terziaria

Per circa il 70% / 80% delle proteine si tratta della struttura che le rende funzionali, si parla infatti di proteine monomeriche. Consiste in un ulteriore ripiegamento con conseguente formazione di proteine miste o prevalentemente ad α-elica o prevalentemente a β-foglietto. In questa struttura vi sono poi aree definite di random coil dove non vi è nessuna struttura e che fungono semplicemente da legame tra due strutture diverse. La forma finale può essere lineare se la struttura è allungata oppure globulare. Si possono formare nuovi legami covalenti (forti) detti legami a ponte disolfuro.

Struttura quaternaria

Riguarda solo il 30% / 20% di proteine non funzionali in struttura terziaria, le proteine dette multimeriche. Si tratta dell’insieme ed unione di più proteine terziarie uguali (omomeriche) o differenti (eteromeriche). Un esempio di quest’ultime è l’emoglobina.

Lipidi

L’unità fondamentale è l’acido grasso che si tratta di una catena non ramificata di idrocarburi (coda apolare) legati ad un gruppo carbossilico (testa polare), possono essere saturi se hanno legami covalenti tra i C oppure insaturi se presentano doppi legami. I lipidi sono molecole idrofobiche e solubili in soluzioni apolari, sono anche detti anfipatici poiché presentano una piccola parte idrofilica. Insieme alle proteine si tratta dei costituenti principali e fondamentali della membrana cellulare, inoltre fungono da importante riserva energetica ma sono anche messaggeri chimici e isolanti termici.

Trigliceridi

Sono i lipidi presenti in maggior quantità e che svolgono il ruolo di riserva energetica, sono costituiti da glicerolo e acidi grassi (a seconda di quanti acidi grassi vi sono prendono il nome di mono-, di-, tri-gliceridi). Inoltre, se gli acidi grassi che compongono la molecola sono saturi si parla di grassi solidi se invece sono insaturi si parla di oli.

Fosfolipidi

Principali costituenti della membrana cellulare, si suddividono in due classi, i fosfogliceridi che presentano il glicerolo e che hanno una struttura anfipatica con una parte idrofilica che interagisce con acqua. Oppure gli sfingolipidi che invece al posto del glicerolo presentano la sfingosina.

Steroidi

Si tratta di molecole prevalentemente idrofobiche che presentano una struttura carboniosa ciclica a 4 anelli condensati legati ad altre catene o a gruppi funzionali. Tra questi troviamo gli acidi biliari, gli ormoni sessuali e il colesterolo. Quest’ultimo è una molecola anfipatica e si trova inserito tra i fosfolipidi che vanno a costituire la membrana cellulare, si può trovare anche nel plasma dove viene trasportato da proteine di trasporto a causa della sua natura idrofobica. I sali biliari emulsionano i grassi nell’intestino così da favorirne l’idrolisi. Il cortisolo è sintetizzato a partire dal progesterone sintetizzato dal colesterolo che ha un’azione antiinfiammatoria.

Zuccheri

Sono l’unità costitutiva di diverse macromolecole come monosaccaridi, polisaccaridi e disaccaridi. Svolgono diverse importanti funzioni all’interno della cellula, in particolare sono una fonte d’energia e riserva energetica per la cellula stessa, sono anche utilizzati come materiali di partenza per la sintesi di altri costituenti ed infine nelle cellule vegetali fungono anche da sostegno della parete cellulare.

Monosaccaridi

Sono quelli costituiti da un unico monomero e vengono classificati in base al numero di atomi di carbonio, solitamente ne hanno dai 3 ai 7. A ciascun atomo di carbonio è legato un gruppo ossidrilico tranne uno che è legato con un doppio legame a un atomo d’ossigeno, così da formare il gruppo carbonilico (se questo è in posizione terminale abbiamo un’aldeide, se no un chetone). Tra i più importanti vi è il glucosio che è il monosaccaride più abbondante nelle cellule, è prodotto dagli stessi organismi ed è fonte di energia per le cellule. Il glucosio in soluzione esiste come un anello a 5 atomi di carbonio e 1 d’ossigeno; quando si forma l’anello esistono due possibili isomeri: l’alfa e il beta glucosio.

Disaccaridi

Sono quelli costituiti da due monomeri come ad esempio il saccarosio che si forma in seguito ad una reazione di condensazione tra il glucosio e il fruttosio. In seguito a questa reazione tra due monomeri viene a crearsi un legame glicosidico tra il C1 del primo monomero e il C4 del secondo monomero. Inoltre, partendo da un disaccaride possiamo anche ottenere i due monomeri di partenza attraverso una reazione di idrolisi con consumo d’acqua.

Polisaccaridi

Si tratta di macromolecole dalla struttura lineare o ramificata composte da unità ripetute di zuccheri più semplici. Un esempio è il glicogeno che è una catena molto ramificata che funge da riserva nelle cellule animali. Un altro esempio è la cellulosa che invece ha una struttura più lineare ed è presente nella parete delle cellule vegetali. Inoltre, come le proteine possono presentare una struttura secondaria ad elica.

Acidi nucleici

L’unità costitutiva sono i nucleotidi costituiti da uno zucchero, da fosfato e da una base azotata quest’ultima differenzia i diversi nucleotidi.

DNA

Acido desossiribonucleico, è presente in tutte le cellule e contiene un’elevata quantità d’informazione, può essere duplicato ed è presente in quantità costante nelle molecole. Il DNA è costituito da 4 tipi di nucleotidi (basi azotate: adenina, timina, guanina, citosina). In particolare, i nucleotidi che costituiscono il DNA si legano tra di loro tramite legami fosfodiesterici che si originano per reazioni di condensazione tra il C3 dello zucchero e il C5 dello zucchero successivo tramite il gruppo fosfato che funge da ponte. Il DNA ha una struttura a doppia elica formata da due filamenti antiparalleli e complementari. Per complementari si intende l‘ordine di appaiamento delle basi azotate che è C-G e A-T. Per rinforzare il legame tra le basi azotate si formano dei legami a idrogeno (2 tra A-T e 3 tra C-G). Per antiparallele invece si intende il fatto che un filamento ha orientamento 3 – 5 e l’altro ha orientamento 5 – 3. Alcune particolari caratteristiche della struttura del DNA sono la bassa affinità delle basi azotate con l’acqua, la presenza di una carica sui gruppi fosfati e la polarità degli zuccheri che si trovano per questo all’esterno dell’elica. I nucleotidi possono essere trasformati tramite degli enzimi, l’ATP può essere trasformato in AMP ciclico (segnalatore intracellulare) grazie all’adenilato ciclasi, altro importante nucleotide è il NAD+ (fondamentale nelle ossidoriduzioni biologiche), il NADPH (trasportatore di elettroni).

RNA

Acido ribonucleico, è costituito anch’esso da nucleotidi (basi azotate: adenina, citosina, guanina, uracile). Lo zucchero che costituisce l’RNA è il ribosio. L’RNA non ha una struttura a doppia elica anche se in casi particolari può essere presente un doppio filamento e l’orientamento dei tratti appaiati è antiparallelo. Vi sono tre differenti tipi di RNA: mRNA, rRNA, tRNA.

Ruolo dell'ATP

Importante è quindi il ruolo svolto dall’ATP che consiste in un deposito di energia per le reazioni chimiche, l’ATP è sintetizzato tramite una reazione di fosforilazione in cui si aggiunge un gruppo fosfato all’ADP. Quando serve, quindi, l’ATP cede la sua energia tramite la sua idrolisi ad ADP.

Nota Bene: tutte le proteine si legano ad altre molecole e questo legame presenta una grande specificità. La sostanza che si lega alla proteina prende il nome di ligando (i legami che si formano sono deboli quindi più ligando e proteina si adattano più legami si formano). La zona in cui avviene il legame si chiama sito di legame del ligando ed è costituita da amminoacidi. Altra parte importante della proteina è il dominio SH2 che viene usato per spostare la proteina in siti intracellulari. Inoltre, in una proteina parti confinanti di catena possono interagire per limitare l’accesso dell’acqua ai siti di legame; se infatti un sito di legame viene mantenuto asciutto aumenta la reattività di quel sito. Le proteine poi si possono legare tra di loro in molteplici modi: una porzione della superficie di una proteina entra in contatto con un’ansa di catena polipeptidica oppure quando due catene polipeptidiche di due proteine diverse si accoppiano formando una coiled coil; infine, il tipo più comune di interazione fra proteine avviene tramite un adattamento di una superficie rigida ad un’altra.

Enzimi

Un esempio è il lisozima che catalizza una reazione di idrolisi dove una molecola d’acqua viene aggiunta a un legame singolo fra due zuccheri causandone la rottura. Infatti, il lisozima va a distorcere uno zucchero tenendo il legame da rompere vicino a due amminoacidi a catena acida che partecipano alla reazione. Altri meccanismi simili vengono usati da altri enzimi per abbassare energie d’attivazione o accelerare le reazioni. Gli enzimi inoltre presentano spesso una piccola molecola organica o un atomo di metallo che sono associati al loro sito attivo e coadiuvano la funzione catalitica; queste molecole prendono il nome di coenzimi.

Importante è quindi la velocità di una reazione, questa può essere aumentata combinando i vari enzimi formando un complesso multienzimatico. Il processo che regola la velocità opera tramite un cambiamento diretto e reversibile dell’attività di un enzima alterando la velocità di conversione dei substrati, ad esempio tramite substrati. Tramite gli enzimi le proteine possono essere modificate per fosforilazione in tre modi importanti: l’aggiunta di un gruppo fosfato tramite enzima può infatti comportare: l’attrazione di un gruppo di catene laterali di amminoacidi, un gruppo fosfato può formare parte di una struttura riconosciuta dai siti di legame di altre proteine, infine l’aggiunta di un gruppo fosfato può nascondere un sito di legame andando a impedire l’interazione proteina-proteina.

Acqua

H₂O è una molecola coesiva per la presenza di legami a idrogeno, ovvero tende ad attaccarsi ad altre molecole d’acqua ed è anche adesiva ovvero tende ad attaccarsi ad altri composti. L’acqua ha anche la capacità di stabilizzare la temperatura grazie al calore specifico che è piuttosto elevato a causa dell’elevato numero di legami a idrogeno. L’acqua inoltre è un solvente e vengono definiti idrofobici i soluti che faticano a sciogliersi in acqua e idrofili quelli che invece si sciolgono velocemente.

Osmosi

Si tratta di un particolare processo che vede il passaggio di acqua da una soluzione più diluita a una meno diluita attraverso una membrana semipermeabile.

Membrana cellulare

S.J. Singer e G. Nicolson, nel 1972, ipotizzarono un modello a mosaico fluido della membrana dove la membrana era vista come un mosaico di proteine incluse in modo discontinuo in un doppio strato lipidico fluido. Non si tratta inoltre di un modello statico, infatti le proteine cambiano posizione continuamente. In particolare, la membrana cellulare è una barriera permeabile idrofobica, costituita da fosfolipidi, glicolipidi, colesterolo e proteine di membrana. Il doppio strato lipidico è quindi composto da molecole anfipatiche ovvero con una porzione polare e una apolare. Queste molecole anfipatiche, se esposte a un ambiente acquoso, racchiudono le code idrofobiche all’interno ed espongono le teste polari; queste stesse forze che provocano la formazione del doppio stato portano anche i fosfolipidi ad autoripararsi.

Una caratteristica fondamentale delle membrane è la fluidità, ovvero non devono essere rigide a basse temperature né disgregarsi a temperature elevate; questo dipende dalla presenza di colesterolo e dalla quantità di acidi grassi che vi è all’interno della membrana. Il colesterolo infatti è una molecola idrofobica ma per la presenza del gruppo ossidrilico è leggermente anfipatica: a basse temperature funge da spaziatore evitando la solidificazione mentre ad alte temperature evita che la membrana si destabilizzi.

Componenti della membrana cellulare

• Glicolipidi: si trovano principalmente sul lato extracellulare, la distribuzione asimmetrica è determinata dall’aggiunta di zuccheri alle molecole lipidiche. I glicolipidi svolgono la funzione di proteggere le membrane e di riconoscimento cellulare.
• Fosfolipidi: distribuiti in modo differente e questo provoca la presenza di cariche negative sul lato citosolico.
• Colesterolo: presente principalmente nelle zone più alte del foglietto esterno.
• Glicoproteine: presentano i residui di zuccheri solo sul lato esterno.
• Fosfolipidi e proteine possono infine muoversi all’interno della membrana attraverso tre differenti tipi di movimento: diffusione laterale (spostamento laterale), rotazione (ruotano intorno al proprio asse) ed infine diffusione trasversale (attraversano l’intera membrana e passano sul lato opposto).

Proteine di membrana

Tra le proteine che costituiscono la membrana ci sono:

• Integrali di membrana: sono quelle che attraversano il doppio strato fosfolipidico e possono attraversarlo completamente come nel caso delle monopasso (1 volta) e delle multipasso (più volte) oppure possono attraversarlo parzialmente.