Citologia 1

Biologia cellulare e molecolare

Legami chimici nelle molecole biologiche

Nell'ambito delle molecole biologiche propriamente dette, il legame ionico ha scarsa rilevanza, ma risulta essenziale nel fornire la forza aggregativa fra gli atomi di quei composti che appartengono alla componente minerale della cellula e dei fluidi biologici in generale (elettroliti). Il legame covalente rappresenta il classico legame forte grazie al suo contenuto energetico che, secondo i casi, può variare da 50 a 100 kcal mol^-1. Nelle lunghe catene carboniose che caratterizzano molti composti organici, i diversi atomi di carbonio interagiscono tramite legami covalenti. All'importanza biologica del legame si assiste con la comparsa di cariche elettriche di segno opposto: sull'atomo capace di attrarre la nube elettronica staziona una carica negativa, mentre sull'altro, dove la nube elettronica risulta rarefatta, compare una carica positiva.

Questo fenomeno, detto polarizzazione, è della massima importanza in campo biologico; oltre a rivelarsi la causa principale di attrazione intermolecolare fra piccole molecole, esso risulta decisivo per l'insorgenza di quelle deboli, se considerate singolarmente, attrazioni intermolecolari che caratterizzano le principali macromolecole biologiche (per esempio, proteine e acidi nucleici). La polarizzazione, ovvero l'insorgenza e lo stazionamento di cariche elettriche in zone (anche distanti tra loro) di una molecola biologica, favorisce la completa o parziale compatibilità della stessa con il mezzo acquoso (idrofilia). Polarità e idrofilia sono, quindi, un binomio inscindibile.

Riassumendo, quindi, si può dire che il legame covalente rappresenta, nell'ambito della materia vivente, il legame forte per eccellenza. La formazione di un legame covalente può portare all'insorgenza di cariche elettriche localizzate che, a loro volta, sono la causa di forze attrattive deboli sia fra molecole diverse sia tra parti di una stessa molecola. Ma, anche molecole elettricamente neutre possono interagire tra loro tramite legami deboli, le cosiddette interazioni idrofobiche: ciò che si presenta privo di carica elettrica non mostra affinità per il solvente acquoso. Queste forze attrattive risultano simili alle forze di Van der Waals. Le interazioni idrofobiche dipendono dalla distanza delle molecole interagenti e risultano essenziali nella formazione delle membrane biologiche.

Componenti organici: macromolecole

Le macromolecole sono formate da unità che si ripetono e che sono legate fra loro da legami covalenti. Queste unità sono dette monomeri e la macromolecola che ne risulta è detta polimero. Il processo di unione dei monomeri a formare il polimero va sotto il nome di polimerizzazione. Si parla di omopolimeri quando si associano monomeri identici e di eteropolimeri quando si associano due o più specie molecolari.

Glucidi: carboidrati

I glucidi o carboidrati sono composti formati da carbonio, idrogeno e ossigeno, che costituiscono la parete cellulare della maggior parte delle cellule vegetali. Si distinguono in monosaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi.

• Monosaccaridi: Comprendono i glucidi che non possono essere idrolizzati in composti più semplici. Sono cristallizzabili e solubili in acqua. Quelli di interesse biologico hanno da tre a sette atomi di carbonio, i pentosi a cinque atomi di carbonio (ribosio e desossiribosio), gli esosi a sei atomi di carbonio (glucosio, galattosio e fruttosio). Se contengono un gruppo aldeidico sono definiti aldosi, se chetonico chetosi. I monosaccaridi almeno pentosi possono assumere una conformazione ad anello.
• Oligosaccaridi e Polisaccaridi: Nei polisaccaridi, che si dividono in omopolisaccaridi e eteropolisaccaridi, si annovera il glicogeno, che costituisce la principale forma di accumulo dei glucidi, soprattutto a livello delle cellule del fegato e dei muscoli.
• Glicosaminoglicani: Noti come GAG, sono lunghe catene polisaccaridiche composte da unità disaccaridiche che si ripetono. Esempi di questo sono l'acido ialuronico e l'eparina. I GAG svolgono un ruolo fondamentale per la struttura e la funzione di molti tessuti. Sono i costituenti essenziali della sostanza intercellulare amorfa dei tessuti connettivi. Questi, inoltre, essendo idrofili, legano grandi quantità di acqua formando gel.
• Proteoglicani: I proteoglicani sono grosse molecole costituite da GAG (95%) e proteine (5%). In queste molecole, i GAG sono attaccati covalentemente a residui di serina di una proteina centrale (core protein).
• Glicoproteine: Le glicoproteine sono una componente essenziale delle membrane plasmatiche del glicocalice. Glicoproteine di superficie sono gli antigeni che costituiscono i gruppi sanguigni e gli antigeni di istocompatibilità implicati nel rigetto dei trapianti, i recettori cellulari di superficie degli ormoni proteici e quelli che intervengono nel riconoscimento cellulare, nell'inibizione da contatto e, in genere, nelle interazioni cellulari.

Lipidi

I lipidi sono composti organici presenti negli organismi, caratterizzati da un'elevata solubilità nei solventi organici e dalla non solubilità in acqua. I lipidi sono detti semplici quando derivano dalla condensazione di lipidi non idrolizzabili, come colesterolo, grassi, oli, cere. Sono invece detti complessi se, oltre ai suddetti, ne contengono altri derivati da molecole non lipidiche.

• Lipidi Semplici: I gliceridi costituiscono la classe principale dei lipidi semplici e si suddividono in monogliceridi, digliceridi e trigliceridi. I digliceridi e i trigliceridi sono detti semplici o misti se gli acidi grassi legati sono uguali o diversi tra loro. I trigliceridi costituiscono la forma principale di deposito materiale energetico in molti organismi: la loro combustione produce più del doppio dell'energia liberata dagli zuccheri. Le miscele di trigliceridi, se liquide alla temperatura ambiente, sono oli, se solide, grassi. I lipidi semplici, per via del loro carattere idrofobico, tendono a depositarsi nel citoplasma sotto forma di piccole gocce isolate a causa della loro incapacità di interagire con l'acqua. Essi, inoltre, sono utilizzati da molte specie di animali come agenti impermeabilizzanti, e come depositi sottocutanei, i grassi, vengono usati come isolanti termici.
• Lipidi Complessi: Con carattere antipatico (presenza, nell'ambito della stessa molecola di zone polari e apolari), i lipidi complessi vengono divisi in fosfolipidi e glicolipidi, fosfogliceridi e sfingolipidi.

Proteine e aminoacidi

Le proteine, i cui monomeri costitutivi sono gli aminoacidi, sono sostanze anfotere.

• Struttura primaria: Una proteina è formata da una lunga catena di aminoacidi uniti fra loro con legame peptidico (-CO–NH-). Questo legame, detto anche carboamidico, si forma per condensazione del gruppo carbossilico di un aminoacido con il gruppo aminico del successivo.
• Struttura secondaria: A causa della rigidità delle giunzioni tra legami peptidici, è possibile soltanto un numero molto limitato di strutture secondarie di cui le principali sono: la configurazione α-elica e β-cheratina. Un tipo particolare di struttura secondaria è raffigurato dal tropocollagene, costituito da tre filamenti polipeptidici.
• Struttura quaternaria: Alcune proteine sono costituite, in condizioni fisiologiche, da più catene polipeptidiche, associate tra loro a formare un complesso proteico. L'emoglobina, è un tipico esempio di questa struttura. Questa, costituita da quattro catene polipeptidiche, a due a due uguali. Ogni globina ha una caratteristica struttura terziaria che consente di accogliere un gruppo tetrapirolico (l'eme) capace di legare l'ossigeno.

Proteasoma

In una cellula sotto stress, un gran numero delle sue proteine costituenti viene irrimediabilmente alterato. Queste molecole devono essere riconosciute, distrutte e quindi sostituite. A questo punto, sono stati individuati grossi complessi proteici in grado di demolire un gran numero di molecole proteiche. Per i suddetti complessi molecolari, fu coniato il nome di proteasomi.

Enzimi

Gli enzimi, che nella cellula ammontano a migliaia di tipi differenti, sono proteine. Essi vengono sintetizzati sotto controllo genetico e regolano l'intera gamma delle reazioni metaboliche cellulari.

• Ruolo degli enzimi nel metabolismo cellulare: I processi biochimici che consentono ai viventi di accrescersi, riprodursi e di svolgere compiti specifici sono detti anabolici, considerati endoergonici, in quanto hanno luogo con il consumo di energia, che proviene dall'ambiente sotto forma di energia radiante o di energia chimica contenuta negli alimenti. Le molecole alimentari vengono degradate e liberano così l'energia contenuta nei loro legami; queste reazioni demolitive sono definite cataboliche, in quanto forniscono energia. Quindi, l'insieme delle reazioni cataboliche e anaboliche costituisce il metabolismo. Possono catalizzare solamente reazioni favorite da un punto di vista termodinamico: un enzima non può far avvenire una reazione impossibile, e non può cambiare la direzione di una reazione, quindi, non influisce sull'equilibrio di una reazione. Molti enzimi, oltre alla componente proteica detta apoenzima (cui si deve la specificità verso il substrato), presentano una componente non proteica, il coenzima, che è strettamente necessaria per lo svolgimento dell'attività catalitica.
• Specificità enzimatica: La specificità d'azione degli enzimi è diretta sia verso il tipo di reazione, sia verso il substrato. Ciò significa che ciascun enzima si lega a una sola o a poche specie molecolari e catalizza un solo tipo di reazione. In base al tipo di reazione catalizzata, gli enzimi si dividono in:
  • Ossidoreduttasi: ossidazione
  • Transferasi: trasferimento di radicali
  • Idrolasi: idrolisi di legami peptidici, esterici e glucosidici
  • Sintetasi: reazione di sintesi di due o più molecole
  • Isomerasi: interconversione di isomeri
  • Liasi: rottura di legami

La velocità con cui un enzima catalizza una reazione è influenzata dall'affinità dell'enzima per il substrato ed è espressa dalla costante di Michaelis (K_m) e da fattori esterni, quali pH e temperatura.

Gli acidi nucleici

Esistono due tipi di Acidi Nucleici, la cui composizione chimica è molto simile: l'acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA). Essi sono sempre presenti in ogni forma di vita, dalle cellule procariotiche a quelle eucariotiche.

Struttura primaria del DNA e dell'RNA

Questi sono definiti polinucleotidi, in quanto la loro molecola è formata dall'unione di numerosissime unità semplici, dette nucleotidi. Ogni nucleotide è a sua volta formato da una base azotata, da un pentoso e da un radicale fosforico. Nel DNA il pentoso è il desossiribosio, nell'RNA il ribosio. Le basi azotate appartengono a due categorie: le primidiniche, costituite da un solo anello (che comprendono la timina T, la citosina C e l'uracile U) e le puriniche, formate da due anelli fusi insieme (che comprendono l'adenina A e la guanina G). Le due purine sono presenti sia nel DNA che nell'RNA. Le primidine presenti nel DNA sono la timina e la citosina, mentre nell'RNA sono la citosina e l'uracile. Al carbonio 1 dello zucchero si lega una delle cinque basi azotate: questo composto prende il nome di nucleoside. Per formare il nucleotide, il radicale fosforico si lega allo zucchero esterificando il gruppo alcolico in posizione 5 dello zucchero e formando un legame di estere fosforico.

Negli acidi nucleici i nucleotidi formano polimeri dando lunghe catene la cui struttura può variare in base alla sequenza dei nucleotidi stessi. L'unione tra due nucleotidi avviene per il fatto che il radicale fosforico ha due gruppi acidi e può esterificare il gruppo alcolico in posizione 3 di un'altra molecola di ribosio o di desossiribosio: si formano così catene in cui i vari nucleotidi sono uniti da legami fosforici presenti tra l'ossidrile del carbonio 5 di uno zucchero e l'ossidrile del carbonio 3 di uno zucchero successivo. Queste molecole polinucleotidiche sono acide perché ogni residuo di acido fosforico ha ancora un gruppo ossidrile acido: si parla per questo di acidi nucleici.

Struttura secondaria del DNA

La scoperta della struttura spaziale del DNA, dovuta a J. Watson e F. Crick (1953), è dovuta soprattutto a O.T. Avery (1944) che aveva apposto che il DNA è il responsabile di cambiamenti genetici nei batteri. Il modello a doppia elica dei due ricercatori fu costruito tenendo conto dei reperti di M. Wilkins sulla diffrazione ai raggi X di cristalli di DNA e di quelli di E. Chargaff sulla equimolarità nel DNA tra le basi puriniche e quelle primidiniche. Nella doppia elica del DNA i due filamenti che si avvolgono in giri destrorsi sono costituiti da catene zucchero-fosfato orientate in direzioni opposte; questi filamenti esterni detti scheletri costituiscono la porzione invariabile del DNA. I filamenti antiparalleli sono mantenuti a regolare distanza tra loro (2nm) da basi azotate che sporgono dagli scheletri verso il centro della doppia elica. Le basi si collegano tra loro con legami a idrogeno, mantenendo quindi insieme le due metà del DNA: la rottura di questi legami, permette ai due filamenti di separarsi e da funzionare come stampo per la sintesi di nuovi polinucleotidi. Lungo lo scheletro le basi distano tra loro di 0,34 nm e vi sono dieci basi azotate per ciascun giro della doppia elica: quindi il passo del DNA è di 3,4 nm. La doppia elica del DNA presenta due solchi: uno più ampio, o solco maggiore, ed uno meno ampio o solco minore. Questo tipo di conformazione del DNA è detta B ed è quella più comune nelle cellule sia eucariotiche che procariotiche. Vi sono altre conformazioni: A, C, D, E e Z.

Proprietà e funzioni del DNA

Il DNA è l'unica molecola dell'organismo in grado di duplicare se stessa con l'aiuto di particolari enzimi (DNA polimerasi). Ogni organismo è caratterizzato da una propria costituzione proteica: enzimi e proteine strutturali differiscono fra una specie e l'altra e vengono riprodotti fedelmente nelle cellule di una medesima specie. Il responsabile della trasmissione è il DNA che, per esprimerle, si gioca di molecole che sono una sua copia complementare, gli RNA. Ciascuna proteina è codificata sul DNA sotto forma di sequenze nucleotidiche corrispondenti a quelle degli aminoacidi della proteina. Poiché vi sono venti tipi di aminoacidi diversi e appena quattro tipi di nucleotidi, uno solo di questi ultimi non basta a codificare ciascun aminoacido. Ma si è visto che esiste una precisa correlazione tra ciascun aminoacido e una tripletta determinata di nucleotidi. I quattro nucleotidi, tre alla volta, formano sessantaquattro combinazioni differenti tra loro: sufficienti per codificare i venti aminoacidi. Di questi molti, sono codificati da più di una tripletta, mentre certe triplette servono solo a determinare segnale di fine dei processi di codificazione a opera del DNA e quindi non codificano aminoacidi. Le lunghe molecole di DNA della cellula contengono codificate nelle triplette dei nucleotidi, l'informazione per tutte le proteine cellulari che si trasmette da una cellula all'altra con la replicazione del DNA stesso. Una proteina di cinquecento aminoacidi è quindi codificata in un tratto di DNA che è lungo almeno millecinquecento nucleotidi (cinquecento triplette). Il tratto di DNA che contiene l'informazione per un'intera proteina è detto gene strutturale, che trascrive un mRNA, sua copia, sul quale avviene poi la sintesi della proteina in questione, con l'ausilio dell'RNA transfer e l'RNA ribosomiale.

Il DNA può subire una serie di modificazioni chimiche e strutturali. Una è l'aggiunta di un gruppo metilico alla citosina, raro nei procarioti, dove è più comune la metilazione dell'adenina, ma molto più diffusa negli eucarioti, in cui potrebbe rappresentare un meccanismo di inattivazione genetica. La doppia elica del DNA può subire un ulteriore avvolgimento su se stessa detto superavvolgimento, questo si dice positivo se avviene in senso destrorso, negativo se avviene in senso sinistrorso. Fenomeno che nei procarioti è catalizzato da enzimi detti topoisomerasi.

Struttura secondaria e tipi di RNA

Gli RNA sono più piccoli, hanno la vita limitata e non sono in grado di duplicare se stessi. Una molecola di RNA consta di uno scheletro di zucchero-fosfato dal quale sporgono le basi azotate. Le molecole di RNA sono trascritte dal DNA con l'intervento di un enzima la RNA polimerasi. La trascrizione si attua con l'apertura della doppia elica del DNA, di cui un solo filamento (quello in direzione 3'-5') funge da stampo per la sintesi dell'RNA, mentre l'altro resta silente.

• RNA transfer: Il tRNA, o RNA di trasporto o solubile, ha questo nome perché trasferisce ai ribosomi i vari aminoacidi che, uniti fra loro con legame peptidico, formano le proteine. L'estremità 3' del filamento di tRNA sopravanza quella 5' di tre nucleotidi eguali in tutti questi RNA (CCA): questa tripletta rappresenta il sito accettore dell'aminoacido, allorché questo, attivato da un apposito enzima (aminoacil-tRNA), viene trasferito.