Citologia - chimica della cellula

COMPOSIZIONE CHIMICA DELLA CELLULA

Gran parte delle molecole che compongono una cellula

(tanto un batterio, quanto una cellula umana) sono

anfipatiche. Di fatto, la vita delle cellule dipende

dall’acqua, dipende dalle reazioni che si svolgono in

essa, oppure in comparti specializzati che sono le

membrane, isolate dall’acqua. Le membrane possono

creare ambienti acquosi contenenti differenti composti

al loro interno. In ordine di importanza e in termini di

peso ci sono le proteine, gli acidi nucleici, lipidi, i

polisaccaridi e gli ioni.

Le cellule non vivono in acqua distillata, né

contengono acqua distillata, ma acqua con

concentrazioni saline. E’ essenziale che queste siano

controllate dalla cellula. Questo vale soprattutto per gli

ioni: Ione sodio, cloro, potassio, calcio e ione idrogeno (che fa variare il pH). Quest’ultimo deve essere mantenuto

entro certi limiti che variano in base ai diversi comparti della cellula (che possono avere pH differenti).

Rapidamente parleremo adesso dei composti dei lipidi e delle proteine.

I Legami covalenti sono in assoluto quelli più forti (esistono differenze di forza tra tipi differenti di legami covalenti).

Nelle cellule che sono composte di acqua, il legame ionico è abbastanza debole, perché le molecole di acqua sono delle

molecole polari. Queste sono composte da ossigeno e due atomi di idrogeno. L’ossigeno essendo più elettronegativo

tende ad attirare gli elettroni; sta di fatto che, nonostante la molecola d’acqua non sia carica, gli elettroni tendono a

sostare di più dalla parte dell'ossigeno, che da quella dei due idrogeni. Quindi in questo modo l’ossigeno attrae verso di

sè anche gli ioni carichi positivamente, mentre gli idrogeni tendono ad attrarre verso di loro gli ioni carichi

negativamente

In presenza di molecole di acqua il legame ionico, che è un legame tra uno ione negativo e uno ione positivo, si

indebolisce. Così una molecola di NaCl nel vuoto è molto attaccata, mentre nell’acqua questo legame è estremamente

debole perché tra lo ione sodio che è positivo e lo ione cloro che è negativo si interpongono le molecole di acqua, e

quindi l’attrazione elettrostatica è diminuita di molto.

Legame idrogeno è il legame classico tra le molecole di acqua. L’ossigeno tende ad essere più negativo e ad avere più

elettroni a livello degli idrogeni. Nelle vicinanze di un’altra molecola d’acqua, l’ossigeno attrae l’idrogeno vicino.

Questo legame è molto debole perché è basato su interazioni elettrostatiche che dipendono non da una carica netta, ma

dalla tendenza dei singoli atomi delle molecole ad avere preferenzialmente un accumulo di elettroni o ad averne di

meno e quindi ad essere più negativi o positivi. Questo vale per qualunque composto contenga un OH: per esempio vale

per gli alcoli come l'alcol etilico CH3CH2OH… Questo OH può formare legami idrogeno. Vale anche per le molecole

di ammoniaca e tutti i suoi derivati, le ammine.

Infine ci sono i legami di Van Der Waals, assolutamente i più deboli, che si instaurano tipicamente in molecole che

tendono ad accumulare carica elettrostatica. Importante è capire che per la vita è essenziale la presenza dei legami

deboli delle molecole i cui atomi sono tenuti insieme da legami forti.

Un motivo importante è che la vita consiste non nel creare una struttura rigida, ma ad adattarsi continuamente in

condizioni sempre diverse. Una struttura rigida, basata solo su legami forti, non può adattarsi in un ambiente in

condizioni differenti, mentre una struttura in cui c’è una parte rigida e quindi è costante, ma che le cui interazioni sono

modulate da legami deboli, permette di cambiare le interazioni tra queste strutture.

Un problema dei legami deboli, è che sono legami che continuamente si formano e si distruggono. L’acqua è un fluido

perché i legami idrogeno che si formano non sono sufficientemente forti da bloccarla in una struttura. Quando la

temperatura scende, i legami si bloccano formando delle strutture esagonali. Però l’acqua liquida è una struttura caotica,

una struttura che genera entropia.

Nella vita un essere vivente, usa energia per diminuire di entropia.

Tenete conto che dentro una cellula le molecole viaggiano secondo un andamento dettato dalla temperatura, chiamato

moto browniano. Fondamentalmente la possibilità di un incontro con una propria molecola partner è casuale. Se questo

incontro non è sufficientemente forte, il moto browniano dissolverà questo legame rapidamente. Quindi i legami deboli

permettono la dissoluzione di legami inappropriati. Invece, quando la molecola in questione incontra il proprio partner,

si forma una serie di legami di tipo debole che permettono alle due molecole di resistere al moto browniano. Da un

punto di vista termodinamico questo accoppiamento è favorito. Gli appaiamenti del legame idrogeno nella doppia elica

del DNA dipendono da una convergenza tra due tipi di basi azotate. Questo permette di formare una sottospecie di

cerniera che garantisce di tenere insieme tutta la struttura. Quando invece questi legami vengono in qualche modo

essere danneggiati, La doppia elica viene a svolgersi.

Le interazioni idrofobiche sono delle repulsioni rispetto all’acqua.

Una sostanza idrofobica è una sostanza che tende ad essere espulsa dall’acqua. Per esempio la benzina, gli idrocarburi,

perché non si possono mescolare con l’acqua? Quando singole molecole si trovano nell’acqua, queste tendono ad

avvicinarsi tra di loro, dove si possono anche formare dei legami di VDW. Questa tendenza di raggrupparsi insieme di

molecole idrofobiche si chiama legame idrofobico.

I lipidi

Nelle vecchie rappresentazioni delle cellule, si rappresentano le membrane, perché l’idea centrale era, che la cellula

fosse determinata dalle membrane, ma sono una parte di sistema coordinato.

Le membrane sono composte da lipidi. Questi ultimi sono composti da molecole anfipatiche che sono costituite da una

parte idrofilica, tipicamente piccola, e una parte idrofobica che è genericamente molto lunga e può essere una catena

idrocarburica, oppure una struttura complessa di diversi anelli anche aromatici come nel caso del colesterolo. Questo è

generale per una molecola anfipatica.

Diversi saponi hanno la stessa struttura.

Gli acidi grassi sono costituiti da una catena idrocarburica che può essere satura o non satura, e un gruppo carbossilico

che potrebbe essere in uno stato ionizzato o non ionizzato.

Una delle forme classiche con qui gli acidi grassi sono presenti negli organismi è sotto forma di trigliceridi (si associano

ad una molecola di glicerolo che è un alcool). Possiede gruppi OH associati ad una catena idrocarburica di atomi di

carbonio. Il trigliceride si forma quando si forma un legame di tipo estereo, cioè quando si ha un reazione con il gruppo

alcoolico del glicerolo ed il gruppo carbossilico dell’acido grasso, dando luogo ad un legame estereo.

Nelle membrane però gli acidi grassi sono presenti come fosfolipidi, i quali consistono in una molecola di glicerolo che

si lega tramite legami esterei a due gruppi alcoolici di due molecole di acido grasso. Gli acidi grassi possono essere

uguali o differenti. Molto spesso, al secondo gruppo alcolico si lega un acido grasso che non è saturo, quindi una sua

catena avrà il doppio legame di tipo cis. Tutto questo è importante perché porta ad un ripiegamento della catena

dell’acido grasso.

Esistono però dei fosfolipidi che presentano due catene rettilinee (sature). Al terzo OH si lega, tramite legame estereo

un gruppo fosfato. Questo crea una condizione di elevata anfipatia perché in presenza di un fosfato che è carico

negativamente ad un lato, rende il fosfolipide estremamente anfipatico. Quindi è presente una parte estremamente

idrofilica o addirittura ionica, ed una parte estremamente idrofobica che è garantita dalle catene idrocarburiche degli

acidi grassi.

A uno degli altri OH del gruppo fosfato si lega poi un'altra molecola. In genere è una molecola piccola. A differenza del

tipo di molecola che si lega al fosfato, parliamo di diversi tipi di lipidi:

-Fosfatidilietanolammina: etanolammina: semplice composto organico che ha un gruppo amminico ed un gruppo

alcolico. Il gruppo alcolico forma un legame estereo con i gruppi fosfato. Quindi rimane un gruppo amminico che

cattura uno ione idrogeno e si carica positivamente. Dunque abbiamo due cariche ioniche all’interno della parte

idrofilica del fosfolipide. In questo modo aumenta l’anfipatia.

-Fosfatidilserina: al fosfato si lega una amminoacido, la serina. Gli amminoacidi sono un atomo di carbonio a cui è

legato un gruppo carbossilico, un gruppo amminico e poi quello che si chiama il residuo dell’amminoacido che nel caso