Citologia e istologia

Struttura e funzione delle macromolecole

Le macromolecole possono essere classificate in 4 classi principali:

• Carboidrati
• Proteine
• Acidi nucleici
• Lipidi

Proteine, carboidrati e acidi nucleici, date le loro dimensioni molecolari, sono dette macromolecole.

Polimeri e monomeri

Le macromolecole sono molecole a lunga catena dette polimeri (dal greco polys, “molto”, e meris, “parte”). Un polimero è una lunga molecola costituita da numerose subunità identiche o simili unite tra loro da legami covalenti. Le unità ripetitive che servono come elementi di costruzione del polimero, sono molecole di piccole dimensioni dette monomeri. I meccanismi chimici utilizzati dalle cellule per sintetizzare e demolire i polimeri sono fondamentalmente gli stessi in tutte le classi.

• Reazione di disidratazione: i vari monomeri sono legati covalentemente tra loro, con perdita di molecola di acqua: uno dei monomeri perde il gruppo ossidrilico –OH, mentre l’altro un atomo di idrogeno –H. [ A-H + B-OH -> A-B + H₂O ]
• Reazione di idrolisi: polimeri sono degradati, un processo inverso alla disidratazione. Da hydro, “acqua”, e lysis, “rottura”, l’idrolisi avviene con l’aggiunta di molecole di acqua: un atomo di idrogeno si attacca a un monomero e il gruppo ossidrile al monomero adiacente.

La maggior parte del materiale organico contenuto negli alimenti è sotto forma di polimeri, ma dato che tali molecole sono troppo grandi per poter entrare nelle cellule, queste vengono idrolizzate, anche con l’aiuto di acceleratori biologici come gli enzimi. Solo all’interno delle cellule e attraverso successive reazioni di disidratazione, i monomeri vengono legati a formare nuovi polimeri, strutturalmente diversi da quelli in precedenza ingeriti, che possono svolgere specifiche funzioni cellulari.

Diversità dei polimeri biologici

Qual è la base della diversità dei polimeri biologici? Tutte le macromolecole sono costruite a partire da 40/50 monomeri di base. La loro costruzione ha una varietà senza limiti di polimeri, dal momento che il fattore chiave è la disposizione, ovvero la particolare sequenza lineare con cui le subunità si succedono. Ad esempio, le proteine sono costituite da 20 amminoacidi diversi disposti a formare catene costituite da centinaia di monomeri.

I carboidrati (zuccheri)

Comprendono gli zuccheri e i loro polimeri. I carboidrati più semplici sono i monosaccaridi o zuccheri elementari o semplici. Questi sono i monomeri che andranno a costituire quelli più complessi. Monosaccaridi (monos= uno solo, sacchar= zucchero) hanno generalmente formule molecolari multiple della formula elementare CH₂O.

Il glucosio C₆H₁₂O₆:

• Possiede un gruppo carbonilico –CO, più gruppi ossidrilici –OH.
• Aldoso
• Esoso

Il fruttosio C₆H₁₂O₆:

• Chetoso
• Esoso

In base alla posizione del gruppo carbonilico uno zucchero può essere classificato come aldoso o chetoso:

• Aldosi: gruppo aldeidico su C primario: H-C=O
• Chetosi: gruppo chetonico: C=O

Un altro criterio di classificazione degli zuccheri si basa sulla lunghezza dello scheletro carbonioso, che varia da 3 a 7 atomi di carbonio. Glucosio, fruttosio e altri zuccheri a 6 atomi di carbonio sono detti esosi, ma in natura esistono anche i triosi e pentosi. Vi sono diversi isomeri, ovvero diverse molecole aventi stessa formula chimica ma diversa formula di struttura.

La differenza tra le forme alpha e beta del glucosio riguarda la posizione del gruppo ossidrilico legato al carbonio 1:

• Forma alpha: -OH si trova sotto rispetto il piano della molecola
• Forma beta: -OH si trova sopra

Un’altra fonte di diversità degli zuccheri semplici è data dalla disposizione spaziale dei gruppi legati agli atomi di carbonio asimmetrici: la loro forma ciclica è ad anello. Ciò è importante perché conferisce forme molecolari e attività di legame diverse e quindi di conseguenza anche comportamenti chimici differenti.

Gli zuccheri semplici oltre che a essere tra i principali combustibili per i lavori cellulari, sono anche una fonte di atomi di carbonio utilizzabili nella biosintesi di altri tipi di molecole organiche come amminoacidi e acidi grassi. Se non vengono utilizzate immediatamente dalle cellule, possono essere immagazzinate in disaccaridi o polisaccaridi.

Disaccaridi

Sono l’unione di 2 molecole di monosaccaridi attraverso il legame glicosidico, un legame covalente formato tra due unità di monosaccaridi attraverso la reazione di disidratazione.

• Maltosio -> due molecole di glucosio attraverso un legame glicosidico 1α–4
• Saccarosio -> alfa-glucosio + beta-fruttosio legame glicosidico 1α–4
• Lattosio -> beta-D-glucosio + beta-D-galattosio legame glicosidico 1β–4

Oligosaccaridi e polisaccaridi

Oligosaccaridi: costituiti da meno di 10 unità di monosaccaridi.

Polisaccaridi: macromolecole formate dalla polimerizzazione di più di 10/20 unità di monosaccaridi, variabile da alcune centinaia ad alcune migliaia, unite da legami glicosidici. Possono essere materiale di riserva, materiale da costruzione per la sintesi di strutture destinate alla protezione delle cellule. La loro funzione è determinata dal tipo di subunità costitutive e dalla posizione del legame glicosidico.

Polisaccaridi a deposito

• Amido -> unità di glucosio legate alfa 1-4 glicosidico:
  • Sotto forma di granuli presenti nei plastidi comprendenti anche i cloroplasti (nelle piante)
  • La pianta può conservare la quota di glucosio in eccesso, che diventa così una riserva energetica
  • Configurazione alfa - struttura elicoidale
• Glicogeno -> alpha-D glucosio con 1,4-alfa-glicosidici e legami 1,6-beta-glicosidici con l’atomo di carbonio 6 a dare le ramificazioni laterali:
  • Simile all’amilopectina (forma complessa dell’amido ramificato), ma con maggiori ramificazioni (negli animali)
  • I depositi di glicogeno sono localizzati soprattutto nel fegato e nel tessuto muscolare
  • Capacità osmotica inferiore ai monosaccaridi

Polisaccaridi strutturali

• Cellulosa - legame beta 1-4 glicosidico:
  • Il principale costituente della parete che circonda le cellule vegetali.
  • Configurazione beta - struttura lineare
  • Funzione di struttura
• Chitina:
  • Il carboidrato che costituisce l’esoscheletro degli artropodi: è avvolta in uno strato proteico, che all’inizio è coriaceo e flessibile
  • Legami beta
  • Monomero di glucosio con una breve catena contenente azoto

L’amido e la cellulosa sono entrambi polimeri del glucosio ma differiscono per i legami glicosidici: tale differenza si basa sulle due possibili strutture cicliche del glucosio. Quando la catena degli atomi di carbonio del glucosio forma un anello, il gruppo ossidrilico legato al carbonio in posizione 1, il punto in cui le due estremità della catena si saldano, può andare a occupare una di due posizioni alternative: sotto o sopra il piano dell’anello. Le due forme cicliche del glucosio così prodotte sono dette alfa e beta. Nell’amido perciò tutti i monomeri del glucosio si trovano in configurazione alfa, mentre nella cellulosa hanno configurazione beta. Le differenze tra i legami glicosidici presenti nell’amido e nella cellulosa sono alla base delle diverse forme tridimensionali e quindi delle proprietà delle molecole: l’amido ha una struttura elicoidale, mentre la cellulosa è lineare.

I lipidi

Classe di macromolecole che non comprende veri e propri polimeri: sono generalmente di dimensioni insufficienti per definirli macromolecole, i loro legami non sono covalenti. I lipidi sono raggruppati perché rappresentano comunque un’importante caratteristica comune: hanno scarsa o nessuna affinità con l’acqua (H₂O). Il loro comportamento idrofobo si basa sulla loro struttura molecolare, formata sì da legami polari con atomi di ossigeno, ma essi consistono soprattutto in regioni idrocarburiche. Possiedono forme e funzioni variabili, e possono essere lipidi semplici, i grassi e oli (trigliceridi) oppure complessi, fosfolipidi e glicolipidi, oppure, steroidi.

Grassi e oli (lipidi semplici)

• 1 Glicerolo + 3 acidi grassi (uguali o diversi)
• Il glicerolo è un alcol a 3 atomi di carbonio, ciascuno dei quali è legato a un gruppo ossidrilico. Un acido grasso invece è un composto con una lunga catena carboniosa, di solito comprendente 16-18 atomi.
• I trigliceridi che a temperatura ambiente (20^oC) si presentano allo stato solido sono definiti grassi, altrimenti sono oli.
• Nella formazione di una molecola di grasso, 3 molecole di acidi si legano a 1 del glicerolo attraverso un legame estere: formato da una reazione di disidratazione fra il gruppo ossidrilico e un gruppo carbonilico.
• L’acido grasso risultante è il triacilglicerolo, comunemente trigliceridi.
• I grassi si separano dall’H₂O perché le molecole di acqua si uniscono tra loro mediante legami a idrogeno escludendo le molecole dei grassi.
• I grassi si dividono in saturi e insaturi:
  • Saturi: se tra gli atomi di carbonio che costituiscono la catena idrocarburica dell’acido grasso non sono presenti doppi legami, la catena allora conterrà il numero massimo possibile di atomi di idrogeno.
  • Insaturi: presenterà uno o più doppi legami. Quasi tutti i doppi legami degli acidi grassi naturali hanno configurazione cis.

Le catene idrocarburiche degli acidi grassi saturi (la maggior parte dei grassi animali) - le code - sono prive di doppi legami e pertanto la loro flessibilità permette alle molecole di acidi grassi di impaccarsi tra loro. I grassi con doppi legami in conformazione trans possono contribuire all’insorgenza dell’aterosclerosi e di altre condizioni gravi in misura maggiore.

Funzione = deposito di energia. In un grammo di grasso, si trova depositata una quantità di energia più che doppia rispetto a quella contenuta in un corrispondente grammo di un polisaccaride come l’amido. Per le piante che sono immobili è conveniente l’accumulo di riserve energetiche in forma di amido, mentre per gli animali che portano sempre con sé i depositi propri di energia è vantaggioso che questi siano quanto più possibilmente concentrati.

Fosfolipidi

• 1 Glicerolo + 2 acidi grassi + (gruppo fosfato + colina (molecole polari))
• Sono le principali costituenti delle membrane cellulari.
• Il terzo gruppo ossidrile del glicerolo è quindi legato a un gruppo fosfato (che può presentar carica negativa all’occasione).
• I fosfolipidi sono lipidi che contengono il gruppo fosfato.
• I glicolipidi per la presenza di uno o più residui di zucchero e nessun gruppo fosfato.
• Se presenza della colina, sono detti fosfatidilcolina, dipende perciò anche a quale molecola organica sono legati.

A sua volta legata al gruppo fosfato troviamo la colina in particolare, ma anche altre molecole polari in generale: è proprio questa la diversità nella formazione di una grande varietà di fosfolipidi. Le code idrocarburiche, come già per i grassi, sono idrofobe, al contrario il gruppo fosfato e la molecola ad esso legata sono idrofile, ed hanno affinità con l’acqua: sono dette perciò anfipatiche.

Aggiunte in acqua infatti i fosfolipidi si organizzano in aggregati bistrati costituiti da doppi strati, che schermano le parti idrofobe delle molecole -> come nella superficie della cellula: formano i liposomi, doppio strato fosfolipidico, con le teste idrofile si trovano sulle due superfici interne ed esterne a contatto con la soluzione acquosa presente fuori e dentro la cellula.

Steroidi

• Sono lipidi caratterizzati dalla presenza di uno scheletro carbonioso costituito a 4 anelli fusi. Essi si differenziano per i gruppi chimici legati al complesso degli anelli.
• Colesterolo -> è costituente delle membrane delle cellule degli animali ed è anche il precursore nelle sintesi altri steroidi, come gli ormoni.

Carotenoidi: famiglia di pigmenti capaci di assorbire la luce sia nelle piante sia negli animali; il beta-carotene è uno dei pigmenti utilizzati dalle foglie per catturare l’energia luminosa che alimenta la fotosintesi. I carotenoidi sono responsabili del colore di carote, pomodori, zucche, tuorlo d’uovo.

Vitamine liposolubili

• Vitamina A: si forma a partire dal beta-carotene ed è coinvolta nel processo di captazione degli stimoli luminosi da parte dell’occhio.
• Vitamina D: regola l’assorbimento intestinale del calcio ed è necessaria per la corretta deposizione del calcio a livello osseo.
• Vitamina E: un gruppo di lipidi che sembra abbiano un’azione di protezione delle cellule contro le reazioni di ossidoriduzione, prevengono dannosi cambiamenti a carico dei doppi legami.
• Vitamina K: sintetizzata dai batteri intestinali, essenziale per la formazione dei coaguli ematici.

Proteine (proteios = al primo posto)

Oltre il 50% del peso secco della maggior parte delle cellule e partecipano a tutte le attività di un organismo. Per quanto diverse tra loro le proteine sono polimeri lineari costituiti sulla base di 20 amminoacidi, con un legame che gli unisce detto peptidico e il polimero formato è detto polipeptide.

Possono essere:

• Strutturali (di supporto strutturale)
• Enzimatiche (accelerare le reazioni chimiche)
• Recettori
• Di difesa (proteggono dalle malattie)
• Di deposito (riserva degli amminoacidi)
• Di trasporto
• Ormonali (coordinano le attività di un organismo)
• Motrici (contrattili a funzione motoria)

Ad esempio, enzimi -> molecole proteiche che catalizzano le reazioni chimiche, possono velocizzarle anche di 10 miliardi di volte, sono specifici e catalizzano solo una o poche reazioni. Ad esempio, saccarasi:

Saccarosio + H₂O -----------> Glucosio + Fruttosio (substrato) (prodotti)

La velocità di una reazione chimica in generale dipende comunque da: temperatura, pressione, concentrazione del substrato, pH e altri fattori sono catalizzatori, agenti chimici che accelerano in modo selettivo le reazioni endocellulari senza essere consumati da esse.

Gli amminoacidi

• Al centro si trova un atomo di carbonio asimmetrico detto carbonio alfa, legato a quattro gruppi diversi: un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un atomo di idrogeno e una catena laterale (R).
• R: le proprietà fisiche e chimiche della catena laterale determinano le peculiari caratteristiche di un particolare amminoacido e ne influenzano il ruolo funzionale in una molecola polipeptidica.
• La classificazione degli amminoacidi si basa sulle caratteristiche di carica elettrica o di polarità delle catene laterali.
• Gli amminoacidi contengono catene laterali generalmente fornite di carica negativa, per la presenza di un gruppo carbossilico che di solito a valori di pH cellulare è ionizzato. Nella catena laterale degli amminoacidi basici è presente un gruppo amminico, generalmente fornito di carica positiva.

Polipeptidi

Gli amminoacidi sono disposti in modo che il gruppo carbossilico di uno venga a trovarsi vicino al gruppo amminoacidico e possono essere legati attraverso una reazione di disidratazione che implica la rimozione di una molecola di acqua. Il legame covalente che ne risulta è detto peptidico. Ciascun specifico polipeptide possiede una sequenza unica di amminoacidi. Dunque un polipeptide presenta una sola estremità aminica N- terminale e una sola estremità carbossilica C- terminale.

Le specifiche attività delle proteine sono il risultato delle loro complesse architetture tridimensionali, il cui livello più semplice è dato dalla sequenza amminoacidica.

*Il termine polipeptide non è sinonimo di proteina!

Una proteina funzionalmente attiva non è semplicemente una catena polipeptidica, ma è costituita da una o più catene ruotate, avvolte e ripiegate in modo da formare una macromolecola caratterizzata da una forma tridimensionale. Quando una cellula sintetizza una catena polipeptidica, questa può ripiegarsi spontaneamente assumendo la struttura biologicamente attiva della proteina.

Nonostante la notevole diversità tutte le proteine condividono 3/4 livelli di struttura:

Struttura primaria

La struttura primaria di una proteina è la specifica sequenza amminoacidica di questa. È possibile concludere che l’informazione per la costruzione di una specifica forma è intrinsecamente contenuta nella struttura primaria di una proteina. Tuttavia, la precisa struttura primaria non è determinata dal legame casuale degli amminoacidi ma dall’informazione genetica ereditaria. La struttura ereditaria a sua volta determina quella secondaria e terziaria, che dipendono dalla natura chimica dello scheletro e dalle catene laterali degli amminoacidi lungo il polipeptide.

Struttura secondaria

Moltissime proteine possiedono segmenti di catena polipeptidica avvolti in modo strutturato.