Esame Citologia (Scienze biologiche) prof. Canapa

La struttura delle proteine

Le proteine sono macromolecole formate da aminoacidi. Le proteine costituite interamente da aminoacidi vengono chiamate semplici, altre sono chiamate coniugate e contengono oltre al gruppo proteico e quindi catene di aminoacidi, anche altre molecole di natura diversa che formano il gruppo prostetico.

Gli aminoacidi sono sostanze anfotere in quanto contengono almeno un gruppo carbossilico (e quindi un gruppo funzionale acido) e un gruppo amminico (basico).

R|struttura dell’aminoacido COOH – C – NH₂|H

Una proteina è formata da una sequenza di aminoacidi uniti fra loro da un legame peptidico (-CO-NH-) e questo legame si forma per condensazione del gruppo carbossilico di un aminoacido con il gruppo amminico del successivo.

• Struttura primaria: la sequenza di amminoacidi. Essa condiziona la configurazione spaziale e la forma globale della molecola. Avvengono sempre legami covalenti.
• Struttura secondaria: è determinata da un complesso di fenomeni sterici che porta la molecola ad assumere una conformazione definita mediante la formazione di legami a idrogeno tra gruppi carbonilici e aminici di aminoacidi in catena, non contigui. Le principali sono: la configurazione β-cheratina e α-elica. La prima origina dallo stabilirsi di legami a idrogeno tra gruppi carbonilici e aminici dei residui aminoacidici di due catene polipeptidiche che decorrono antiparallele. In questo modo si forma una struttura pieghettata con i legami peptidici posti su un piano e i residui aminoacidici che sporgono al di sopra e al di sotto della lamina pieghettata. Nella configurazione α-elica c’è una spiralizzazione dove i residui sporgono lateralmente alla spirale.
• Struttura terziaria: rende possibile la cristallizzazione della proteina. Rappresenta la struttura tridimensionale della proteina e viene determinata non solo da legami a idrogeno tra i gruppi peptidici, ma anche da una serie di altri legami di varia natura, in genere deboli, come i legami di tipo ione-ione e ione-dipolo, legami dipolo-dipolo, forze di Van der Waals e interazioni non polari. Le proprietà chimico-fisiche e biologiche delle proteine dipendono dalla struttura terziaria.
• Struttura quaternaria: la forma o la struttura che risulta dall'unione di più molecole proteiche, le cui singole funzioni prendono parte alla funzione globale del complesso proteico. L’emoglobina è un esempio di proteina dotata di struttura quaternaria.

Le strutture primarie sono rette da legami peptidici covalenti, che vengono formati durante il processo di traduzione. Le strutture secondarie sono invece mantenute da legami idrogeno. La struttura terziaria è sorretta primariamente da interazioni idrofobiche e poi da legami idrogeno, interazioni ioniche e ponti disolfuro.

Enzimi

Sono proteine che controllano l’intera gamma delle reazioni metaboliche cellulari. I processi biochimici che consentono ai viventi di accrescersi, riprodursi e svolgere compiti specifici sono detti anabolici se hanno luogo con il consumo di energia (questa energia proviene dall’ambiente sotto forma di energia radiante, se proviene dalle piante o organismi autotrofi, o di energia chimica contenuta negli alimenti). Le molecole alimentari vengono degradate e liberano energia contenuta nei loro legami; queste reazioni demolitive sono dette cataboliche in quanto forniscono energia. L’insieme delle reazioni anaboliche e cataboliche costituisce il metabolismo.

Gli enzimi sono anche catalizzatori, molecole in grado di abbassare l’energia di attivazione di una reazione. In base al tipo di reazione catalizzata, gli enzimi si classificano in:

• Ossidoreduttasi: ossidazione, deidrogenazione e riduzione in presenza di coenzimi o accettori di idrogeno.
• Transferasi: trasferimento dei radicali.
• Idrolasi: idrolisi di legami peptidici, esterici e glucosidici.
• Sintetasi: reazioni di sintesi di due o più molecole con l’aiuto di energia.
• Isomerasi e liasi.

L’aumento della temperatura porta all’inattivazione degli enzimi non alterando la struttura primaria della componente proteica della molecola, ma provocando modificazioni nella struttura secondaria e terziaria della proteina enzimatica attraverso la rottura dei legami deboli. Infatti l’attività e la specificità di azione dell’enzima sono legate alla sua configurazione spaziale e non soltanto alla sua composizione.

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono macromolecole polimeriche lineari che si trovano di due tipi: acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA).

Il DNA è il depositario dell'informazione genetica che viene trascritta – ossia copiata - in molecole di RNA. L'RNA decodifica le informazioni presenti nel DNA e con queste ultime vengono utilizzate per sintetizzare le specifiche proteine. Lo zucchero dell'RNA è il ribosio; quello del DNA è il desossiribosio, che si differenziano in quanto il desossiribosio ha un atomo di ossigeno in meno rispetto al ribosio.

In entrambe le sostanze vi sono due tipi di basi azotate:

• Puriniche (anello doppio): adenina e guanina.
• Pirimidiniche (anello semplice): timina, citosina e uracile (derivanti rispettivamente dalla purina e dalla pirimidina).

Le basi azotate che costituiscono il DNA sono adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). Le basi azotate che costituiscono l'RNA sono adenina (A), guanina (G), citosina (C) e uracile (U). La doppia elica di DNA accoppia una pirimidina e una purina, l'adenina si accoppia con la timina e la citosina con la guanina. L'RNA (anche se singola catena) accoppia durante le trasmissioni e le traduzioni l'adenina all'uracile (la timina non è presente nell'RNA) e la citosina alla guanina.

I nucleosidi sono composti chimici costituiti da uno zucchero pentoso e da una base azotata purinica (adenina, guanina) o pirimidinica (citosina, uracile, timina). I nucleosidi si possono ottenere semplicemente per idrolisi dagli acidi nucleici: infatti i nucleosidi, per aggiunta di un gruppo fosfato, formano i nucleotidi, i monomeri dell'RNA o del DNA a seconda che lo zucchero costituente sia rispettivamente il ribosio o il desossiribosio. Il più noto è il sistema adenosin-DI/TRIfosfato e si tratta di un nucleoside formato da adenina e ribosio con due (ADP) o tre (ATP) radicali fosforici legati allo zucchero.

La struttura primaria degli acidi nucleici è caratterizzata dalla sequenza dei nucleotidi allineati a formare il polinucleotide; a questo livello il DNA differisce dall’RNA per la natura del pentoso e per la base pirimidinica. La struttura secondaria, cioè la disposizione spaziale dei polinucleotidi, risulta diversa fra DNA e RNA. Il DNA risulta formato da due filamenti polinucleotidici antiparalleli fra loro a formare una struttura secondaria a doppia elica; l’RNA è invece un singolo filamento polinucleotidico, disteso in alcuni punti e avvolto su se stesso in altri.

La domanda che sorge spontanea è ‘cosa c’è scritto nel DNA?’ e la risposta è: l’informazione genetica che riguarda la sequenza aminoacidica ovvero l’ordine in cui gli aminoacidi sono posti in catena. La sintesi proteica è il meccanismo che veglia sulla corretta interpretazione dell’informazione genetica.

RNA a confronto con DNA

La struttura chimica dell'RNA è molto simile a quella del DNA, ma differisce in tre aspetti principali:

• Diversamente dal DNA che è a doppio filamento, l'RNA è una molecola a singolo filamento in molti dei suoi ruoli biologici e ha una catena molto più breve di nucleotidi. Tuttavia, l'RNA può, per l'appaiamento delle basi complementari, formare doppie eliche intraelicoidali, come nel caso del tRNA.
• Mentre il DNA contiene desossiribosio, l'RNA contiene ribosio (nel desossiribosio non vi è un gruppo ossidrile attaccato all'anello pentoso in posizione 2'). Questi gruppi ossidrilici rendono l'RNA meno stabile del DNA perché è più incline all'idrolisi.
• La base complementare al DNA dell'adenina è la timina, mentre nell'RNA è l'uracile, che è una forma metilata di timina.

Esistono vari tipi di RNA:

• mRNA (RNA messaggero) che contiene l'informazione per la sintesi delle proteine;
• tRNA (RNA transfer) necessario per la traduzione nei ribosomi;
• rRNA (RNA ribosomiale), che entra nella struttura dei ribosomi.

La sintesi proteica (detta anche traduzione, proteosintesi, proteogenesi, protidogenesi, proteinogenesi, o proteoneogenesi) è il processo biochimico attraverso il quale l'informazione genetica contenuta nel mRNA (RNA messaggero), viene convertita in proteine che svolgono nella cellula un'ampia gamma di funzioni. La sintesi proteica inizia da un filamento di mRNA, prodotto a partire da un gene sul DNA attraverso il processo di trascrizione. Questo filamento è usato come stampo per la produzione di una specifica proteina.

L'm-RNA copia l'informazione contenuta nel DNA e la trasporta dal nucleo al citoplasma (questo stadio è detto trascrizione); il t-RNA e l'r-RNA traducono il messaggio scritto sull'm-RNA in una sequenza di amminoacidi (questo stadio è detto traduzione). Durante la sintesi proteica perciò, l'informazione genetica passa dal DNA all'RNA e dall'RNA alle proteine.

La trascrizione

La trascrizione è lo stadio della sintesi proteica in cui le informazioni sono trasferite dal DNA all'RNA, secondo le regole dell'appaiamento delle basi complementari. Come nella replicazione, è necessario che le basi azotate sporgano dalla doppia elica del DNA. Perciò il tratto di DNA che deve essere trascritto viene aperto in un punto ben preciso, caratterizzato dalla tripletta AUG di "inizio lettura". Un enzima, l'RNA-polimerasi, si lega a uno dei due filamenti di DNA che serve da "stampo", e procede dall'estremità 3' all'estremità 5' legando i ribonucleotidi complementari presenti nel nucleo. Si forma in questo modo l'm-RNA. Quando l'RNA-polimerasi giunge alla tripletta di "fine lettura", l'm-RNA si separa dalla catena di DNA, passa per i pori della membrana nucleare ed entra nel citoplasma, dove si lega ai ribosomi. Il DNA "modello" si riavvolge a formare la doppia elica, oppure si lega a una nuova molecola di RNA-polimerasi per sintetizzare un nuovo filamento di m-RNA.

La traduzione

La traduzione è lo stadio della sintesi proteica in cui le istruzioni portate dall'm-RNA vengono tradotte nella sequenza corretta di amminoacidi per formare una proteina. La traduzione ha luogo nel ribosoma (formato da r-RNA e proteine), composto da due subunità: quella piccola contiene un sito di legame per l'm-RNA; quella grande ha due siti di legame per due molecole di t-RNA e un sito che catalizza la formazione del legame peptidico tra due amminoacidi adiacenti.

Ogni molecola di t-RNA è specifica per un unico amminoacido ed è in grado di riconoscere sia l'amminoacido che deve trasportare, sia il codone complementare di m-RNA associato al ribosoma. La traduzione ha inizio quando due codoni del filamento di m-RNA si legano alla subunità piccola di un ribosoma. Il primo codone è la tripletta di "inizio lettura" AUG, alla quale corrisponde l'amminoacido metionina; il secondo codifica il primo vero amminoacido della proteina. I due t-RNA, che hanno rispettivamente l’anticodone di inizio e l’anticodone complementare al secondo codone, si legano alla subunità grande e si forma un legame peptidico (cioè il legame tra amminoacidi che forma le proteine) tra i due amminoacidi trasportati. Il t-RNA di inizio si stacca dal ribosoma mentre il dipeptide (i due amminoacidi uniti dal legame peptidico) rimane legato al secondo t-RNA. Il ribosoma si sposta sopra un altro codone dell'm-RNA e una nuova molecola di t-RNA con il proprio amminoacido si dispone nel sito di legame vuoto del ribosoma. Si crea un nuovo legame peptidico e il tripeptide si salda all'ultimo t-RNA. Il processo di allungamento della catena polipeptidica prosegue in questo modo finché tutte le triplette sono state tradotte e viene raggiunto il codone di "fine lettura". La proteina completa si stacca dal ribosoma e specifici enzimi scindono il legame con la metionina.

Membrana plasmatica

La membrana cellulare, anche detta membrana plasmatica, è un sottile rivestimento che delimita la cellula in tutti gli organismi viventi, la separa dall'ambiente esterno e ne regola gli scambi di elementi e sostanze chimiche. È costituita da lipidi, proteine e glucidi. I lipidi più abbondanti sono i fosfolipidi. Le molecole di questa classe di composti organici presentano una testa polare idrosolubile a base di fosfato e una coda apolare non idrosolubile, queste sono dette molecole anfipatiche. La seconda importante classe di lipidi sono gli sfingolipidi e infine la terza classe è occupata dal colesterolo.

Le proteine sono differentemente localizzate rispetto alla struttura portante lipidica. Ci sono proteine integrali (che attraversano il doppio strato lipidico → proteine transmembrana), proteine periferiche (che interagiscono con la superficie esterna o interna) e proteine ancorate (che sono proteine periferiche legate covalentemente a fosfolipidi del monostrato lipidico esterno o interno).

Secondo il modello a mosaico fluido la membrana è discontinua, fluida e asimmetrica. Discontinuità perché le proteine integrali interrompono la struttura lipidica. La membrana è fluida perché si comporta come un fluido dato che i lipidi possono diffondere all’interno del proprio strato. La fluidità dipende proprio dai lipidi: più le catene sono lunghe e sature e meno saranno fluide le membrane, se le catene sono corte o lunghe ma insature più le membrane saranno fluide. La terza caratteristica della membrana è l’asimmetria. Questa è dovuta alla disposizione asimmetrica di alcuni lipidi e di molti peptidi e soprattutto, alla localizzazione dei glucidi, legati sia a proteine sia a lipidi, sulla faccia esoplasmatica della membrana.

Soltanto gas come ossigeno e anidride carbonica possono attraversare la struttura fosfolipidica e questo passaggio avviene secondo gradiente di concentrazione: da un comparto a maggior concentrazione a uno a minor concentrazione. Il passaggio si effettua senza dispendio di energia. Il trasporto passivo può avvenire in due modi: o per diffusione semplice o per diffusione facilitata.

La diffusione semplice è un tipo di trasporto che non necessita di nessun sistema proteico. Le molecole apolari sono capaci di diffondere facilmente attraverso il doppio strato lipidico. Le molecole apolari passano facilmente perché la zona interna della membrana è costituita da catene idrocarburiche. Per esempio, nonostante la sua forte polarità, l'acqua riesce a passare perché essendo molto piccola si insinua fra le molecole polari. In questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione è favorevole, ed è di segno positivo. Non c'è pertanto una spesa energetica in termini di ATP per spingere la molecola dall'altra parte della membrana.

La diffusione facilitata avviene per gradiente di ioni e molecole polari, attraverso la membrana, mediato da specifiche proteine. Anche in questo tipo di trasporto, il gradiente di concentrazione è favorevole, ed è di segno positivo, pertanto non c'è una spesa energetica (in termini di ATP) per spingere la molecola dall'altra parte della membrana.

L'osmosi, infine, rappresenta un tipo particolare di diffusione semplice in cui sono le molecole di un solvente (e non quelle del soluto) a rendere permeabile la membrana attraverso proteine-canale. Quando una membrana non fa passare le molecole di soluto ma solo quelle di solvente (che nel caso delle membrane biologiche è acqua) allora la membrana si dice semipermeabile per quel soluto specifico. Il fenomeno dell'osmosi è il passaggio delle molecole di solvente dall'area a minor concentrazione di soluto a quella a maggior concentrazione di soluto, in modo da diluire la soluzione più concentrata e annullare il gradiente di concentrazione. In generale, quindi l'osmosi riguarda soprattutto il trasporto facilitato delle molecole d'acqua attraverso proteine-canale, che nella fattispecie sono dette acquaporine.

Trasporto attivo

Nelle cellule esistono anche meccanismi per far passare molecole contro gradiente di concentrazione. Questo compito è affidato alle pompe che sono proteine transmembrana con uno o più siti di legame per l’ATP dal lato citoplasmatico. La scissione di ATP e la liberazione dell’energia relativa avviene soltanto al momento del passaggio degli ioni. Le principali pompe sono le pompe calcio, protoniche e sodio/potassio. Le prime servono a trasportare calcio fuori dalla cellula o all’interno del reticolo endoplasmatico e a mantenere bassa la concentrazione di calcio nel citoplasma; le pompe protoniche servono a trasportare idrogenioni all’interno dei lisosomi per mantenere basso il loro pH; le pompe sodio/potassio, trasportando contemporaneamente tre ioni sodio fuori dalla cellula e due ioni potassio dentro alla cellula, servono a mantenere differenziate le concentrazioni di questi due ioni fuori e dentro la cellula.

Pompa sodio/potassio

Il sodio è molto più concentrato all’esterno, mentre il potassio lo è molto di più nel citoplasma. La pompa sodio/potassio è responsabile del mantenimento di questa ineguale ripartizione dei cationi, in quanto trasporta attivamente contro gradiente di concentrazione gli ioni sodio all’esterno, mentre fa rientrare gli ioni potassio. L’ineguale ripartizione dei cationi causa una differenza di potenziale a livello della membrana detto potenziale di membrana, che all’interno del citoplasma è in media -70mV.