Interazioni Molecolari in Celle: Legami e Proteine - Prof. Quarto, Appunti di Biologia Animale

Scarica Interazioni Molecolari in Celle: Legami e Proteine - Prof. Quarto e più Appunti in PDF di Biologia Animale solo su Docsity! Biologia Cellulare => studio della stru1ura, della funzione e del comportamento delle cellule. Quindi tale insegnamento affronta lo studio della cellula eucariote animale e degli organelli che la caratterizzano in termini morfo-funzionali e fornisce nozioni relative alla capacità delle cellule di organizzarsi in tessuto/organi. La cellula è l'unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. In un organismo di origine animale, notiamo un'alta composizione di idrogeno e ossigeno, più bassa di carbonio e ancora meno di azoto, calcio, fosforo => elementi alla base della vita. Gli organismi viventi sono costituiti da una piccola frazione dei 92 elementi presenti in natura, quattro dei quali (carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto) rappresentano fino al 96,55% del peso dell'organismo => tali atomi sono legati insieme da Legami Covalenti per formare molecole. Poiché tali legami sono di norma cento volte più forti dell’energia termica presente all’interno della cellula non vengono spezzati dai movimenti causati dell’energia termica stessa, ma solo durante reazioni chimiche specifiche con altri atomi e molecole. Due molecole diverse possono essere tenute insieme da Legami Non Covalenti, molto più deboli => tali legami sono importanti nelle situazioni in cui le molecole devono associarsi e dissociarsi rapidamente per svolgere funzioni biologiche. Le reazioni intracellulari avvengono in un ambiente acquoso. La vita sulla Terra è incominciata nell’oceano e quindi tutto dipende dalle proprietà dell’acqua. In ciascuna molecola d'acqua i 2 atomi di H sono uniti all'atomo di O da legami covalenti; questi legami sono altamente polari perche l'O ha una forte attrazione per gli elettroni, mentre l'H ha solo una debole attrazione => c'è una distribuzione ineguale di elettroni in una molecola d'acqua, con una preponderanza di carica positiva sui 2 atomi di H e di carica negativa sull’atomo di O. Quando una regione carica positivamente di una molecola d'acqua (cioè uno dei due atomi H) si trova vicina a una regione carica negativamente (cioè atomo O) di una seconda molecola d'acqua, l'attrazione elettrica fra di esse può portare a un Legame Idrogeno => molto più deboli dei covalenti e vengono facilmente spezzati, così che ciascuno abbia una durata breve. Però l’effetto di molti di questi legami può essere profondo. Le molecole, come gli alcol, che contengono legami polari e che possono formare legami idrogeno con l’acqua si sciolgono facilmente in acqua. Anche gli ioni interagiscono bene con l’acqua. Tali molecole sono dette Idrofiliche => amano l’acqua, come zuccheri, DNA, RNA e maggior parte delle proteine. Le molecole Idrofobiche, che odiano l’acqua, non sono cariche e formano pochi/nessun legame idrogeno, perciò, non si sciolgono in acqua. Esempio gli idrocarburi dove H è legato a C con legame non polare, perciò, non possono formare legami idrogeno. Tale legame rappresenta una interazione polare in cui un atomo H elettropositivo è parzialmente condiviso da due atomi elettronegativi. Questo H è visto come protone che si è dissociato parzialmente da un atomo donatore, permettendone così la condivisione da l’arte di un secondo atomo accettore. L'Idrogeno è il componente principale dell'universo ed è il più semplice degli elementi => il suo atomo è costituito da un nucleo formato da un protone, particella di carica elettrica positiva, attorno a cui si muove un elettrone, con carica di uguale intensità ma negativa. Affinché l'organismo funzioni bene servono le molecole, in particolare le macromolecole, che nella cellula vanno a formare macchinari come i ribosomi. Le molecole possono essere formate da stessi atomi (02 ) oppure da atomi differenti (H20) e hanno una struttura precisa. Quando si parla di legami chimici, ovvero quei legami che tengono insieme due o più atomi o molecole, questi si suddividono in forti e in deboli: le interazioni fra le molecole dipendono da un insieme di legami deboli noti come legami non covalenti (Legami Ionici, attrazione fra atomi provvisti di carica, Legami Idrogeno, Interazione Idrofobiche, Forze di Van Der Waals). Forza di Legame => proprietà cruciale di ogni legame ed è misurata dalla quantità di energia che deve essere fornita per romperlo. Abbiamo dei legami più forti e altri più deboli in quanto per rompere un legame forte serve una grande quantità di energia, poiché è un legame difficilmente reversibile e scindibile (H20 è un legame covalente e la molecola è stabile). Invece per rompere quei legami più deboli serve poca energia, ad esempio l'emoglobina che si lega all'ossigeno e all'anidride carbonica è caratterizzata da un legame debole, poiché la sua funzione deve essere velocemente reversibile; sennò servirebbe troppa energia per respirare. Legame idrogeno => legame debole che si forma quando un atomo di idrogeno parzialmente positivo, legato con un legame covalente polare in una molecola, è attratto da un atomo parzialmente negativo, a sua volta legato covalentemente in un'altra molecola. Nei sistemi biologici l'atomo donatore è un atomo di ossigeno o di azoto, legato covalentemente all'idrogeno, mentre l'atomo accettore può essere ossigeno o azoto (acido cloridrico). I nuclei dei due atomi sono abbastanza vicini e vengono messi in condivisione due elettroni, perciò per scinderlo serve molta energia. Al contrario nei legami non covalenti non viene effettuata nessuna condivisione visto che i nuclei dei due atomi sono distanti. Questo legame lo troviamo nel DNA, tra le due eliche dell'acido nucleico => è un legame debole che permette un'interazione reversibile fra due molecole, le quali oscillano tra l'essere legate e no. Se si guardano le lunghezze dei legami, si nota come la lunghezza del legame covalente sia pari a = 0,15 nm, ciò corrisponde alla distanza tra i due atomi. Invece nei legami idrogeno gli atomi distano 0,30 nm. Per quanto riguarda la forza, ovvero l'energia che si deve spendere per rompere il legame in acqua, vediamo che per i legami covalenti è 90 kcal/mole e per quelli idrogeno è invece 1 kcal/mole. Tutti i processi biologici sono il risultato di specifiche interazioni tra le molecole che compongono ciascun organismo; quindi, lo studio della biologia non può prescindere dalla conoscenza di base delle molecole che costituiscono la cellula. Le molecole sono la parte più piccola di un elemento o di un composto capace di esistenza indipendente. Possono essere costituite da due o più atomi uguali o differenti tenuti insieme da legami chimici. Macromolecole => principali unità di cui è costituita una cellula e sono i componimenti che conferiscono le proprietà più distintive degli esseri viventi, come la forma e le funzioni. Studiando un'approssimativa composizione di una cellula batterica, cellula procariote che è più semplice di quella eucariote => il 70% è costituito di acqua, le reazioni nella cellula avvengono infatti in ambiente acquoso; gli ioni inorganici sono abbondanti ma piccoli, infatti costituiscono solo l'1%. Le macromolecole (proteine, acidi nucleici, polisaccaridi...) rappresentano il 26%. La cellula è inoltre costituita da una serie di molecole (come gli zuccheri, acidi grassi, nucleotidi e amminoacidi), che usa come molecole da cui ricava energia per costruire le macromolecole: gli zuccheri costruiscono i polisaccaridi, gli acidi grassi i lipidi e le membrane cellulari, gli amminoacidi le proteine e i nucleotidi gli acidi nucleici (RNA e DNA). Il processo inverso avviene tramite una reazione di sintesi, nella quale si smontano le proteine, gli acidi nucleici ecc per arrivare ad amminoacidi, nucleotidi ecc cosicché l'organismo possa poi costruire altre proteine e acidi nucleici. Le macromolecole sono polimeri costruiti unendo covalentemente piccole molecole organiche, i monomeri, in catene. Ciascun polimero cresce per l'aggiunta di un monomero all'estremità in una reazione di Quindi un fattore che governa il ripiegamento delle proteine è la distribuzione dei suoi aa polari e non polari => le catene laterali non polari (idrofobiche) tendono a raggrupparsi all'interno della molecola e ciò permette loro di evitare il contatto con l'acqua che le circonda all'interno di una cellula. Le catene laterali polari si dispongono invece vicino all'esterno della molecola, dove formano legami idrogeno con l'acqua. Ma anche l'impossibilità di sovrapposizione fra due atomi limita i possibili angoli di legame in una catena polipeptidica; tale restrizione riduce la varietà di disposizioni tridimensionali, ovvero le conformazioni, degli atomi => nonostante ciò, una catena polipeptidica flessibile, come la proteina, può ancora ripiegarsi in diversi modi. Tale ripiegamento è ulteriormente limitato dai legami deboli non covalenti che si formano tra parti diverse della catena, sia nell'ossatura che nelle catene laterali. Ma i legami deboli possono anche agire in parallelo per tenere due regioni di una catena polipeptidica unite => la stabilità è determinata dalla forza di un gran numero di questi legami deboli. La struttura tridimensionale delle proteine è determinata dall'ordine degli aa nella catena => la conformazione finale adottata dalla proteina è quella che riduce al minimo l'energia libera. Una proteina può essere denaturata, mediante trattamento con certi solventi, che distruggono l'interazione tra legami non covalenti, facendole perdere così la sua forma naturale. Quando il solvente viene rimosso, la proteina si ripiega spontaneamente, rinatura. La sequenza degli aa nella catena polipeptidica rappresenta la struttura primaria, specifica per ogni proteina, che condiziona la configurazione spaziale e la forma della molecola. La struttura secondaria è determinata dalla formazione di legami idrogeno fra i gruppi N--H e C=O dell'ossatura polipeptidica, senza coinvolgere le catene laterali degli aa. Tali strutture sono: 1. Alfa-Elica: si genera quando una singola catena polipeptidica si avvolge a sé stessa per formare un cilindro rigido. Si forma un legame idrogeno fra un legame peptidico e il quarto successivo, collegando il C=O di un legame peptidico con l'N--H di un altro => origine a un'elica regolare con un giro completo ogni 3,6 aa. Si trova nella proteina α-cheratina, abbondante nella pelle, nei peli e unghie. 2. Foglietto-Beta: si può formare da catene polipeptidiche adiacenti che corrono sulla stessa direzione, quindi catene parallele, o da catene antiparallele. Produce una struttura molto rigida, tenuta insieme da legami idrogeno che connettono i legami peptidici di catene adiacenti. Si trova nella proteina fibroina. Le proteine presentano una configurazione spaziale più complessa di quella determinata dalla loro struttura secondaria. La struttura terziaria, che rappresenta la struttura tridimensionale vera e propria della proteina, viene determinata non solo da legami a idrogeno tra i gruppi peptidici, ma da una serie di altri legami di varia natura che si instaurano tra i radicali degli aa e tra questi e il solvente, rappresentato dall'acqua, e i soluti disciolti in essa. Alcune proteine sono costituite da più catene polipeptidiche, dette subunità, associate tra loro a formare un complesso proteico dotato di una definita struttura spaziale, la struttura quaternaria. Ciascun tipo di proteina è caratterizzato da una sequenza precisa di aa, grazie alla quale può ripiegarsi in una particolare forma tridimensionale. Esse possono avere parti le cui azioni meccaniche sono accoppiate a eventi chimici => tale abbinamento conferisce alle proteine capacità specifiche. Le proprietà biologiche di una proteina dipendono dalle sue interazioni fisiche con altre molecole; tale legame può essere di lunga o breve durata, ma è sempre caratterizzato da una grande specificità, nel senso che ciascuna proteina può di solito legare poche molecole o anche una soltanto fra le molte migliaia di diversi tipi. La sostanza che è legata alla proteina viene detta Ligando della proteina. L'affinità tra la proteina e il ligando dipende dalla presenza di un gran numero di legami deboli: un legame efficace si verifica solo quando si formano simultaneamente molti legami deboli e ciò avviene se la superficie del ligando si adatta bene alla proteina. Qualunque regione della superficie di una proteina che può interagire con un'altra molecola attraverso serie di legami non covalenti è chiamata Sito di Legame. Il sito di legame, della proteina che si lega al ligando, è costituito da una cavità nella superficie della proteina formata da una particolare disposizione di aa. Tali aa possono appartenere a porzioni diverse della proteina che si avvicinano quando la proteina si ripiega. Funzioni => di sostegno (cheratina nei capelli e nelle unghie, oppure collagene nei legamenti e tendini), metaboliche (proteine di trasporto della membrana plasmatica fanno entrare e uscire sostanze dalla cellula), di difesa (anticorpi distruggono gli agenti patogeni e prevengono le infezioni), di regolazione (ormoni, come l'insulina sono proteine di regolazione => abbassa livello di zucchero nel sangue e ormone che ripristina livello di zucchero è il glucagone), di movimento (actina e miosina componenti di tessuti muscolari). L'ultima classe di molecole sono quelle degli Acidi Nucleici, che sono dei polimeri di nucleotidi => DNA e RNA portano le informazioni genetiche: il DNA è un'informazione genetica stabile e per esserlo deve essere trasferibile da una generazione all’altra e immutabile nel tempo, mentre l'RNA è un'informazione genetica labile, usata per un certo tempo e poi basta e ha anche funzioni strutturali. Un nucleotide è un complesso molecolare formato da uno zucchero pentoso, a cinque atomi di carbonio, a cui sono attaccati uno o più gruppi fosfato (acido fosforico) e una base che contiene azoto, base azotata (guanina, adenina, citosina, timina o uracile). DNA, Acido Desossiribonucleico => è il polimero più importante e si trova all'interno del nucleo (lo si trova anche nei mitocondri) e contiene l'informazione genetica. Consiste in due catene polinucleotidiche composte da quattro tipi di subunità. Ciascuna catena è un filamento di DNA e tra di loro sono antiparallele e legate da legami idrogeno fra le basi dei nucleotidi. I nucleotidi del DNA sono composti dallo zucchero Desossiribosio attaccato a un singolo Gruppo Fosfato e la base può essere Adenina, Citosina, Guanina o Timina. I nucleotidi sono legati covalentemente tra loro in una catena tramite gli zuccheri e i fosfati => Legame Fosfodiestere, avviene tra un gruppo ossidrile del C in posizione 3 di un nucleotide col gruppo fosfato del C in posizione 5 dell'altro nucleotide. Così da un'estremità avremo un gruppo fosfato libero in 5 e dall'altra parte un gruppo ossidrile in 3 => filamenti antiparalleli, con polarità opposta in quanto un filamento avrà direzione 5→3 e l'altro 3→5. La Doppia Elica del DNA => le due catene sono tenute insieme da legami idrogeno fra le basi sui differenti filamenti, tutte le basi sono all'interno della doppia elica e le ossature di zucchero-fosfato sono all'esterno. Le basi si dividono in basi Puriniche (derivano dalla purina, formate da due anelli 1 esagonale e 1 pentagonale), che sono Adenina e Guanina, e basi Pirimidiniche (derivano dalla pirimidina, hanno un anello esagonale), che sono Timina e Citosina => i due filamenti di DNA sono complementari, poiché le basi di un filamento si incastrano complementarmente con le basi dell'altro filamento => A+T e G+C => in questo modo ciascuna coppia di basi ha una larghezza simile. Il DNA è un polimero lineare di quattro tipi diversi di monomero allineati in una sequenza definita. Ogni suo filamento contiene una sequenza di nucleotidi che è esattamente complementare alla sequenza nucleotidica dell’altro filamento; quindi, ogni filamento può agire da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare. Quindi l'informazione genetica presente nel DNA può essere copiata accuratamente col processo semplice in cui i filamenti si separano e ogni filamento serve da stampo per crearne uno complementare a sé stesso. Tale capacità fa si che la cellula possa replicare il suo genoma prima di trasmetterlo alla sua discendenza. La vita dipende dalla capacità delle cellule di conservare, mantenere e trasmettere le istruzioni genetiche per costruire un organismo vivente. Tali informazioni ereditarie sono trasmesse dalle cellule alle cellule figlie con la divisione cellulare. Vengono immagazzinate all’interno della cellula sotto forma di Geni, che rimangono immutati al processo di replicazione e trasmissione dell’informazione genica. È un segmento di DNA che dirige lo sviluppo fisico e comportamentale di un essere vivente, in quanto la maggior parte di essi codifica per proteine. L'insieme dei geni costituisce il Genoma, il corredo completo delle informazioni contenuto nel DNA di un organismo. I geni sono contenuti nei Cromosomi, strutture con un aspetto filamentoso situate nel nucleo delle cellule eucariote, composte da una singola molecola di DNA lunga associata a proteine che ripiegano e impacchettano il sottile filamento di DNA in una struttura più compatta. Il cromosoma contiene da centinaia a migliaia di geni. Ogni cellula umana contiene 23 coppie di cromosomi, per un totale di 46 cromosomi. IL DNA è molto lungo, circa 2 m ed è contenuto nei cromosomi all’interno del nucleo cellulare e dei mitocondri; è distribuito in 23 coppie di cromosomi (sempre nel nucleo). I batteri, che non dispongono di un compartimento nucleare specializzato, portano i loro geni su una singola molecola di DNA, che è di solito circolare. Questo DNA è associato a proteine che compattano e condensano il DNA, diverse da quelle degli eucarioti. Ad eccezione delle cellule germinali (uova e spermatozoi) e alcuni tipi cellulari che non si moltiplicano e che sono privi di DNA (globuli rossi), ciascuna cellula umana contiene due copie di ciascun cromosoma, una ereditata dalla madre e l'altra dal padre. I cromosomi materno e paterno di una coppia sono detti Cromosomi Omologhi => l'unica coppia di cromosomi non omologhi è composta dai Cromosomi Sessuali. Così ciascuna cellula contiene in totale 46 cromosomi: 22 coppie comuni a maschi e femmine, più due cromosomi sessuali (X e Y nei maschi, due X nelle femmine). L'immagine dei 46 cromosomi umani durante la mitosi è detta Cariotipo.