Lezione 2 Molecole biologiche nella cellula 1 Le

Lezione 2 Molecole biologiche nella cellula 1

Le sostanze presenti nei viventi Gli esseri viventi terrestri sono costituiti da sostanze chimiche basate sul carbonio I composti organici sono costituiti da uno scheletro di atomi di carbonio e idrogeno che può legare altri atomi: ossigeno, azoto, zolfo, fosforo La maggior parte dei composti organici degli organismi è rappresentata da macromolecole (polimeri) prodotte attraverso l’unione con legami covalenti di molecole più piccole (monomeri) 2

Molecole biologiche I quattro tipi di grandi molecole che contraddistinguono i viventi sono le proteine, i lipidi, i carboidrati e gli acidi nucleici. La maggior parte di queste molecole biologiche sono polimeri, costituiti da subunità monomeriche unite tra loro; polimeri molto grandi sono chiamati macromolecole 3

Le sostanze presenti nei viventi H 2 O (50 -90%) 4 Savada D et al. , Elementi di biologia e genetica

I polimeri Le macromolecole di carboidrati, proteine e acidi nucleici sono molecole a lunga catena (polimeri) costituite da numerose subunità (monomeri) identiche o simili unite da legami covalenti 5

Sintesi dei polimeri Reazione di condensazione: il legame fra i vari monomeri avviene mediante una reazione in cui si ha la perdita di una molecola di H 2 O. Ogni volta che si forma un legame uno dei monomeri perde un gruppo ossidrile, l’altro un atomo di idrogeno Reazione catalizzata da polimerasi 6

Degradazione dei polimeri Reazione di idrolisi: rottura dei legami covalenti tra monomeri per aggiunta di una molecola di H 2 O. Un atomo di idrogeno dell’acqua attacca un monomero e il gruppo ossidrile lega il monomero adiacente H 2 O Reazione catalizzata da idrolasi 7

CARBOIDRATI Molecole che contengono atomi di carbonio affiancati da atomi di idrogeno e gruppi ossidrilici (H-C-OH)n (C: H: O = 1: 2: 1) 8

Carboidrati funzione * * Fonte di energia (es. glucosio, polisaccaridi di deposito) Fonte di atomi di C per la biosintesi di molecole organiche (aa, acidi grassi) Funzione strutturale (cellulosa, chitina) Legati a proteine o lipidi costituiscono antigeni di superficie (sostanze che vengano riconosciute dal sistema immunitario) 9

Monosaccaridi 1 Zuccheri semplici che contengono generalmente da tre (triosi) a sette (eptosi) atomi di carbonio. Classificati in base al numero degli atomi di C e alla presenza di un gruppo chetonico o aldeidico. Esoso aldoso C 6 H 12 O 6 isomeri 10 Esoso chetoso

Monosaccaridi 2 In soluzione acquosa le molecole di molti monosaccaridi (C>4) assumono una struttura ad anello. La forma ciclica è la più stabile in condizioni fisiologiche. Reazione tra gruppo aldeidico sul C 1 e gruppo ossidrilico sul C 5 del glucosio 11

Monosaccaridi 3 Due pentosi (ribosio e desossiribosio) hanno particolare importanza biologica, in quanto costituiscono parte dello scheletro dell’ RNA e del DNA 12

Disaccaridi Costituiti dall’unione di due monosaccaridi attraverso un legame covalente glicosidico glucosio lattasi 13 fruttosio

Lattasi e intolleranza al lattosio 1 La lattasi ha localizzazione intestinale (tenue). La diminuzione nella produzione di questo enzima (in alcuni individui adulti) è legata all’intolleranza al lattosio. lattasi 14

Distribuzione mondiale intolleranza al lattosio * In tutte le specie di mammiferi, i geni per la digestione del latte vengono silenziati subito dopo lo svezzamento (lattasi non più necessaria ed è costoso produrla). * Una parte della popolazione umana attuale è in grado di digerire questo alimento anche in età adulta. Il 90% nord europei digerisce il latte; l’ 80% degli europei del sud e il 95% dei cinesi sono intolleranti. In Africa la distribuzione è a macchia di leopardo, in relazione alle diffusione della pastorizia. 15

Lattasi e intolleranza al lattosio 2. * C. a. 10 000 anni fa viene introdotta la pastorizia e inizialmente si utilizzava solo di latte fermentato che ha minore contenuto di lattosio (a quell’epoca tutti gli adulti di h. sapiens erano intolleranti) * Una mutazione casuale insorta c. a. 7500 anni fa in Europa centrale ha consentito la persistenza della lattasi negli adulti * Una mutazione indipendente (ma con uguale effetto sul fenotipo) è insorta nelle popolazioni africane nello stesso periodo * Dopo la comparsa di mutazioni il latte diventa alimento anche per gli adulti; i portatori hanno un vantaggio selettivo (fonte di energia, calcio, vit D, H 2 O); aumenta la frequenza del carattere “persistenza dell’enzima” nella popolazione (35% attualmente) 16

Coevoluzione genetico-culturale * * Le mutazioni che hanno portato alla persistenza della lattasi negli adulti hanno potuto diffondersi nelle popolazioni umane solo dopo l’invenzione della pastorizia. Un cambiamento culturale ha generato una pressione selettiva e causato un’evoluzione biologica per selezione naturale. 17

Polisaccaridi Macromolecole lineari o ramificate formate dalla polimerizzazione di monosaccaridi uniti da legami glicosidici (amido, glicogeno, cellulosa, chitina) Amilosio, amilopectina, glicogeno, cellulosa: polimeri del glucosio. Cambia il tipo di legame tra i 20 monomeri e il grado di ramificazione.

Polisaccaridi strutturali Chitina: polimero di N-acetilglucosammina esoscheletro artropodi parete cellulare di funghi e batteri Cellulosa: polimero del glucosio pareti cellule vegetali degradata (cellulasi) da alcuni batteri, funghi e protozoi 21

Erbivori che “digeriscono” la cellulosa 1 Ruminanti: microrganismi simbionti nello stomaco che digeriscono la cellulosa. Lo stomaco è diviso in quattro parti: rumine, reticolo, omaso e abomaso. I vegetali grossolanamente masticati scendono nel rumine, dove i microrganismi simbionti demoliscono la cellulosa. Successivamente, l’impasto vegetale viene rigurgitato in bocca, rimasticato e nuovamente inghiottito. Questa volta, però, il cibo passa nelle altre camere, dove viene ulteriormente demolito, e da qui nell’intestino dove il glucosio proveniente dalla digestione della cellulosa viene assorbito.

Erbivori che “digeriscono” la cellulosa 2 Conigli e roditori: batteri simbionti nell’intestino cieco. Topi e conigli ingeriscono le proprie feci, in cui sono contenuti i prodotti di digestione della cellulosa per assorbirli a livello intestinale a un secondo passaggio, evitando perdita di nutrienti inizialmente eliminati. Batteri simbionti Assorbimento nutrienti 23

Insetti che “digeriscono” il polistirolo Le larve del coleottero Tenebrio molitor, o tarma della farina, possono sopravvivere nutrendosi di polistirolo. Per questa capacità di metabolizzare la plastica pare siano responsabili particolari batteri che vivono nel loro apparato digerente. Se si riuscisse a produrre su vasta scala gli enzimi digestivi di questi batteri si potrebbero utilizzare per lo smaltimento dei 24 rifiuti.

Polisaccaridi di riserva * * * Il glucosio è lo zucchero direttamente ossidato per liberare energia Il glicogeno e l’amido sono polimeri del glucosio (G)n, dove n può raggiungere le centinaia di unità Perché il G deve essere immagazzinato nelle cellule come polimero? Perché la cellula non accumula il glucosio monomero? 25

Osmosi 1 L’osmosi è quel fenomeno per cui si assiste al movimento di acqua da una soluzione meno concentrata a una soluzione più concentrata, attraverso una membrana semipermeabile. Membrana semipermeabile permette il passaggio del solvente (acqua) ma non di determinati soluti (es. zuccheri) 26 H 2 O

Osmosi 2 Le membrane cellulari sono semipermeabili Cellula che accumulasse G monomero rischierebbe di scoppiare 27

Osmosi 3 La pressione osmotica dipende dal numero di molecole in soluzione, non dalle loro dimensioni, quindi 100 molecole di G esercitano una pressione osmotica 100 volte superiore a una singola molecola di glicogeno formata da 100 molecole di glucosio. Abbassando il n° netto di molecole (da G a glicogeno) diminuisce la pressione osmotica nella cellula. glucosio A ambiente extracellulare glicogeno/amido B cellula Con la polimerizzazione il numero di molecole all’interno della cellula viene riportato uguale a quello dell’ambiente extracellulare

LIPIDI * * * Idrocarburi insolubili in acqua a causa dei loro numerosi legami covalenti apolari Non costituiscono polimeri Grassi e oli (grassi neutri/gliceridi): deposito energetico Fosfolipidi: funzione strutturale nelle membrane biologiche Steroidi: funzione di regolazione, strutturale, digestiva 29

Trigliceridi * * Costituiti da una molecola di glicerolo (alcol a tre atomi di carbonio) unita a tre molecole di acido grasso I trigliceridi sono i gliceridi più comunemente presenti in grassi animali e vegetali 30

Acidi grassi 1 L’acido grasso è costituito da una lunga catena idrocarburica non ramificata alla cui estremità si trova un gruppo carbossilico (-COOH). Acidi grassi saturi: tutti i legami sono saturati da atomi di H. Le molecole risultano rigide e si impacchettano tra di loro. I grassi ricchi di ac. grassi saturi tendono ad essere solidi a temperatura ambiente polare 31 apolare

Acidi grassi 2 Acidi grassi insaturi: la catena idrocarburica contiene uno o più doppi legami che introducono delle “pieghe” nella molecola. Le pieghe impediscono alle molecole dei grassi insaturi di allinearsi con le molecole adiacenti. I lipidi contenenti ac. grassi insaturi tendono ad essere fluidi a temperatura ambiente (oli)

Riserve energetiche * * * I grassi costituiscono una forma di riserva energetica concentrata: a parità di peso producono una quantità di energia più che doppia rispetto a quella contenuta nell’amido Le piante essendo immobili possono permettersi di accumulare pesanti riserve energetiche sotto forma di amido Per gli animali, che devono portare sempre con sé i propri depositi di energia, risulta vantaggioso che tali depositi siano concentrati; le riserve energetiche a lungo termine vengono depositate sotto forma di lipidi nelle cellule adipose

Riserve energetiche: glicogeno * Le riserve di glicogeno degli animali servono solo per le “emergenze” * Le riserve muscolari sono quasi doppie rispetto a quelle del fegato, ma in entrambi i casi sono a breve termine: subiscono drastiche riduzioni in caso di esercizio fisico o di digiuno * Il glicogeno muscolare serve come fonte di energia del lavoro meccanico, quello epatico a regolare la glicemia * Il grosso delle riserve energetiche (in termini di Kcal quasi 200 volte in più) è costituito dai lipidi 34

Fosfolipidi 1 Formati da una molecola di glicerolo esterificata da due acidi grassi e legata a un fosfato che a sua volta lega un gruppo organico generalmente azotato. Sono molecole anfipatiche Carica elettrica negativa 35

Fosfolipidi 2 In presenza di acqua le estremità polari idrofile si dispongono verso l’ambiente acquoso, mentre le code apolari idrofobe si orientano in direzione opposta 36 36

Membrana cellulare Le membrane sono formate da un doppio strato di fosfolipidi 37 37

Steroidi Composti organici che contengono tre anelli di cicloesano (A, B, C) e un anello di ciclopentano (D) 38 38

Steroidi: funzioni Costituenti delle membrane biologiche (colesterolo regola la fluidità della membrana) Ormoni (sessuali, surrenalici) Funzione digestiva (sali biliari) 39

PROTEINE * * Singolo polimero non ramificato di aminoacidi (catena polipeptidica) che si ripiega in una specifica struttura tridimensionale Aminoacidi: molecole organiche recano sia il gruppo aminico (-NH 2) che quello carbossilico (-COOH) Carbonio R: gruppo laterale differisce in ciascuno dei 20 aa 40

Aminoacidi I 20 amminoacidi possono essere divisi in gruppi a seconda della carica e della polarità delle loro catene laterali: Catene laterali neutre apolari Catene laterali neutre polari Catene laterali cariche acide Catene laterali cariche basiche 41

Legame peptidico Gli aminoacidi si uniscono tra loro mediante un legame covalente che si forma tra il carbonio del gruppo carbossilico di un aa e l’azoto del gruppo aminico dell’aa adiacente 42

Struttura primaria La sequenza aminoacidica della catena polipeptidica costituisce la struttura primaria di una proteina 43

Polipeptidi Numero teorico di polipeptidi diversi: 20 n (20 numero di aa diversi, n lunghezza del polipeptide) 20 2 (400) dipeptidi diversi 20 3 (8000) tripeptidi diversi …. . Lunghezza delle proteine negli eucarioti: minima 110 aa (insulina umana) media c. a. 360 aa massima 27. 000 aa (Titine) 44

Struttura secondaria 1 * * Segmenti di catena polipeptidica avvolti o ripiegati in modo ripetitivo a formare strutture che contribuiscono alla forma complessiva della proteina. Queste configurazioni sono determinate dalla formazione di numerosi legami a idrogeno tra gli aminoacidi che costituiscono la struttura primaria. 45

Struttura secondaria 2 * elica: è comune nelle proteine strutturali fibrose (cheratine) per quasi tutta la lunghezza del polipeptide. * Legami H tra l’ossigeno di un gruppo C=O e il gruppo N-H nel giro successivo dell’elica, a 4 aa di distanza. 46

Struttura secondaria 3 sheet: due o più regioni di una singola catena polipeptidica tra loro parallele vengono a formare una struttura planare attraverso la formazione di legami idrogeno Legami H tra gruppi NH su un segmento della catena e i gruppi C=O sull’altro segmento 47

La presenza di numerosissimi legami idrogeno nei foglietti beta della seta del ragno rende ogni fibra della seta più resistente di un filo d’acciaio dello stesso peso (nonostante il legame H a livello molecolare sia da 1000 volte più debole del legame metallico) 48 48

GFP myoglobin eliche Foglietti Aequorea victoria 49 49

Struttura terziaria Le interazioni tra i gruppi R delle catene laterali degli aminoacidi determinano la formazione di ripiegamenti che portano alla formazione di una struttura tridimensionale definita (struttura terziaria) 50

Interazioni deboli con un grande effetto Le interazioni di van der Waals tra le molecole presenti all’apice delle setole sulle dita e quelle della superficie del muro sono così numerose che, sebbene prese individualmente siano estremamente deboli, nel loro complesso sono sufficienti a sostenere il peso del geko 51

Struttura della cheratina è una proteina fibrosa. Nell'uomo è il principale costituente di capelli, peli e unghie, nei mammiferi di peli, artigli e zoccoli. È costituita da alfa eliche destrorse avvolte a due a formare dimero. A loro volta i dimeri si associano attraverso la formazione di ponti disolfuro a formare protofilamenti, poi filamenti… 52

Ponte disolfuro legame covalente che stabilizza la struttura terziaria della proteina e che si origina per ossidazione di due gruppi SH, ciascuno appartenente a una cisteina H ossidazione H dimero 53

Permanente B Fase 1: trattamento con agente riducente (rottura dei ponti disolfuro) Fase 2: capelli arrotolati su supporto (stiramento delle fibre e slittamento) Fase 3: trattamento con agenti ossidanti (si riformano i ponti disolfuro in posizione slittata che esercitano una torsione delle fibre)

Struttura quaternaria Successivo livello di organizzazione in alcune proteine: complesso di subunità proteine sono costituite dall’aggregazione di più catene polipeptidiche (subunità) L'emoglobina è una proteina globulare la cui struttura quaternaria è costituita da quattro sub -unità. L’ emoglobina lega l'ossigeno durante il passaggio del sangue nei polmoni, e lo cede successivamente ai tessuti. L'emoglobina è necessaria, nonostante l'ossigeno si sciolga nell'acqua, perché la quantità normalmente solubilizzata sarebbe troppo bassa per le esigenze metaboliche di un animale di dimensioni superiori a 1 mm. 55

Struttura tridimensionale * La particolare sequenza aminoacidica di ogni proteina ne determina la struttura tridimensionale * La conformazione di una proteina ne determina la funzione Ligando-recettore * Substrato-enzima Un cambiamento della sequenza aa (mutazione) può avere effetti 57 drastici sulla sua funzione

Ripiegamento (folding) di una proteina aa idrofobici aa idrofilici l’effetto idrofobico è considerato responsabile del ripiegamento delle proteine globulari: i residui con catene laterali idrofobiche si ripiegano verso l’interno della proteina lasciando esposti al solvente in superficie i residui polari.

Effetto di una mutazione puntiforme sulla struttura della proteina: anemia falciforme aa carico (Glu) aa apolare (Val) La sostituzione di un aa con caratteristiche di polarità/carica elettrica o con ingombro sterico differenti può influire sulla struttura e sulla funzione di una proteina

Proteine: funzioni Proteine enzimatiche catalizzano le reazioni chimiche (lattasi) Proteine strutturali (cheratina, collageni, distrofina, seta) Proteine di trasporto di piccole molecole (emoglobina, albumina) Proteine ormonali (insulina, paratormone) Proteine recettoriali (recettore dell’insulina) Proteine contrattili (actina, miosina) Proteine di difesa (anticorpi) riconoscono molecole estranee (antigeni) … 60

ACIDI NUCLEICI * Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi e sono specializzati nella conservazione, trasmissione e uso dell’informazione genetica * DNA (Deoxyribo. Nucleic Acid) contiene l’informazione ereditaria (eccezione alcuni virus), la trasferisce alle generazioni successive e, attraverso un intermedio a RNA (Ribo. Nucleic Acid), specifica la sequenza aminoacidica delle proteine 61

Nucleotidi 5’ 3’ Zucchero pentoso + gruppo fosfato + base azotata 62

Perché negli acidi nucleici non c’è il glucosio? Gli zuccheri a 6 atomi di C sono molto più comuni in natura, allora perché ribosio? Analisi di DNA sintetico realizzato con glucosio ha evidenziato che tale molecola: * permette anche appaiamenti «non canonici» (AA e GG) * non è in grado di appaiarsi con altri acidi nucleici (RNA) * quindi non è adatto a conservare e trasmettere l’informazione genetica 63

DNA vs RNA, composizione Pentoso Basi azotate 64 DNA RNA

Struttura Le molecole degli acidi nucleici sono costituite da catene lineari di nucleotidi uniti tra di loro da un legame covalente tra il carbonio 3’ dello zucchero di un nucleotide e il gruppo fosfato in posizione 5’ dello zucchero del nucleotide fosfodiesterico) 65 adiacente (legame

Condensazione 5’ 3’ 66

La reazione di condensazione di deossiribonucleotidi è catalizzata da una DNA polimerasi una RNA polimerasi una idrolasi sia a) che b) sono vere dalla lattasi 67

DNA doppio filamento Due catene lineari antiparallele 68

DNA struttura 1 Doppia elica * Distanza tra due coppie di basi 0. 34 nm * Passo dell’elica 3. 4 nm (1 giro = 10 bp) * Diametro dell’elica 2 nm * Filamenti dell’elica sono antiparalleli * Lo scheletro zucchero-P costituisce l’impalcatura esterna dell’elica… * 2 nm 69

DNA struttura 2 … mentre le basi azotate di ciascun filamento si appaiano nella parte centrale dell’elica secondo le regole della complementarietà. Il diametro della molecola si mantiene costante perché una purina si appaia a una pirimidina 2 nm G ≡ C: 3 legami H A = T: 2 legami H 70

DNA vs RNA, struttura Singolo filamento con possibili regioni di «self pairing» (es. : t. RNA) o appaiamento transitorio con DNA (trascrizione) o altri RNA Doppio filamento con struttura a doppia elica 71 Il 2’-OH del ribosio impedisce la formazione di una doppia elica stabile nell’RNA

RNA struttura m. RNA r. RNA 72 t. RNA

RNA funzione * m. RNA (messaggero)1 -3% dell’RNA cellulare fornisce le istruzioni (sequenza nucleotidica) per la sintesi delle proteine * r. RNA (ribosomale) >80% dell’RNA cellulare componente essenziale dei ribosomi (sintesi proteica) * t. RNA (transfer) traduce il linguaggio del messaggero (triplette nucleotidiche) in aminoacidi * RNA non codificante che regola l’espressione genica * Genoma (alcuni virus) 73

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Chiralità 1 Qualunque oggetto (e quindi qualunque molecola) ha un'immagine speculare…con l'eccezione dei vampiri. Alcuni oggetti sono però identici (sovrapponibili) alla propria immagine speculare. 75

Chiralità 2 Altri oggetti non sono identici (sovrapponibili) alla propria immagine speculare. 76

Molecole chirali La maggior parte delle molecole biologiche è chirale. Le molecole chirali possono quindi esistere in forma «destra» e «sinistra» . 77

Proprietà biologiche delle molecole chirali Una molecola si adatta perfettamente a un sito recettoriale esercitando il suo effetto biologico, mentre la molecola speculare non si può legare e non produce l’effetto «mano» dx «guanto» dx 78 «mano» sx «guanto» dx

Esempi molecole chirali con differenti proprietà Abbiamo bisogno di assumere zuccheri, ma se mangiassimo la forma speculare di tali zuccheri moriremmo di fame, perchè noi siamo in grado di metabolizzare solo la forma D D glucosio dolce, L glucosio salato e non nutriente perché non si lega ai recettori per il dolce e agli enzimi che lo dovrebbero degradare per ricavare energia 79

Esempi molecole chirali con differenti proprietà limonene cumino Menta piperita 80 propoxyphene

Che odore avrà la gomma da masticare alla menta dall’altra parte dello specchio? 81

letture Rivelando gli stupefacenti collegamenti di natura chimica tra fatti apparentemente scollegati, gli autori presentano nel libro 17 gruppi di molecole che hanno cambiato il corso della storia, arrivando a determinare moltissimi aspetti della nostra vita quotidiana. Il lettore apprenderà per esempio come i bottoni delle uniformi dell'armata napoleonica, fatti di stagno, si sbriciolassero alle basse temperature, mettendo in notevoli difficoltà i soldati impegnati sul fronte russo (e, chissà, ipotecando così l'esito della campagna); come un banale incidente domestico con un grembiule detonante ebbe come conseguenza lo sviluppo dei moderni esplosivi e la nascita dell'industria cinematografica; come la passione degli europei per la caffeina, una molecola che dà una blanda dipendenza, finì per portare alla rivoluzione comunista in Cina. 82