2_molecole biologiche nella cellula

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
H2O
(50-90%)
Savada D et al., Elementi di biologia e genetica
4
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 H2O. 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 H2O. Un
atomo di idrogeno dell’acqua attacca un monomero e il
gruppo ossidrile lega il monomero adiacente
H2O
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)
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 in grado di essere
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
C6H12O6
Esoso
chetoso
10
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 C1 e gruppo ossidrilico sul
C5 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
fruttosio
lattasi
13
Lattasi e intolleranza al lattosio
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
Lattasi e 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
Global distribution
of lactose intolerance
+
-
15
Lattasi e intolleranza al lattosio

Una mutazione casuale insorta c.a. 7500 anni fa in Europa centrale
ha consentito la persistenza della lattasi

Una mutazione casuale indipendente (ma con uguale effetto sul
fenotipo) è insorta nelle popolazioni africane nello stesso periodo

In h. sapiens con l’introduzione della pastorizia (c.a. 10 000 anni fa)
il latte diventa alimento anche per gli adulti; diventa vantaggioso
mantenere lattasi attiva anche nell’adulto; la pressione selettiva fa
aumentare la frequenza del carattere “persistenza dell’enzima” nella
popolazione
.
Darwin in un bicchiere di latte. Le scienze n°531, Novembre 2012
http://pikaia.eu/levoluzione-della-tolleranza-al-latte-tra-gli-africani/
http://pikaia.eu/Il-viaggio-della-lattasi/
16
Ötzi, la mummia del Similaun, intollerante
al lattosio
5000 anni fa
Gruppo sanguigno 0, probabili occhi marroni
Predisposizione genetica a malattie coronariche
Infettato da Borrelia burgdorferi
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
monomeri e il grado di ramificazione.
19
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
20
Erbivori che “digeriscono” la cellulosa
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 tre camere, dove viene ulteriormente demolito, e da qui
nell’intestino dove il glucosio proveniente dalla digestione della
cellulosa viene assorbito.
21
Erbivori che “digeriscono” la cellulosa
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
22
⃰
⃰
⃰
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
rifiuti.
23
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?

24
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
H2O
passaggio del solvente (acqua) ma non di
determinati soluti (es. zuccheri)
25
Osmosi 2



Le
membrane
cellulari
sono
semipermeabili
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
Cellula che accumula
G monomero
26
Osmosi 3
Con la polimerizzazione il numero di molecole all’interno della cellula
viene riportato uguale a quello dell’ambiente extracellulare
glicogeno/amido
Ambiente extracellulare
cellula
27
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

28
Trigliceridi
I trigliceridi sono i gliceridi più comunemente
presenti in grassi animali e vegetali
 Costituiti da una molecola di glicerolo (alcol a
tre atomi di carbonio) unita a tre molecole di
acido grasso.

29
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
apolare
30
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)
31
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
32
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
33
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
34
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
35
Membrana cellulare

Le membrane sono formate da un doppio strato di
fosfolipidi anfipatici
36
Steroidi


Composti organici che contengono tre anelli di
cicloesano (A, B, C) e un anello di ciclopentano (D)
Costituenti delle membrane biologiche (colesterolo),
ormoni (sessuali, surrenalici), funzione digestiva (sali
biliari)
37
Steroidi
38
PROTEINE


Singolo polimero non ramificato di aminoacidi
(catena polipeptidica) che si ripiega in una specifica
struttura tridimensionale
Aminoacidi: molecole organiche che recano sia il
gruppo aminico (-NH2) che quello carbossilico
(-COOH)
Carbonio 
R: gruppo laterale differisce in
ciascuno dei 20 aa
39
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
40
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
41
Struttura primaria
La sequenza aminoacidica della catena polipeptidica
costituisce la struttura primaria di una proteina
42

Numero teorico di polipeptidi diversi:
20n (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)
43
Struttura tridimensionale

La particolare sequenza aminoacidica di ogni proteina ne
determina la struttura tridimensionale

La conformazione di una proteina ne determina la funzione

Qualsiasi cambiamento della sequenza aa (mutazione) può
avere effetti drastici sulla sua funzione
Ligando-recettore
Substrato-enzima
44
Strutura 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 100 a 1000
volte più debole del legame metallico)
48
GFP
myoglobin
Aequorea victoria
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
51
sufficienti a sostenere il peso del geko
Struttura della  cheratina
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 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
dimero
Permanente
B
Fase 1: trattamento con agente
riducente (rottura dei ponti disolfuro)
Fase 2: capelli arrotolati su supporto
(stiramento delle fibre)
Fase 3: trattamento con agenti ossidanti
(si riformano i ponti disolfuro in posizione
slittata che esercitano una torsione delle
54
fibre)
Struttura quaternaria
Alcune proteine sono costituite dall’aggregazione di più
catene polipeptidiche (subunità)
L'emoglobina è una proteina
globulare 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
Hb adattate a vita sotterranea
Bassa tensione di O2, alta %CO2
Scapanus orarius
Una mutazione nell’emoglobina (cambiamento di 1 aa) aumenta la
sua affinità per la CO2 aumentando la velocità con cui l’organismo si
56
libera del gas tossico
Effetto di una mutazione puntiforme
sulla struttura della proteina
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
57
Proteine funzioni








Proteine enzimatiche che 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)
…
58
ACIDI NUCLEICI

Gli acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi e sono
specializzati nella conservazione, trasmissione e uso
dell’informazione genetica

DNA
(DeoxyriboNucleic
l’informazione
ereditaria,
Acid)
la
contiene
trasferisce
alle
generazioni successive (eccezione alcuni virus) e,
attraverso un intermedio a RNA (RiboNucleic Acid),
specifica la sequenza aminoacidica delle proteine
59
Nucleotidi
5’
3’
Zucchero pentoso + gruppo fosfato + base azotata
60
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
61
DNA vs RNA, composizione

Pentoso

Basi azotate
DNA
RNA
62
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
adiacente (legame fosfodiesterico)
63
Condensazione
5’
3’
64
DNA doppio filamento
Due catene lineari antiparallele
65
DNA struttura 1






Doppia elica
Distanza tra due coppie di basi 0.34nm
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
66
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
2nm
G ≡ C: 3 legami H
A = T: 2 legami H
67
DNA vs RNA, struttura
Doppio
filamento
con struttura
a doppia
elica
Singolo filamento
con possibili
regioni di «self
pairing» (es.:
tRNA)
o appaiamento
transitorio con
DNA (trascrizione)
o altri RNA
68
RNA struttura
mRNA
rRNA
tRNA
69
RNA funzione




mRNA (messaggero)1-3% dell’RNA cellulare
fornisce le istruzioni (sequenza nucleotidica) per la
sintesi delle proteine
rRNA (ribosomale) >80% dell’RNA cellulare
componente essenziale dei ribosomi (sintesi proteica)
tRNA (transfer) traduce il linguaggio del messaggero
(triplette nucleotidiche) in aminoacidi
Genoma (alcuni virus)
70
71
⃰
⃰
Chiralità
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.
72
⃰
Chiralità
Altri oggetti non sono identici (sovrapponibili) alla
propria immagine speculare.
73
Molecole chirali
74
⃰
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
mano sx
guanto dx
guanto dx
75
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 degradano
per ricavare energia
76
Esempi molecole chirali con
differenti proprietà
limonene
cumino
Menta
piperita
propoxyphene
77
Che odore ha la gomma da
masticare alla menta dall’altra parte
dello specchio?
78