Di cosa è fatta una cellula?
Composizione delle cellule
- L’acqua (H2O) rappresenta il 70%
del massa della cellula
- C,H,N,O,P,S rappresentano il 99%
della massa della cellula
- Altri elementi più rari sono calcio (Ca2+),
magnesio (Mg2+), potassio (K), zinco (Zn2+)
Confronto tra % di molecole nella crosta terrestre e nel corpo umano
Come interagiscono gli atomi
per formare le molecole?
Il numero di legami tra
atomi dipende dal numero
di elettroni presenti
nell’orbitale esterno
Legami tra atomi
L’acqua
Due tipi di legame:
uno interno alla molecola d’acqua e uno tra le molecole d’acqua
L’acqua è
una molecola
dipolare
Le molecole di acqua formano tra di loro un legame idrogeno
(un tipo di legame elettrostatico)
Caratteristiche dell’acqua:
1) Crea un ambiente favorevole alle basse temperature
Stato solido meno denso dello stato liquido
(il ghiaccio galleggia)
2) Crea un ambiente che può cambiare di caratteristiche:
Vi è un equilibrio tra H2O e le sue forme ionizzate
OH- (ossidrile) = H+ (ione idrogeno) => soluzione neutra (pH=7)
Questo equilibrio può essere modificato da
sostanze acide (che rilasciano H+, come HCl)
e sostanze basiche (che legano H+ =, come NaOH),
portando ad una variazione del pH della soluzione
(soluzione acida: pH < 7, soluzione basica: pH > 7).
3) Crea un ambiente selettivo in termini di solubilità:
Sostanze idrofiliche (solubili in acqua)
e idrofobiche (non solubili in acqua)
Carbonio: l’atomo alla base della vita
Una molecola organica è quella che contiene il carbonio
Perché il carbonio?
• Ha un piccolo peso
• Ha 4 elettroni esterni per formare legami con
altri atomi
– Puo’ formare 4 legami covalenti forti (stabili)
• Quindi è vantaggioso per creare molecole grandi
e complesse
• H,N & O sono i più comuni partner del Carbonio
(piccoli e capaci di formare legami covalenti forti)
GRUPPI CHIMICI COMUNI
• Metilico
R
-CH3
• Carbossilico
-COOH
• Amminico
R
-NH2
Questi gruppi sono molto frequenti
nelle molecole biologiche
Come si passa dagli atomi
alla materia vivente?
Vari livelli di organizzazione
Atomi
Piccole Molecole
Macromolecole
Come si ottengono le macromolecole che
formano le cellule?
Alla base ci sono piccole molecole organiche:
molecole con un peso molecolare di circa
100-1000 dalton (circa 30 atomi di Carbonio)
Polimeri di unità ripetute di piccole molecole
danno luogo alle macromolecole:
(Teoricamente non ci sono limiti alla dimensione)
• Le cellule contengono 4 grandi
famiglie di piccole molecole
organiche:
-Glucidi (Zuccheri)
– Acidi grassi
– Aminoacidi
– Nucleotidi
Dalle piccole molecole
alle macromolecole
• Solitamente sono costitute da subunità ripetute di
zuccheri, aminoacidi, nucleotidi e acidi grassi.
• La sintesi di macromolecole richiede la formazione di
legami covalenti forti tra piccole molecole
• Le macromolecole interagiscono tra di loro in maniera
non covalente per formare le strutture più grandi
della cellula (es.: organelli cellulari)
Tipi di Macromolecole
PICCOLE MOLECOLE
Glucidi (Zuccheri)
Acidi grassi
Aminoacidi
Nucleotidi
MACROMOLECOLE
Carboidrati
Lipidi
Proteine
Acidi nucleici
…spesso le macromolecole sono formate dalla
combinazione di diverse piccole molecole organiche
Polimeri di subunità di diversa natura
– Proteoglicani = carboidrati + catene proteiche
laterali
– Glicoproteine = proteine + carboidrati
– Glicolipidi = lipidi + carboidrati
– Nucleoproteine= nucleotidi + proteine
Carboidrati
• Unità base è un monosaccaride
– Formula generale è (CH2O)n dove n tra
3-8
– Glucosio è C6H12O6
– Gli zuccheri contengono
un numero di gruppi idrossilici
+
• un aldeide
• O un chetone
H
C=O
C=O
Ribosio
Deossiribosio
Glucosio
Fruttosio
Galattosio
Vi è un equilibrio tra la forma a catena aperta o una chiusa ad anello
• Le aldeidi e i chetoni possono Reagire con un
gruppo OH nella stessa molecola e convertirla in
un anello
Isomeri
Una volta formato l’anello il carbonio puo’ legarsi
ulteriormente ad un gruppo carbossilico su un’altra
molecola a formare: Disaccaridi, Oligosaccaridi o
Polisaccaridi
Disaccaridi
Saccarioso: glucosio e fruttosio
Lattosio: glucosio e galattosio
Maltosio: due glucosi
CARBOIDRATI
• Grandi molecole “insolubili”
• 1-2% della massa cellulare
• Amido
– Tessuti vegetali
• Glicogeno
– Tessuti animali
Amido
(α glucosio)
Glicogeno
(α glucosio)
Cellulosa
(β glucosio)
Funzione degli zuccheri nelle cellule
• Principale risorsa di energia:
Polisaccaridi semplici come il glicogeno
(amido nelle c. vegetali) possono essere
scissi in glucosio e poi in anidride
carbonica, acqua e ATP nei mitocondri
• Costituenti della matrice extracellulare
(ECM): Possono legarsi a proteine o
lipidi per formare glicoproteine o
glicolipidi
Funzione degli zuccheri nell’ECM
• Zuccheri e l’acqua formano
strutture “scivolose”
– Muco
• Funzione di protezione negli
ambienti difficili (intestino)
– Glicocalice e muco
• Agiscono come recettori sulle
membrane
– Adesione tra cellule, ormoni, virus,
batteri
Altri tipi di
carboidraiti
Monosaccaridi
modificati
Parete
batterica
Chitina
(Esoscheletro,
Funghi)
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Lipidi
ACIDI GRASSI
• Hanno due regioni distinte:
Una lunga catena idrocarburica
• Insolubile all’acqua o idrofobica
• Gli acidi grassi differiscono per la
lunghezza della catena idrocarburica
e dal numero e la posizione dei C=C
Il gruppo carbossilico che può reagire
con un un gruppo OH o NH2 su una
seconda molecola per formare esteri
o amidi
• Solubile nell’acqua o idrofilico
O
C
O-
Acidi grassi saturi ed insaturi
Funzione degli acidi grassi nelle cellule
• Una risorsa notevole di cibo
– Producono 2x volte piu’ energia
utile rispetto al glucosio
– Immagazzinati nel citoplasma
gocce di trigliceridi
• 3 catene di acidi grassi uniti ad una
molecola di glicerolo
Trigliceridi
• Composizione delle membrane cellulari
• Fosfolipidi sono i componenti
principali
• 2 catene unite ad un
glicerolo
• Il glicerolo si lega anche ad
un gruppo fosfato carico
negativamente
• Fosfato legato a piccole
composti come etanolamina,
colina o serina
Gruppo idrofilico
fosfato
glicerolo
Code idrofobiche di acidi
grassi
Fosfolipidi
Composizione delle membrane cellulari
micella
LIPIDI
• Grassi neutri
– Maggiore risorsa di energia di riserva
• Fosfolipidi
– Membrane cellulare
• Steroidi, basati sul colesterolo
– Molti ormoni
• Altre sostanze lipidiche
– Vitamine solubili nei grassi
– Prostaglandine
Altre sostanze lipidiche
β carotene
Vitamina A
(rodopsina)
Steroidi
Proteine
AMINOACIDI
• Tutti contengono gruppi carbossilici e
aminici legati ad un singolo atomo di
carbonio
• Subunità delle proteine
• Ci sono 20 aminoacidi comuni nelle
proteine, ognuno con una differente
catena laterale
Struttura degli aminoacidi
• Aminoacidi comuni sono raggruppati in
base alle cariche presenti nelle loro
catene laterali
–
–
–
–
2 sono acidi
3 sono basici
6 sono polari non carichi
10 sono nonpolari
H
Gruppo amminico
atomo di carbonio a
H2N-C-COOH
R
Gruppo carbossilico
Gruppo laterale
10 sono nonpolari
6 sono polari
2 sono acidi
3 sono basici
Legame peptidico
PROTEINE
• 50% di materiale organico
nell’organismo
• Coinvolte in quasi tutte le
funzioni della cellula
– Ruolo strutturale
(es.: citoscheletro)
– Ruolo funzionale
(es.: enzimi)
Struttura delle proteine:
come si organizza la catena aminoacidica nello spazio
cisteine
Struttura primaria sequenza di aminoacidi
Struttura secondaria: ripiegamenti regolari e ripetuti
Struttura terziaria: forma complessiva della proteina
Struttura quaternaria: interazioni tra varie subunità
La struttura è influenzata da temperatura, forza ionica e pH dell’ambiente
Le proteine raggiungono la loro forma finale grazie agli chaperoni
Proteine Strutturali
• Solitamente Proteine Fibrose
– Strutture semplici allungate
– Possono essere molto lunghe
– Filamenti Intermedi, cheratine
• All’interno della cellula
– Collagene
• Fuori della cellula
• Proteina esposte all’ambiente
extracellulare sono stabilizzate da
legami disolfuro
– Legami covalenti sulfuro-sulfuro
(S-S)
Proteine Funzionali
• Solitamente Proteine Globulari
– Catena polipeptidica aggrovigliata in una struttura
rotondeggiante con una superficie irregolare
• Mobili
• Svolgono gran parte del lavoro delle cellule
– Catalizzatrici/enzimi (-asi)
• Virtualmente ogni reazione biochimica del corpo
– Comunicazione esterna: Es. Ormoni
– Trasporto e movimento Es: Miosina
– Funzioni specializzate: Es. Anticorpi
Acidi nucleici
Espressione genica
NUCLEOTIDI
contiene uno zucchero a 5 atomi di carbonio che
lega da un lato una base azotata (struttura ad
anello con azoto) e dall’altro un gruppo fosfato
– L’Anello si chiama base poiché puo’
accettare H+ a livello dell’azoto
– Lo zucchero a 5 carboni è il ribosio o il
deossiribosio
Nomenclatura
Funzione dei nucleotidi
• ATP (adenosin trifosfato) puo’
rilasciare energia per formare
ADP e Pi, e viceversa
• AMP Ciclico è una molecola
segnale all’interno della cellula
• Puo’ combinarsi con altri
gruppi chimici per
formare coenzimi
(Coenzima A)
• Formare il materiale genetico
ACIDI NUCLEICI
• Lunghi polimeri dove subunità nucleotidiche
sono legate covalentemente tramite la
formazione di un estere fosfato tra il
gruppo 3’ OH sullo zucchero e il gruppo 5’
fosfato del nucleotide successivo
NH2
5’
fosfato
N
O
O P O CH2
O
O
Nucleotide
3’
OH OH
base
O
zucchero
ACIDI NUCLEICI
base
O
O
P
O
5’
CH2 O
sugar
O
3’ O
O
P
O
base
O
5’ CH
2
O
sugar
3’
OH
• RNA-Acido ribonucleico
– Lo scheletro si basa sul ribosio
– A, U, G, C
– Nucleo, nucleolo, citoplasma,
ribosoma, mitocondri
• DNA-Acido deossiribonucleico
– Lo scheletro si basa sul
deossiribosio
– A, T, G, C
– Nucleo, mitocondrio
• A con T (oppure U) e G con C
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Anatomia microscopica ©
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Ogni struttura cellulare è composta da varie macromolecole
