Anatomia e Fisiologia I

Introduzione

Gli aminoacidi sono i mattoni delle proteine. La sequenza degli amminoacidi nelle singole proteine è codificata nel DNA della cellula. Le proprietà fisiche e chimiche dei 20 diversi aminoacidi presenti in natura dettano la forma della proteina e le sue interazioni con l’ambiente. Alcune brevi sequenze di aminoacidi nella proteina dettano anche dove la proteina risiede nella cellula. Le proteine sono composte da centinaia a migliaia di aminoacidi. Come si può immaginare, il ripiegamento delle proteine è un processo complicato e ci sono molte forme potenziali a causa del gran numero di combinazioni di aminoacidi. Comprendendo le proprietà degli aminoacidi, potrai apprezzare i limiti del ripiegamento delle proteine e imparerai a prevedere la potenziale struttura di ordine superiore della proteina.

Tutti gli aminoacidi hanno la stessa struttura della spina dorsale, con un gruppo amminico (il gruppo α-ammino, o alfa-ammino), un gruppo carbossilico, un α-idrogeno, e una varietà di gruppi funzionali (R) tutti attaccati all’α -carbonio.

La struttura generale di un α-amminoacido. Il gruppo acido è un acido carbossilico. Il carbonio che è attaccato all’acido carbossilico è il carbonio α. Se il gruppo R fosse un atomo di carbonio, sarebbe il carbonio β.

Se tutti gli amminoacidi hanno la stessa struttura di base con un ammino, un carbossile e un idrogeno fissati al carbonio alfa, allora la grande variazione nelle proprietà e nella struttura degli amminoacidi deve venire dal quarto gruppo attaccato al carbonio alfa. Questo gruppo è indicato come la catena laterale dell’amminoacido o il gruppo R.

Le strutture dei 20 amminoacidi comuni sono mostrate nel grafico sottostante. L’amminoacido più semplice, la glicina, è mostrato in alto a sinistra. Gli atomi della catena principale della glicina sono evidenziati in giallo e la sua catena laterale (H) è evidenziata in verde. Tutti gli amminoacidi hanno gli stessi atomi della catena principale, ma differiscono nelle catene laterali. Per chiarezza, l’α-protone è omesso nei restanti disegni.

I gruppi di catene laterali di questi aminoacidi contengono molti gruppi comuni di atomi chiamati gruppi funzionali. La maggior parte dei gruppi funzionali, come il gruppo idrossile (-OH), sono comunemente polari, permettendo loro di interagire con l’acqua. I dettagli dei gruppi funzionali possono essere trovati nel grafico interattivo dei gruppi funzionali, a cui si può accedere cliccando sul link Impara facendo qui sotto.

Legami peptidici

Le proteine sono polimeri di aminoacidi. Gli aminoacidi sono uniti da una reazione di condensazione. Ogni amminoacido nel polimero è chiamato “residuo”. I singoli aminoacidi sono uniti dall’attaccamento dell’azoto di un gruppo amminico di un aminoacido al carbonio carbonilico (C=O) del gruppo carbossilico di un altro aminoacido, per creare un legame peptidico covalente e produrre una molecola di acqua, come mostrato di seguito.

La catena peptidica risultante è lineare con estremità definite. I polimeri corti (meno di 50 residui o aminoacidi) sono solitamente chiamati peptidi, e i polimeri più lunghi polipeptidi. Più polipeptidi insieme possono formare alcune grandi proteine. Poiché la sintesi avviene dal gruppo alfa-ammino di un amminoacido al gruppo carbossilico di un altro amminoacido, il risultato è che ci sarà sempre un gruppo amminico libero a un’estremità del polimero in crescita (il N-terminale) e un gruppo carbossilico libero all’altra estremità (il C-terminale).

Nota che dopo che l’amminoacido è stato incorporato nella proteina, le cariche sui termini ammino e carbossilici sono scomparse, quindi gli atomi della catena principale sono diventati gruppi funzionali polari. Poiché ogni residuo in una proteina ha esattamente gli stessi atomi della catena principale, le proprietà funzionali di una proteina devono derivare dai diversi gruppi della catena laterale.

Per convenzione, le sequenze di peptidi e proteine sono scritte con il N-terminale a sinistra e il C-terminale a destra. Il nome del residuo N-terminale è sempre il primo amminoacido. Il nome di ogni amminoacido segue poi. La sequenza primaria di una proteina si riferisce alla sua sequenza di amminoacidi.

Acidi nucleici

Primariamente situati nel nucleo della cellula (da cui il nome) gli acidi nucleici sono macromolecole replicanti. I più importanti sono il DNA e l’RNA. Senza di loro, le cellule non potrebbero replicarsi, rendendo la vita impossibile. Queste molecole immagazzinano il “software” della cellula, le istruzioni che regolano la sua funzione, i processi e la struttura. Il codice è composto da sequenze di quattro basi: adenina, citosina, guanina e timina (uracile nell’RNA). Queste sono disposte in serie di tre chiamate triplette. Ogni tripletta specifica un aminoacido, che a sua volta è un componente di una macromolecola proteica. Tutta l’intricata complessità del corpo umano deriva dalle informazioni codificate da soli quattro elementi chimici in una singola lunga macromolecola di DNA.

Negli esseri umani, errori nelle strutture di DNA e RNA causano malattie, tra cui l’anemia falciforme, l’emofilia, la corea di Huntingdon e alcuni tipi di cancro. Anche un piccolo errore può provocare un effetto drammatico. La malattia delle cellule falciformi è causata quando un solo amminoacido nella sequenza di base del DNA viene cambiato. Attraverso la direzione di processi chimici, gli acidi nucleici istruiscono le cellule su come differenziarsi in vari organi. Durante lo sviluppo, interi gruppi di sequenze di DNA sono spenti o attivati per guidare processi specifici. Questi processi portano a diversi tipi di cellule che formano organi come il cuore, il fegato, la pelle e il cervello.

Nella cellula, gli acidi nucleici sono a loro volta organizzati in strutture di livello superiore chiamate cromosomi. Puoi vedere i cromosomi con un microscopio ottico, usando un colorante appropriato. I primi studi sui cromosomi hanno aiutato gli scienziati a scoprire e comprendere il ruolo degli acidi nucleici nella riproduzione cellulare. Errori nella struttura cromosomica portano a malfunzionamenti dei processi vitali. Per esempio, negli esseri umani, un cromosoma 21 in più provoca la sindrome di Down.

La spina dorsale

Il nostro codice genetico è determinato da solo quattro basi nel DNA (G, C, A, T), che sono ripetute e disposte in un ordine speciale. Per esempio,

1 agccctccag gacaggctgc atcagaagag gccatcaagc agatcactgt ccttctgcca

61 tggccctgtg gatgcgcctc ctgcccctgc tggcgctgct ggccctgg ggacctgacc

121 cagccgcagc ctttgtgaac caacacctgt gcggctcaca cctggtggaa gctctacc

181 tagtgtgcgg ggaacgaggc ttcttctaca cacccaagac ccggggag gcagaggacc

241 tgcaggtggg gcaggtggag ctgggcgg gccctggtgc aggcagcctg cagcccttgg

301 ccctggaggg gtccctgcag aagcgtggca ttgtggaaca atgctgtacc agcatctgct

361 ccctctacca gctggagaac tactgcaact agacgcagcc cgcaggcagc cccacacccg

421 ccgcctcctg caccgagaga gatggaataa agcccttgaa ccagcaaaa

Questa può sembrare una stringa casuale di G, C, A, T, ma questo DNA codifica per l’insulina umana. Il DNA è organizzato in un polimero lineare a doppia elica e mantiene l’ordine ereditato delle basi o codice genetico. I “gradini” della scala del DNA hanno il codice che alla fine dirige la sintesi delle nostre proteine. Questo polimero lineare del codice genetico viene mantenuto quando il DNA a doppio filamento viene trascritto in RNA a singolo filamento.

L’unità fondamentale del DNA è il nucleotide. Il nucleotide contiene un gruppo fosfato (mostrato in arancione), che alla fine darà al polimero DNA la sua carica e interconnetterà i nucleotidi sulla spina dorsale. Il gruppo zuccherino furanosio è uno zucchero a cinque facce (mostrato in viola). La base azotata (mostrata in giallo) determina il tipo di nucleotide formato.

La numerazione delle posizioni sugli anelli di zucchero furanoso del DNA e dell’RNA segue una convenzione che usa ‘ (il simbolo del primo) per indicare le posizioni dello zucchero. Così, il ribosio ha una base azotata collegata alla posizione 1′ e gruppi idrossilici (OH) sulle posizioni 2′, 3′ e 5′. Usando questa nomenclatura, il desossiribosio è formalmente chiamato 2′-deossiribosio (2 prime deoxyribose) per denotare la perdita dell’idrossile nella posizione 2’ del ribosio.

La principale differenza nelle dorsali dei polimeri tra DNA e RNA è lo zucchero usato nella formazione del polimero. Nel DNA (Acido DeossiriboNucleico) la posizione 2′ del furanosio ha un idrogeno. Nell’RNA (Acido RiboNucleico), la posizione 2′ del furanosio ha un OH (idrossile) e lo zucchero è il monosaccaride ribosio nella conformazione furanosica.

Il legame dei singoli nucleotidi è fatto da una molecola di fosfato a ponte tra due gruppi idrossilici, uno su ogni anello furanosico. Il polimero risultante è una stringa di molecole di furanosio collegate da legami fosfodiesteri in una macromolecola molto lunga.

Quella che segue è una lista di caratteristiche strutturali del backbone del polimero DNA/RNA.

• Fosfato-ribosio(desossiribosio)-fosfato-sequenza di ribosio (desossiribosio)
• collegato da legami covalenti fosfodiesteri
• posizione 3′ di un ribosio (desossiribosio) collegato alla posizione 5′ del ribosio (desossiribosio) adiacente attraverso un ponte fosfodiestere ponte
• La catena ha 3′ estremità e 5′ estremità

Collegamento a idrogeno tra le basi

La doppia elica del DNA è tenuta in posizione con il legame a idrogeno delle purine alle pirimidine.

Esempio purine e pirimidine. http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleobase

Ricordo che i legami a idrogeno sono interazioni deboli, non come i legami covalenti della spina dorsale fosfato-furanosio. Così, il DNA è tenuto insieme, ma può essere staccato per la trascrizione in RNA o per la replicazione del DNA.

Per mantenere la stessa distanza tra i due filamenti di DNA, le purine più grandi devono legarsi alle pirimidine più piccole. In particolare, A si lega sempre con T e G si lega sempre con C nel DNA. Un utile espediente di memoria è che A e T sono lettere angolari e G e C sono entrambe curve.

Trascrizione del DNA

Replicazione del DNA: Ogni volta che una cellula si divide, tutto il DNA del genoma viene duplicato (chiamato replicazione) in modo che ogni cellula dopo la divisione (chiamata cellula figlia) abbia lo stesso DNA della cellula originale (chiamata cellula madre).

Trascrizione del DNA: Perché il codice genetico diventi una proteina, passa attraverso una fase di trascrizione. Il DNA viene trascritto in RNA (un acido nucleico a singolo filamento). L’RNA fa poi la spola dal DNA alla regione della sintesi proteica.

Traduzione dell’RNA: RNA viene tradotto da un codice di acido nucleico nella sequenza di aminoacidi di una proteina.

Così, il codice genetico del DNA è in grado di duplicarsi per mantenere la coerenza in tutto il corpo della persona e per tutta la sua vita. Il DNA è anche usato per fare proteine attraverso l’uso di un RNA intermedio.

Lipidi

I lipidi includono grassi e cere. Diverse vitamine, come A, D, E e K, sono solubili nei lipidi. Forse il ruolo più importante dei lipidi è quello di formare le membrane delle cellule e degli organelli. In questo modo, i lipidi permettono l’isolamento e il controllo dei processi chimici. Giocano anche un ruolo nell’immagazzinamento dell’energia e nella segnalazione cellulare.

Le molecole di lipidi che formano le membrane cellulari sono composte da una “testa” idrofila e una “coda” idrofoba (ricordate, “idro” significa acqua e “philos” significa amore; “idro” significa acqua, “fobico” significa paura). Un bilayer fosfolipidico si forma quando i due strati di molecole fosfolipidiche si organizzano con le code idrofobiche che si incontrano nel mezzo. Gli scienziati credono che la formazione di globuli di lipidi simili a cellule sia stata un precursore vitale per l’origine della vita cellulare, poiché le membrane separano fisicamente i componenti intracellulari dall’ambiente extracellulare. Così, le membrane lipidiche racchiudono altre macromolecole, confinano i volumi per aumentare la possibilità di reazione e proteggono i processi chimici. Le proteine con regioni idrofobiche galleggiano all’interno del bilayer lipidico. Queste molecole regolano il trasporto di molecole cariche o lipofobiche dentro e fuori la cellula, come le molecole di energia e i prodotti di scarto. Alcuni di questi lipidi hanno anche delle molecole di carboidrati attaccate che sporgono dalla membrana e che sono importanti per il riconoscimento cellulare, come menzionato in precedenza.

I lipidi sono anche molecole vitali per lo stoccaggio dell’energia. I carboidrati possono essere utilizzati subito, mentre i lipidi forniscono uno stoccaggio di energia a lungo termine. I lipidi si accumulano nelle cellule adipose (cellule di grasso) del corpo. Come parte del processo catabolico, dai tempi in cui l’uomo doveva procacciarsi il cibo, i carboidrati in eccesso possono essere convertiti in lipidi, che vengono poi immagazzinati nel tessuto adiposo. In definitiva, troppi carboidrati e lipidi ingeriti portano all’obesità.