Fondamenti di Biologia Cellulare: Carboidrati, Organelli e Codice Genetico

B1OA: I Carboidrati e la Membrana Plasmatica

I carboidrati più semplici sono composti da una singola molecola o monomero e sono chiamati monosaccaridi. Questi si presentano come solidi di colore bianco, hanno una struttura cristallina e sono molto solubili in acqua, ma insolubili in solventi non polari. La maggior parte di essi possiede un gusto dolce.

Chimicamente, sono costituiti da una singola unità di poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni e hanno la formula empirica (CH₂O)n, dove n varia da un minimo di 3 a un massimo di 8. Lo scheletro di carbonio non è ramificato e tutti gli atomi di carbonio, tranne uno, possiedono un gruppo ossidrile (-OH). L'atomo di carbonio rimanente fa parte di un gruppo carbonilico che, come vedremo, è spesso unito in un legame acetale.

• Se il gruppo carbonilico (-C=O) si trova all'estremità della catena, il monosaccaride è un derivato aldeidico ed è chiamato aldoso.
• Se si trova in seconda posizione, il monosaccaride è un derivato chetonico ed è chiamato chetoso.

In base al numero di atomi di carbonio, i monosaccaridi vengono classificati come: triosi (3), tetrosi (4), pentosi (5), esosi (6) ed eptosi (7).

I Polisaccaridi

I polisaccaridi sono sostanze ad alto peso molecolare con due principali funzioni biologiche: riserva energetica o funzione strutturale.

• Amido: È l'omopolisaccaride di riserva energetica delle piante, particolarmente abbondante in semi, tuberi e cereali. È formato dall'unione di monomeri di α-D-glucosio tramite legami glicosidici α(1→4) e α(1→6). Viene sintetizzato durante la fotosintesi e si accumula in forma granulare nei cloroplasti o negli amiloplasti.
• Cellulosa: È l'omopolisaccaride strutturale dei vegetali ed è il componente principale della parete cellulare. Si tratta di un polimero lineare di molecole di β-D-glucosio unite da legami β(1→4).

La Membrana Plasmatica e il Glicocalice

La membrana plasmatica è costituita da lipidi, proteine e oligosaccaridi. Questi ultimi sono legati covalentemente a proteine e lipidi, formando glicoproteine e glicolipidi, situati preferibilmente sul lato extracellulare dove costituiscono il glicocalice nelle cellule animali.

Le funzioni del glicocalice sono molteplici:

• Riconoscimento cellulare.
• Protezione contro l'azione di enzimi proteolitici.
• Regolazione dell'assorbimento cellulare.
• Variazione della permeabilità.
• Adesione cellulare per la formazione dei tessuti.

B2OA: Organelli Cellulari e Sistema Endomembranoso

L'Apparato di Golgi

L'apparato di Golgi è un organello membranoso costituito da sacculi discoidali e appiattiti, delimitati da una membrana unitaria e leggermente dilatati alle estremità, dove emergono le vescicole. Queste sacche sono raggruppate in pile da 5 a 10 unità chiamate dittiosomi, che presentano solitamente una superficie concava e una convessa.

L'apparato di Golgi è strettamente legato al reticolo endoplasmatico, formando il cosiddetto complesso GERL. Si distinguono due facce principali:

• Faccia Cis (esterna o di formazione): La faccia convessa dei sacculi è circondata dalle cisterne del reticolo endoplasmatico. Da qui si staccano le vescicole di transizione cariche di prodotti sintetizzati nel reticolo.
• Faccia Trans (interna o di maturazione): Sul lato concavo, i dittiosomi si frammentano in vescicole secretorie. Queste possono fondersi in granuli di secrezione che rimangono nel citoplasma o vengono espulsi per esocitosi.

I Lisosomi e la Digestione Cellulare

I lisosomi sono organelli delimitati da membrana che contengono enzimi idrolitici capaci di degradare polimeri biologici. La digestione cellulare può essere di due tipi:

1. Digestione Intracellulare

• Eterofagia: Funzione di nutrizione o difesa (es. leucociti che fagocitano batteri) e pulizia (macrofagi).
• Autofagia: Il substrato è un costituente cellulare danneggiato o inutile (organelli, vacuoli).

2. Digestione Extracellulare

I lisosomi riversano il loro contenuto all'esterno della cellula tramite esocitosi.

Il processo inizia con la formazione di un fagosoma. I lisosomi primari (derivati dal Golgi o dal reticolo liscio) si fondono con il fagosoma formando un lisosoma secondario (eterofagosoma). Dopo la digestione, i prodotti attraversano la membrana del lisosoma per essere utilizzati nel citoplasma (ialoplasma) o evacuati.

Il Reticolo Endoplasmatico

La funzione generale del reticolo endoplasmatico (RE) è legata alla sintesi e al trasporto di componenti molecolari. Si divide in:

• Reticolo Endoplasmatico Ruvido (RER): Presenta ribosomi sulla membrana. Si occupa della sintesi proteica e dell'inizio della glicosilazione.
• Reticolo Endoplasmatico Liscio (REL): Coinvolto nella sintesi, conservazione e trasporto di lipidi (fosfolipidi e colesterolo) e nella detossificazione di sostanze nocive.

B3OA: La Struttura della Membrana Plasmatica

Il Modello a Mosaico Fluido

Il modello attualmente accettato è il "modello a mosaico fluido" proposto da Singer e Nicolson nel 1972. Le membrane sono composte da lipidi, proteine e oligosaccaridi organizzati in una configurazione a bassa energia.

I lipidi formano un doppio strato lipidico che funge da barriera impermeabile alle molecole idrosolubili. Le molecole sono orientate con i gruppi polari verso l'ambiente acquoso (esterno ed interno). La fluidità permette alle molecole lipidiche di muoversi lateralmente o ruotare.

Le proteine si dividono in:

• Integrali (intrinseche): Attraversano il doppio strato.
• Periferiche (estrinseche): Associate alla superficie della membrana.

Il colesterolo ha il compito di regolare la fluidità, conferendo rigidità e impedendo l'impacchettamento eccessivo delle catene degli acidi grassi.

B4OA: Il Codice Genetico e la Replicazione del DNA

Caratteristiche del Codice Genetico

Il codice genetico è il "dizionario" con cui il DNA codifica le proteine. Utilizza 64 codoni (triplette di basi) per identificare 20 amminoacidi.

Proprietà principali:

1. Principio di collinearità: Tre nucleotidi codificano un amminoacido.
2. Degenerazione: Più triplette possono codificare lo stesso amminoacido.
3. Non sovrapposizione: Le triplette vengono lette consecutivamente (5'-3').
4. Lettura senza virgole: La sequenza viene letta senza interruzioni da un punto di inizio.
5. Segnali di inizio e fine: Codoni specifici come AUG (inizio) e UAG, UAA, UGA (stop).
6. Universalità: È identico in quasi tutti i tipi di cellule.

Replicazione del DNA

La replicazione semiconservativa è stata proposta da Watson e Crick e dimostrata da Meselson e Stahl nel 1957. Avviene durante la fase S dell'interfase.

Ogni filamento della doppia elica funge da stampo per la sintesi di un nuovo filamento complementare. Il processo è bidirezionale e inizia in punti specifici dove l'enzima elicasi separa i filamenti formando la forcina di replicazione. Le DNA polimerasi sintetizzano il nuovo DNA e possiedono attività esonucleasica per la riparazione degli errori.

I meccanismi di riparazione del DNA si sono evoluti probabilmente per contrastare i danni causati dalle forti radiazioni UVA presenti sulla Terra primordiale prima della formazione dello strato di ozono.