Biochimica: gruppi sanguigni, fosfolipidi, terpeni, steroidi e PCR

Gruppi sanguigni e glicolipidi

Parlando dei glicolipidi che caratterizzano i gruppi sanguigni, è importante sottolineare che la componente glucidica conferisce le proprietà antigeniche. L'antigene di superficie è un oligosaccaride legato a una ceramide. Anche in questo caso, la parte glucidica ha un ruolo fondamentale nello stimolare la risposta immunitaria.

Quando le piastrine si attivano dopo il contatto con il collagene tissutale, rilasciano diverse sostanze: il fattore di von Willebrand (fvW), serotonina, adrenalina, vasopressina, trombossano A2 (TxA2), fattori di crescita, ADP, fattore XIII e fattore V.

Fosfolipasi e acido arachidonico

Nel caso della fosfolipasi A2 (PLA2), essa agisce sui fosfolipidi presenti sul lato citosolico della membrana, liberando acido arachidonico. La fosfolipasi C, invece, scinde i fosfolipidi del foglietto interno della membrana, rilasciando inositolo trifosfato e diacilglicerolo (DAG). Il DAG attiva una chinasi dipendente dal calcio.

Queste fosfolipasi sono enzimi che agiscono sui fosfolipidi di membrana e rilasciano sostanze bioattive molto importanti, ad esempio per la coagulazione del sangue, la risposta infiammatoria o la segnalazione che induce il rilascio di calcio intracellulare.

Degradazione dei fosfolipidi

Le fosfolipasi sono enzimi che degradano i fosfolipidi e partecipano ai processi di trasduzione del segnale. Ogni fosfolipasi riconosce e rompe un legame diverso all'interno del fosfolipide.

La fosfolipasi A2 prende questo nome perché rimuove l'acido grasso che si trova in posizione 2 del fosfolipide. Le fosfolipasi C e D, invece, agiscono sulla testa polare. La fosfolipasi C stacca l'intera testa polare, compreso il gruppo fosfato. La fosfolipasi D lascia il gruppo fosfato attaccato al fosfolipide e separa solo il resto della testa polare.

Le PLA2 costituiscono una grande famiglia di enzimi lipolitici. In questa famiglia si distinguono tre classi:

• le forme secretorie (sPLA2), presenti nel pancreas, nel liquido sinoviale e nel veleno dei serpenti;
• le forme citosoliche (cPLA2), che rilasciano acido arachidonico.

L'acido arachidonico deriva dai lipidi di membrana.

La fosfolipasi C agisce sul PIP2, rompendo il legame tra il fosfato e il carbonio 3 del glicerolo. In questo modo si liberano IP3 e DAG. Il DAG resta nella membrana e, muovendosi su di essa, attiva la proteina chinasi C.

Terpeni

I terpeni sono polimeri formati da unità isopreniche e sono altamente idrofobici. L'isoprene è un composto organico con 5 atomi di carbonio e due doppi legami.

Tra i terpeni troviamo:

1. Vitamine A, E e K
2. Coenzima Q
3. Squalene, dal quale deriva il colesterolo

Steroidi anfipatici

Gli steroidi hanno una parte idrofobica costituita da 4 anelli condensati.

Il colesterolo contiene 27 atomi di carbonio. La sua testa polare è formata da un gruppo polare, mentre il resto della molecola è idrofobico.

L'insieme dei 4 anelli prende il nome di ciclopentano periidrofenantrene. Il colesterolo è un componente molto importante delle membrane cellulari.

I carboni 5, 8, 9, 10, 13 e 14, che si trovano nei punti di unione dei 4 anelli, sono asimmetrici. Per questo motivo, sono possibili 26 diversi stereoisomeri.

Derivati del colesterolo

Gli esteri del colesterolo, che sono insolubili:

• si trovano nelle LDL e HDL, con cui vengono trasportati;
• sono i principali componenti delle placche ateromatose che ostruiscono i vasi sanguigni. Questa ostruzione crea turbolenze interne che, attivando il fattore di von Willebrand, possono innescare la coagulazione e provocare un evento trombotico.

Altri derivati del colesterolo sono:

• i sali biliari (come il colico e il taurocolico), che sono potenti tensioattivi utilizzati per emulsionare i grassi alimentari e favorirne la digestione;
• gli ormoni steroidei: androgeni, estrogeni, mineralcorticoidi e glucocorticoidi;
• la vitamina D;
• gli ormoni sessuali e quelli prodotti dalla corteccia surrenale, che hanno un ruolo importante nell'espressione genica;
• i farmaci steroidei prednisolone e prednisone, che hanno una forte attività antinfiammatoria.

Membrane biologiche e trasporto

Come visto, esistono diversi tipi di lipidi di membrana: alcuni derivano dagli sfingolipidi, altri dai glicerolipidi, e tutti hanno una coda apolare.

Se questi lipidi vengono messi in un contenitore con acqua sul fondo e uno strato di olio sopra, si dispongono con la testa polare verso l'acqua e le code idrofobiche verso l'olio. Nella membrana cellulare avviene una disposizione simile: le code apolari si orientano verso l'interno della membrana, stabilendo contatti tra loro, mentre il colesterolo si inserisce in entrambi i foglietti del doppio strato.

L'ordine che si crea all'interno della membrana provoca un disordine nelle molecole d'acqua che vengono liberate.

Anche se le membrane hanno teste polari, sono altamente selettive nel permettere il passaggio delle molecole. La distribuzione dei lipidi nella membrana non è casuale: la composizione lipidica e proteica varia in base alla posizione e alla funzione della membrana.C'è anche una differenza tra i due strati del doppio strato fosfolipidico. Per esempio, il fosfatidil inositolo si trova nello strato interno, perché è coinvolto nella segnalazione intracellulare.

Quando una molecola fosfolipidica deve passare da un lato all'altro della membrana (flip-flop), impiega un tempo circa 1 miliardo di volte più lungo (ore) rispetto alla diffusione laterale (1 mm/s). Questo fa sì che l'asimmetria della membrana si mantenga per lunghi periodi. In genere, il flip-flop è facilitato da enzimi chiamati flippasi.

Negli animali, il colesterolo è il principale regolatore della fluidità della membrana. Anche le proteine possono diffondere lateralmente all'interno del piano della membrana, a meno che non siano bloccate da interazioni specifiche.

I raft sono strutture biologiche coinvolte nella biosegnalazione. Le proteine che si trovano nei raft sono ancorate alla membrana grazie ai lipidi, come gli acidi grassi o le unità isopreniche. Un lipide è legato alla proteina tramite un legame estere, consentendo alla proteina di ancorarsi alla membrana.

Proteine di membrana

Esistono proteine integrali e proteine periferiche:

• Le proteine integrali (a, b, c) attraversano completamente il doppio strato lipidico. Alcune lo attraversano una sola volta, altre più volte, grazie a regioni di connessione (loop) tra le eliche.
• Le proteine periferiche, invece, sono ancorate alla membrana tramite un'a-elica oppure attraverso specifici lipidi.

Perché una proteina possa localizzarsi nella membrana, le sue strutture secondarie (sia a-eliche sia filamenti ß) devono essere almeno in parte anfipatiche.

Il doppio strato lipidico delle membrane biologiche è intrinsecamente impermeabile agli ioni e alle molecole polari. Per questo motivo, il trasporto attraverso la membrana avviene grazie a proteine, che possono trasportare le sostanze sia secondo gradiente sia contro gradiente.

Funzioni delle proteine di membrana

1. Trasporto: La funzione principale è il trasporto. Il trasportatore è una proteina integrale che attraversa il doppio strato fosfolipidico.
2. Enzimi: Alcune proteine di membrana agiscono come enzimi. Vengono attivate dall'interazione con lipidi, messaggeri o recettori e svolgono la loro attività all'interno della cellula.
3. Recettori di membrana: Sono proteine che riconoscono un segnale extracellulare e avviano una risposta cellulare.
4. Marcatore di identità cellulare: Partecipano al riconoscimento tra cellule. La componente carboidratica, portata da un lipide o dalla proteina stessa, è importante in questo processo.
5. Adesione cellula-cellula: L'adesione tra cellule è mediata da proteine di membrana.
6. Interazione con il citoscheletro: Le proteine di membrana servono da punti di aggancio e ancoraggio per le proteine del citoscheletro.

Permeabilità di membrana e trasporto

La permeabilità della membrana è dovuta a due classi di proteine:

• Pompe che effettuano trasporto attivo, cioè contro gradiente di concentrazione.
• Canali che realizzano trasporto passivo o diffusione facilitata, cioè secondo gradiente.

Il trasporto può avvenire in tre modi:

• Uniporto: trasporto di una singola molecola.
• Simporto: cotrasporto di due molecole nella stessa direzione.
• Antiporto: cotrasporto di due molecole in direzioni opposte.

Il trasporto attivo è mediato da pompe che usano ATP per spostare sostanze contro il gradiente chimico. Le pompe si distinguono in base alla loro localizzazione:

• Pompe di tipo P (plasmatiche), formate da complessi di 4 subunità che costituiscono i canali, ad esempio la pompa sodio/potassio.
• Pompe di tipo V (vacuolari).
• Pompe di tipo F (dei fattori di accoppiamento), che accoppiano il trasporto di protoni alla produzione di ATP.

La pompa sodio/potassio

La cellula mantiene una distribuzione diversa di alcuni ioni tra i compartimenti. In particolare, il sodio (Na+) e il potassio (K+) hanno concentrazioni differenti tra citosol e ambiente esterno. La pompa sodio/potassio mantiene il potenziale di membrana, cioè la differenza di carica tra interno ed esterno della cellula.

A ogni 3 ioni sodio espulsi corrisponde l'ingresso di 2 ioni potassio, rendendo l'interno più negativo.

Il funzionamento prevede:

• Cattura degli ioni sodio nei siti interni ad alta affinità.
• Legame di ATP, che induce un cambiamento di conformazione e l'apertura verso l'esterno, rilasciando il sodio.
• Creazione dei siti di legame per il potassio.
• Defosforilazione della proteina, che ripristina la conformazione iniziale.

Canali e diffusione facilitata

I canali permettono a ioni e piccole molecole di muoversi rapidamente lungo il gradiente di concentrazione, cioè da una regione più concentrata a una meno concentrata.

La diffusione facilitata si distingue perché segue una cinetica di saturazione: il trasportatore ha una velocità massima di trasporto, come un enzima. Al contrario, nella diffusione passiva la velocità di trasporto aumenta proporzionalmente alla concentrazione del substrato.

Ad esempio, il trasporto del glucosio nei globuli rossi avviene solo tramite diffusione facilitata.

I trasportatori di membrana: i Glut

I Glut sono proteine integrali di membrana che hanno 12 a-eliche transmembrana.

Per attraversare completamente il doppio strato fosfolipidico, un'elica deve contenere almeno 21 amminoacidi (circa 5-6 giri di elica).

Le a-eliche possono essere anfipatiche, cioè con un lato idrofobico e uno idrofilico. Ciò permette alla proteina di interagire sia con i lipidi sia di formare un canale per il passaggio di sostanze polari.

In sintesi, i Glut realizzano trasporto tramite diffusione facilitata.

Principali tipi di Glut:

1. Glut1: cattura glucosio con alta affinità, sempre secondo gradiente.
2. Glut2: facilita l'uscita di glucosio da fegato e intestino (Kt interno = 66 mM).
3. Glut4: favorisce l'ingresso di glucosio nel muscolo cardiaco e nel tessuto adiposo (Kt esterno = 20 mM).

I canali ionici

• Permettono la diffusione libera degli ioni secondo il loro gradiente di concentrazione.
• Sono proteine che si attivano in base all'ambiente circostante. L'attivazione può avvenire in seguito a:
  • variazioni chimiche (per esempio, quando si legano a un ligando);
  • variazioni fisiche (quando cambia il voltaggio).
• Sono estremamente selettivi per specifici ioni.
• Esistono in due stati: chiuso e aperto.
• Non rimangono sempre aperti, ma passano spontaneamente dallo stato aperto a quello chiuso (sono temporizzati).

Un esempio è il recettore dell'acetilcolina, che funge anche da canale per il sodio. L'acetilcolina è un neurotrasmettitore che permette la trasmissione dell'impulso nervoso da un neurone motorio a una fibra muscolare, grazie a specifici recettori colinergici presenti sulle membrane dei miociti.