COMPOSIZIONE CHIMICA DEL PROTOPLASMA

Legame chimico e funzione biologica

In natura soltanto i gas inerti si trovano allo stato di atomi liberi. Quasi tutti gli altri, invece, nelle comuni condizioni ambientali si trovano combinati con altri atomi mediante legami chimici per formare le molecole.

I legami chimici sono le forze che tengono uniti gli atomi in una molecola. Per comprendere il comportamento chimico delle sostanze è importante conoscere non solo il tipo e il numero degli atomi di cui sono costituite ma anche la natura del legame chimico che tiene uniti gli atomi.

La cellula (che deve essere considerata una macchina chimica) è chiamata, per sostenere le proprie funzioni vitali, a estrarre energia dai legami chimici presenti nei nutrienti che incorpora. In altri casi (ad esempio nel momento della riproduzione), la cellula deve, momentaneamente, rompere alcuni legami chimici (presenti nelle macromolecole essenziali) per poi ricostruirli al termine del processo. La selezione ha, quindi, operato “plasmando” le molecole biologiche affinché queste ultime presentino il giusto tipo di legame chimico in relazione al tipo di funzione biologica che le molecole stesse sono chiamate a sostenere.

Lo studio dettagliato circa la natura di queste interazioni è compito della chimica. Possiamo suddividere i legami chimici in legami forti e legami deboli in funzione della quantità di energia che la cellula deve impegnare nella loro rottura e/o ripristino.

Gli atomi interagiscono tra loro tramite gli elettroni dello strato più esterno, detti elettroni di legame. Ogni atomo “desidera” completare il numero degli elettroni che costituiscono il guscio esterno. Ciò può avvenire per scambio (cessione/accettazione) o per “messa in comune” di elettroni.

Nel primo caso i due atomi interagenti acquistano carica elettrica, positiva per l’atomo che cede elettroni e negativa per l’atomo accettore. La forza di attrazione tra ioni di carica opposta prende il nome di legame ionico o salino. Questo tipo di legame caratterizza molti composti inorganici (Sali) ed è facilmente distrutto dopo solvatazione del composto in un solvente polare come l’acqua. La dissociazione del composto genera atomi elettricamente carichi, detti ioni (negativi/anioni-positivi/cationi). Nell’ambito delle molecole biologiche propriamente dette, il legame ionico (discretamente forte) ha scarsa rilevanza ma è essenziale nel fornire la forza aggregativa fra gli atomi di quei composti che appartengono alla componente minerale della cellula e dei fluidi biologici in generale (elettroliti).

Due atomi con scarsa propensione a cedere elettroni possono decidere di completare i gusci elettronici esterni mettendo in compartecipazione una o più coppie di elettroni fondendo le rispettive nubi elettroniche. Ciò porta alla creazione di una forza attrattiva di grande intensità, conosciuta come legame covalente. Nelle lunghe catene carboniose che caratterizzano molti composti organici, i diversi atomi di carbonio interagiscono tramite legami covalenti.

L’importanza biologica del legame covalente non risiede solamente nel suo elevato contenuto energetico e nella sua diffusione in ambito organico ma, principalmente, nel fatto che, in rapporto alle caratteristiche degli atomi interagenti, la nube elettronica comune può essere equamente suddivisa tra gli atomi oppure “stazionare” preferenzialmente in prossimità di uno dei due (asimmetria della nube elettronica). Si assiste così alla comparsa di nubi elettroniche di segno opposto. Sull’atomo capace di attrarre la nube elettronica staziona una carica negativa mentre sull’altro, dove la nube elettronica risulta “rarefatta”, compare una carica positiva. Questo fenomeno (polarizzazione) è della massima importanza in campo biologico: oltre ad essere la causa principale di attrazioni intermolecolari (acqua) è decisivo per l’insorgenza di attrazioni intramolecolari (es. legami a idrogeno) che caratterizzano le principali molecole biologiche (proteine e acidi nucleici). La polarizzazione favorisce la completa o parziale compatibilità della molecola con il mezzo acquoso (idrofilia). Polarità e idrofilia sono, quindi, un binomio inscindibile.

E’ utile ricordare che molecole (o parti di esse) elettricamente neutre possono interagire fra loro tramite legami deboli, iterazioni idrofobiche. Queste sono simili alle forze di Van der Waals. Come queste ultime le iterazioni idrofobiche dipendono dalla distanza delle molecole (o parti di esse) interagenti e svaniscono rapidamente all’aumentare della distanza stessa. Tali interazioni sono fondamentali nella formazione delle membrane biologiche.

Legami deboli, come quelli a idrogeno e le interazioni idrofobiche, considerati singolarmente sono caratterizzati da un contenuto energetico modesto e sono facilmente soggetti a rottura. E’ la concomitante formazione di un gran numero di legami deboli a rendere l’attrazione fra due molecole biologiche discretamente elevata, come accade fra le code idrofobiche dei fosfolipidi nell’ambito del film lipidico delle membrane biologiche.

La pressione selettiva ha plasmato, nel tempo, la struttura delle molecole biologiche in modo da renderle adatte a una determinata funzione. In queste molecole, quindi, la distribuzione di legami forti e deboli non è casuale, ma risponde a una specifica esigenza.

Nel DNA, per esempio, le due catene polinucleotidiche si affrontano tramite legami deboli (legami a idrogeno) mentre i nucleotidi, nell’ambito di ogni singola catena, sono legati tra loro tramite legami forti (covalenti); le due catene polinucleotidiche si separano sia durante la trascrizione sia al momento della replicazione e, quindi, i legami intercatena devono essere distrutti: la presenza dei legami deboli limita l’impegno energetico cellulare durante lo svolgimento di tali processi. Il DNA è, inoltre, il depositario dell’informazione biologica. Il significato di tale informazione è dato dalla sequenza dei nucleotidi. La rottura della catena polinucleotidica porterebbe a un rimaneggiamento di tale sequenza e dunque a cambiamento e/o perdita dell’informazione genetica. La presenza di legami forti assicura la protezione dei legami intercatena fra i nucleotidi.

Analogamente, un trigliceride non può mai essere utilizzato come membro del film lipidico che caratterizza le membrane cellulari. L’assenza di zone polari rende il trigliceride inadatto a qualsiasi interazione sia con la parte proteica delle membrane sia con il mezzo acquoso. I trigliceridi, al contrario, grazie alla loro impossibilità a miscelarsi con il mezzo acquoso sono utilizzati dalla cellula come grassi di riserva sotto forma di gocce lipidiche.

COMPOSIZIONE CHIMICA DEL PROTOPLASMA

Generalità

Soltanto una quarantina di elementi chimici, tra gli oltre cento conosciuti, entra a far parte della materia vivente. Gli elementi più importanti da un punto di vista ponderale sono il carbonio (C), l’ossigeno (O), l’idrogeno (H), e l’azoto (N); seguono lo zolfo (S) e il fosforo (P). Il carbonio, l’ossigeno, l’idrogeno e l’azoto costituiscono oltre il 97 % della materia vivente.

 

Un certo numero di elementi si trova sotto forma di sali inorganici presenti per la maggior parte nel protoplasma sotto forma dissociata di ioni idrati; tra i più importanti per le varie funzioni della cellula annoveriamo cationi K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ed anioni Cl^-, HCO₃^-, H₂PO₄^-, SO₄^—

 

Gli oligoelementi sono presenti in piccolissime dosi, tuttavia, fondamentali per alcune funzioni cellulari; si tratta per lo più di metalli che svolgono funzioni catalitiche per le attività enzimatiche (Mn, Fe, Co, Cu, Mo, I, Br, V, Al, Se).

 

Infine, si possono rinvenire nel protoplasma elementi privi di specifiche funzioni che vi sono penetrati accidentalmente o che hanno sostituito elementi con proprietà chimiche affini.

 

Gli elementi chimici del protoplasma possono essere classificati in composti inorganici (acqua, sali minerali) e composti organici (glucidi, lipidi, protidi, acidi nucleici e precursori e metaboliti di questi).

 

L’analisi chimica del protoplasma rivela un’altissima percentuale di acqua e presenza di composti organici e inorganici; in particolare il protoplasma delle cellule animali e vegetali è costituito da 75-85 % acqua, 10-20 % proteine, 2-3 % lipidi, 1-1,5 % acidi nucleici, 1 % glucidi, 1% sali minerali.

ATOMI E MOLECOLE

La materia è composta da atomi, le più piccole unità degli elementi chimici. Il nucleo di un atomo contiene protoni carichi positivamente e (con l’eccezione dell’idrogeno, ¹H) neutroni, che non hanno carica. Il numero di protoni definisce il numero atomico di un atomo. Il peso atomico (la massa atomica) dipende dal numero di protoni e di neutroni presenti nel nucleo. Il modo in cui un atomo reagirà con altri atomi è determinato dai suoi elettroni, piccole particelle cariche negativamente che si trovano esternamente al nucleo. Il numero di elettroni in un atomo è uguale al numero di protoni.

 

I nuclei di differenti isotopi dello stesso elemento chimico contengono lo stesso numero di protoni, ma un diverso numero di neutroni. Perciò gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero atomico, ma differente peso atomico.

 

Gli elettroni di un atomo hanno differenti quantità di energia. Gli elettroni più vicini al nucleo hanno meno energia di quelli più lontani dal nucleo e si trovano, quindi, a un livello di energia più basso. Un elettrone tende a occupare il più basso livello di energia disponibile, ma, con apporto di energia, può essere spinto a un livello di energia più alto. Quando l’elettrone torna nuovamente a un livello energetico più basso, l’energia viene liberata.

 

Il comportamento chimico di un atomo è determinato dal numero e dalla distribuzione dei suoi elettroni ai vari livelli: ha la massima stabilità quando tutti i suoi elettroni occupano i livelli energetici più bassi  e quando questi livelli sono completamente occupati da elettroni. Le reazioni chimiche tra atomi sono il risultato della tendenza degli atomi a raggiungere la configurazione elettronica più stabile possibile.

 

Le particelle, formate da due o più atomi, sono dette molecole e sono tenute insieme da legami chimici: i due principali tipi di legami sono il legame ionico e covalente. Gli atomi carichi che si formano quando un elettrone salta da un atomo a un altro sono detti ioni; i legami ionici si basano sull’attrazione reciproca di particelle di carica opposta. Nei legami covalenti coppie di elettroni sono condivise da atomi; nei legami covalenti semplici viene condivisa una coppia di elettroni, in quelli doppi vengono condivise due coppie di elettroni. In alcuni legami covalenti, detti legami covalenti polari, le coppie di elettroni non sono ugualmente condivise conferendo alla molecola regioni di carica positiva e regioni di carica negativa.

 

Le reazioni chimiche, che sono scambi di elettroni fra atomi, possono essere rappresentate da equazioni chimiche. Le sostanze costituite da atomi di due o più elementi in proporzioni costanti e definite sono dette composti chimici.

STABAT MATER - TIZIANO SCARPA

Di giorno Cecilia suona il violino nell'orchestra dell'orfanotrofio, anonima creatura invisibile dietro le grate metalliche della chiesa. Di notte scrive lettere alla madre che non ha mai conosciuto.
Ma un vento primaverile potrebbe scompaginare la sua vita, e i polverosi spartiti delle giovani musiciste: è arrivato un nuovo insegnante di violino e maestro compositore. Ha i capelli colore del rame, il suo nome è Antonio Vivaldi.

LAUREA MAGISTRALE IN DIAGNOSTICA MOLECOLARE

TESI SPERIMENTALE

IN CHIMICA

STUDIO DELLA VEICOLAZIONE DI CHEMIOTERAPICI MEDIANTE LIPOSOMI IN CELLULE SOVRAESPRIMENTI IL RECETTORE DELLA COLECISTOCHININA

Sommario

I tumori costituiscono attualmente, dopo gli infarti cardiaci, la seconda causa di morte nei paesi industrializzati ed un milione di nuovi casi si riscontrano ogni anno.

Le norme terapeutiche dei tumori solidi nell’adulto vanno dalla chirurgia e radioterapia per il trattamento dei tumori primari localizzati, alla chemioterapia, immunoterapia e ormonoterapia per il trattamento delle forme metastatiche. In particolare la chemioterapia, che prevede l’utilizzo di farmaci citotossici, ha rappresentato per molti anni la principale metodologia terapeutica nelle neoplasie in fase avanzata; tuttavia, gli effetti tossici dei chemioterapici spesso si sovrappongono agli effetti terapeutici ed è stato dimostrato che l’efficacia della chemioterapia è solo parziale e transitoria,  a causa, essenzialmente, della instabilità delle cellule tumorali, della loro eterogeneità, del loro elevato indice mutazionale e della resistenza farmacologica acquisita, ciò ha portato negli ultimi dieci anni allo sviluppo di nuove strategie terapeutiche antitumorali.

Gli aggregati supramolecolari di dimensioni nanometriche, quali i liposomi, hanno richiamato grande interesse per le loro potenziali applicazioni quali carriers di farmaci, in modo particolare nella terapia del cancro. Le formule liposomiali, in circolo, proteggono il farmaco contenuto nella nanoparticella dalla degradazione enzimatica, dal legame con proteine e generalmente nè riducono l’incorporazione nei tessuti sani. Ci sono vari farmaci liposomiali in sviluppo e due  di essi, Myocet^® e Doxil^®/Caelix^®, [Torchilin et al, 2005] che hanno raggiunto il mercato sono utilizzati per il trattamento delle recidive del cancro ovarico.  Lo sviluppo di nanovettori capaci di distribuire selettivamente alle cellule tumorali una dose constante del chemioterapico, per un esteso periodo di tempo, può risultare un’opzione alternativa o complementare di terapia dei primi stadi di sviluppo del cancro ed ha avviato una nuova ed importante sfida per la cura di questa malattia.

Il targeting selettivo a recettori di membrana sovrarespressi in alcune forme tumorali mediato da siti peptidici esposti sulla superficie di aggregati nanometrici con struttura liposomale rappresenta un ambito di ricerca di grande interesse nella prospettiva di veicolare il farmaco citotossico, caricato nei nanovettori, alle cellule tumorali, ottimizzando l’efficacia terapeutica, riducendo l’effetto dannoso per i tessuti sani e limitando l’avvio di segnali che promuovono la crescita tumorale.

Le ricerche conseguite a tal fine hanno permesso di acquisire una migliore conoscenza di alcuni meccanismi molecolari coinvolti nella crescita tumorale. Numerose evidenze sperimentali  supportano l’idea che gli ormoni Gastrina e Colecistochinina (CCK) agiscano come fattori di crescita, mediante i propri recettori, promuovendo lo sviluppo e la progressione di alcuni tumori. I recettori CCK/gastrina sono stati rilevati sovraerespressi in diversi tumori umani quali, il carcinoma midollare della tiroide, il cancro polmonare delle piccole cellule, tumori ovarici stromali e potenzialmente in una varietà di altri tumori, compresi gli adenocarcinoma gastrointestinali, i tumori neuroendocrini ed il glioma maligno aprendo, così, nuove prospettive alle loro applicazioni in campo diagnostico e terapeutico [Dufresne et a,.  2006].

L’obiettivo del lavoro di tesi è stato lo studio della veicolazione specifica, su cellule tumorali di liposomi funzionalizzati con la sequenza C-terminale dell’ormone colecistochinina (CCK-8),  contenenti il farmaco doxorubicina. La strategia adottata per la formulazione degli aggregati liposomiali è basata sulla coaggregazione, in un rapporto molare di 90:10, di due monomeri anfifilici: uno contenente un motivo idrofobico ed un agente chelante; il secondo contente lo stesso motivo idrofobico ed il peptide CCK-8.

Le proprietà dei farmaci liposomiali in vitro, sono state studiate utilizzando come modello sperimentale colture  di cellule epiteliali tumorali umane A431 e cellule endoteliali Huvec. Il livello di espressione dei R-CCK₂ su entrambe le linee cellulari  e la veicolazione specifica del farmaco liposomiale è stato determinato con tecniche citofluorimetriche;  l’effetto citotossico della doxorubicina liposomiale sulle A431 è stato verificato con il saggio MTT.



LA VITA di Madre Teresa di Calcutta

La vita è un'opportunità, coglila.
La vita è bellezza, ammirala.
La vita è beatitudine, assaporala.
La vita è un sogno, fanne una realtà.
La vita è una sfida, affrontala.
La vita è un dovere, compilo.
La vita è un gioco, giocalo.
La vita è preziosa, abbine cura.
La vita è ricchezza, conservala.
La vita è amore, godine.
La vita è un mistero, scoprilo.
La vita è promessa, adempila.
La vita è tristezza, superala.
La vita è un inno, cantalo.
La vita è una lotta, accettala.
La vita è un'avventura, rischiala.
La vita è felicità, meritala.
La vita è la vita, difendila.

2 MARZO 2011

Caro blog,
ancora una si allontanata da me la realizzazione del mio sogno; mi sento triste e stanca, ho lavorato tanto negli ultimi due anni per concludere gli studi nel migliore dei modi ed invece…ho perso ( per il momento ) la possibilità di laurearmi entro l’anno accademico e di portare avanti un progetto di ricerca.
Lo so, dovrei dire: “non importa, l’importante è stare bene in salute”. E’ vero ciò ma mentirei a me stessa se lo ora dicessi!
La vita mi ha di nuovo sfidata e questa volta è quasi riuscita a sconfiggermi: mi ha fatto rivivere gli attimi e tutto il dolore di quei giorni passati in cui la morte è giunta all’improvviso strappandomi il respiro; ho avuto tremendamente paura di ciò che sarebbe avvenuto se avessi perso tutto in un istante, perché ora so cosa accade quando le persone che ami se ne vanno…