Biochimica

Introduzione

La biochimica descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi e i processi chimici condivisi dai vari organismi, producendo una serie di principi organizzativi validi per tutte le forme di vita, principi che nel loro insieme vanno sotto il nome di logica molecolare della vita. Lo scopo principale della biochimica è quello di comprendere le leggi della vita.

La maggior parte dei costituenti molecolari dei sistemi viventi è composta da atomi di carbonio legati covalentemente ad altri atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno o azoto. Le particolari proprietà di legame del carbonio consentono la formazione di una grande varietà di molecole. I composti organici con una massa molecolare relativa (Mr) inferiore a circa 500, come gli amminoacidi, i nucleotidi e i monosaccaridi, servono come subunità monomeriche delle macromolecole: proteine, acidi nucleici e polisaccaridi. Una singola molecola proteica può contenere anche più di 1000 amminoacidi, mentre un acido deossiribonucleico è composto da milioni di nucleotidi. Queste subunità monomeriche possono venire legate covalentemente tra loro in una varietà praticamente illimitata di sequenze.

Gli acidi deossiribonucleici (DNA) sono costituiti da solo quattro diversi tipi di subunità, i deossiribonucleotidi; analogamente gli acidi ribonucleici (RNA) sono composti da quattro tipi di ribonucleotidi.

Principi della logica molecolare della vita

• Tutti gli organismi hanno gli stessi tipi di subunità monomeriche
• Le strutture delle macromolecole determinano la loro funzione biologica
• Ogni genere e ogni specie sono definiti da un caratteristico gruppo di macromolecole

L’energia è il tema centrale della biochimica: le cellule e gli organismi hanno bisogno di un continuo apporto di energia per contrastare l’inesorabile tendenza di un sistema a decadere a stati energetici sempre più bassi e disordinati. La conservazione è l’espressione dell’informazione, le reazioni di sintesi che accadono all’interno delle cellule richiedono supplementi energetici.

Le molecole vengono sintetizzate e poi demolite continuamente da reazioni chimiche che determinano un flusso costante di materiali e di energia attraverso il sistema; tutto ciò riflette uno stato stazionario dinamico.

La biochimica prende in esame anche i processi attraverso i quali l’energia viene estratta, incanalata e consumata. I principi fondamentali alla base delle trasformazioni e degli scambi di energia che avvengono negli organismi viventi costituiscono la bioenergetica.

Sistemi e scambi energetici

Un sistema è l’insieme di tutti i reagenti, i prodotti, il solvente e l’atmosfera vicina, cioè tutto ciò che sta in una certa regione dello spazio. Il sistema e il suo ambiente circostante costituiscono l’universo. Se il sistema non scambia né energia né materia con il suo ambiente, viene detto isolato (o chiuso), mentre se scambia energia e materia viene detto aperto. Un organismo vivente è un sistema aperto e può scambiare energia e materia con il suo ambiente circostante. Tutti gli organismi viventi usano due strategie per poter ottenere energia:

• Assumono combustibili chimici dall’ambiente e ossidandoli ne estraggono l’energia
• Assorbono energia sotto forma di luce solare

La prima legge della termodinamica descrive il principio della conservazione dell’energia: “In ogni modificazione fisica o chimica, la quantità totale di energia nell’universo rimane costante, anche se la forma dell’energia può cambiare.” Tutte le parti di un organismo vivente devono operare alla stessa temperatura e alla stessa pressione, e quindi il flusso di calore non può essere una fonte di energia. Le cellule sono motori chimici che operano a temperatura costante.

Praticamente tutte le trasformazioni energetiche che avvengono nelle cellule utilizzano un flusso di elettroni che va da una molecola all’altra; questo flusso è sostanzialmente analogo a quello che si ha in un circuito elettrico alimentato da una batteria. Tutte le reazioni in cui si ha un flusso di elettroni sono reazioni di ossido-riduzione. In queste reazioni uno dei reagenti viene ossidato (perde elettroni) mentre un altro diventa ridotto (acquista gli elettroni liberati dall’altro).

Il punto centrale della bioenergetica è il modo in cui l’energia liberata dalla combustione delle sostanze nutrienti o acquistata dalla cattura della luce solare viene accoppiata alle reazioni che richiedono energia. Le reazioni chimiche possono essere accoppiate in modo che una reazione che rilascia energia favorisca un’altra reazione che invece la richiede. Le reazioni chimiche nei sistemi chiusi procedono spontaneamente fino a che non raggiungono l’equilibrio. Quando un sistema è all’equilibrio, la velocità di formazione dei prodotti diventa uguale a quella con cui i prodotti stessi si trasformano nei reagenti. Non vi è quindi una variazione netta di concentrazione dei reagenti e dei prodotti e si è raggiunto uno stato stazionario. La variazione di energia che si ha quando il sistema passa dallo stato iniziale a quello di equilibrio, in condizioni di pressione e temperatura costanti, viene chiamata variazione di energia libera ∆G. Il valore di ∆G dipende dalla natura della reazione chimica e da quanto lontani sono lo stato iniziale e la posizione di equilibrio.

Reazioni esoergoniche ed endoergoniche

Nelle reazioni che avvengono spontaneamente, i prodotti possiedono meno energia libera rispetto ai reagenti, e quindi la reazione rilascia energia libera, che diventa disponibile per produrre un lavoro. Reazioni di questo tipo sono dette esoergoniche; la diminuzione di energia libera che si ha quando i reagenti sono convertiti in prodotti viene espressa con valori negativi. Le reazioni endoergoniche richiedono invece un rifornimento di energia libera e la loro variazione di energia libera viene indicata con valori positivi.

L’accoppiamento delle reazioni esoergoniche con quelle endoergoniche è uno degli aspetti essenziali negli scambi energetici delle cellule. Il meccanismo alla base di questi accoppiamenti energetici nelle reazioni biologiche agisce sempre attraverso un intermedio condiviso.

Enzimi e metabolismo

Ogni reazione chimica avviene nella cellula a una velocità misurabile solo per la presenza degli enzimi, biocatalizzatori in grado di aumentare enormemente la velocità di specifiche reazioni chimiche, senza venire consumati durante il processo. Gli enzimi agiscono abbassando la barriera energetica tra il reagente e il prodotto, e accelerano la reazione utilizzando gli effetti del legame enzima-substrato. Due o più reagenti si legano alla superficie dell’enzima vicini l’uno all’altro e con orientamenti stereospecifici che favoriscono la reazione.

A parte poche reazioni, i catalizzatori metabolici sono proteine. Una proteina enzimatica è specifica per la catalisi di una certa reazione, e ogni reazione all’interno di una cellula è catalizzata da un diverso enzima. Per ogni cellula quindi sono necessari migliaia di enzimi differenti. Il gran numero di reazioni chimiche catalizzate da enzimi operanti nella cellula sono organizzate in un certo numero di sequenze di reazioni consecutive, chiamate vie metaboliche, in cui il prodotto di una reazione diventa il reagente della successiva.

Alcune di queste sequenze di reazioni catalizzate da enzimi degradano le sostanze nutrienti organiche in prodotti finali semplici per estrarre la loro energia chimica e convertirla in una forma più utile alla cellula. L’insieme di queste reazioni degradative e capaci di rilasciare energia va sotto il nome di catabolismo. Altre vie metaboliche catalizzate da enzimi partono da piccole molecole di precursori che convertono progressivamente in molecole sempre più complesse. Queste vie biosintetiche hanno bisogno di un rifornimento continuo di energie e nel loro insieme rappresentano l’anabolismo. L’intreccio delle varie vie catalizzate da enzimi costituisce il metabolismo cellulare. L’ATP è la principale molecola di congiunzione tra i componenti catabolici e anabolici di questo intreccio di reazioni. L’ATP è il trasportatore universale dell’energia metabolica e collega il catabolismo con l’anabolismo.

Gli enzimi chiave di ogni via metabolica sono regolati in modo tale da far sì che ogni molecola di precursore venga sintetizzata nella quantità immediatamente necessaria alla cellula poiché un suo accumulo provoca l’inibizione dell’attività enzimatica. Questo tipo di feedback negativo serve a bilanciare correttamente la produzione e l’utilizzazione di ogni intermedio metabolico.

Le cellule regolano anche la sintesi dei catalizzatori, gli enzimi. Queste proprietà autoregolatrici consentono alla cellula di mantenere se stessa in uno stato stazionario dinamico, anche se nell’ambiente esterno si hanno fluttuazioni considerevoli. Le cellule sono motori chimici autoregolati che operano in base al principio della massima economia.

Riproduzione e informazione genetica

Forse la più rilevante delle proprietà di una cellula e di un organismo è la capacità di riprodurre se stessi all’infinito e con una fedeltà pressoché assoluta. Questa continuità delle caratteristiche ereditarie implica una costanza per migliaia o milioni di anni della struttura delle molecole che contengono l’informazione genetica. L’informazione ereditaria è contenuta nel DNA, un polimero organico di forma allungata e sottile così fragile da essere frammentato dalle forze di torsione generate in una soluzione da un vigoroso rimescolamento.

L’unità di base del DNA è un polimero lineare costituito da quattro diverse subunità monomeriche, i deossiribonucleotidi, organizzati in precise sequenze lineari. È questa sequenza lineare che contiene codificata in sé l’informazione genetica: due di queste catene polimeriche si arrotolano l’una sull’altra e formano la doppia elica del DNA, in cui ogni subunità monomerica di una catena si appaia specificamente con la subunità complementare sulla catena opposta.

Accade in rari casi che errori non corretti nel corso del processo replicativo producano una modificazione della sequenza nucleotidica del DNA, generando una mutazione genetica. Molte mutazioni sono dannose o anche letali per l’organismo, altre invece lo rendono più adatto alla sopravvivenza nel proprio ambiente.

Disponendo della sequenza del DNA di diversi organismi si potranno chiarire i processi evolutivi mediante un confronto dettagliato.