Biochimica e Biologia molecolare

Introduzione alla biochimica e biologia molecolare

La biochimica è la chimica della vita. I biochimici usano principi fisici e chimici per spiegare la biologia a livello molecolare. I principi base della biochimica sono comuni a tutti gli organismi viventi. L'impatto della biochimica è enorme in ambito biomedico, dell'agricoltura, delle applicazioni industriali e delle applicazioni ambientali.

Aree principali di studio

Le aree principali che affronteremo sono la struttura e la funzione delle macromolecole biologiche, il metabolismo (quindi i processi anabolici e catabolici) e alcuni aspetti della biologia molecolare, cioè come la vita è replicata; un esempio è dato dalla regolazione dell'espressione genica.

Le dimensioni di ciò che andremo a studiare sono molto piccole, da 1 a 10 nm. Ancora più in basso, grazie alla chimica, avviene lo studio delle più piccole molecole, gli atomi, che arrivano a 0,1 nm; la biologia invece studia la struttura e l'organizzazione della cellula, quindi le dimensioni sono maggiori.

Elementi essenziali per la vita

Alcuni degli elementi della vita sono essenziali per gli organismi viventi: C, N, O, P, S, H; questi sono molto abbondanti. Altri invece sono meno abbondanti ma non meno importanti, quindi sono anch'essi essenziali: Na, Mg, K, Ca, Cl. Ci sono anche elementi essenziali, sempre per tutti gli organismi, che sono presenti in tracce: Mn, Fe, Co, Cu, Zn. Infine, sempre presenti in tracce, ci sono altri elementi chimici che sono essenziali per alcuni organismi; in particolare per noi sono importanti Se e I.

I gruppi funzionali

Importantissimi in biochimica sono i gruppi funzionali. Essi conferiscono caratteristiche proprietà alle molecole sostituendosi agli atomi di idrogeno e formando le varie famiglie di composti organici. I gruppi funzionali hanno anche proprietà chimiche caratteristiche che sono indipendenti dal resto della molecola a cui sono legati.

Pertanto, i gruppi funzionali caratterizzano i composti organici stessi: un composto che avrà un gruppo idrossile, ad esempio, sarà un alcol; un composto con un gruppo carbossilico sarà un acido carbossilico e via dicendo. In biochimica, la funzione della molecola è legata a quella molecola stessa. La vita si è evoluta costruendo molecole enormi, macromolecole organiche; apparentemente però la parte funzionale reattiva è minima rispetto al “resto”. Questo resto serve per dare una struttura di sostegno al gruppo funzionale stesso per far sì che lo trovino usato nel posto giusto al momento opportuno.

Un altro esempio di gruppi funzionali presenti nelle cellule è dato dal gruppo fosfato: esso è importantissimo perché permette un movimento all’interno delle cellule chiamato scenario di fosforilazione e defosforilazione; in base al suo essere attaccato o non attaccato a una proteina c’è una differenza enorme in quanto esso regola l’attivazione della proteina stessa.

È quindi una regolazione, fatta perché si ha la necessità di cambiare rapidamente in base alle necessità dell’organismo. Infatti, se dovessi necessitare di una nuova proteina, avrei bisogno di un meccanismo genomico, con la trascrizione del DNA in RNA e la sua traduzione in proteine; questo è un meccanismo molto lungo rispetto a una semplice e rapidissima fosforilazione o defosforilazione. Viene operata da enzimi chinasi (che attaccano) o fosfatasi (che staccano) che trasferiscono un gruppo fosfato da un donatore a un accettore.

I gruppi fosfato danno ragione alla funzione dell’ATP: essi vengono trasferiti dall’ATP stesso alla proteina che necessita di un gruppo fosfato. L’ATP è quindi un donatore di gruppi fosfato, un substrato per gli enzimi chinasi che staccano il gruppo fosfato e lo posizionano su un accettore che può avere diverse funzioni. Sarà nostra cura prendere anche in considerazione i gruppi funzionali e dare ragione del loro meccanismo d’azione.

I polimeri biologici

Avremo a che fare con molecole molto grandi che si chiamano polimeri biologici. Il polimero è una molecola fatta da n unità che si ripetono, dei “mattoncini” tutti uguali tra di loro legati con legami chimici specifici. Il mattoncino si chiama monomero.

A lato abbiamo una rappresentazione dei composti organici ad interesse biologico: lipidi, proteine, carboidrati e acidi nucleici. L’informazione sbagliata in questa immagine è data dai lipidi: non c’è un singolo monomero a dare l’insieme dei lipidi, a differenza degli altri gruppi biologici che hanno un singolo tipo di monomero che, ripetuto per un numero n di volte, andrà a formare un tipo di polimero. Il polimero stesso andrà a formare una struttura sovramolecolare.

Struttura dei lipidi, proteine, carboidrati e acidi nucleici

Come è fatto un lipide? Un lipide non è una ripetizione n volte di un acido grasso: un esempio è dato dai fosfolipidi, che sono fatti in realtà da qualcosa di diverso da una ripetizione di acidi grassi (ovvero da due acidi grassi e da un gruppo fosfato legati a un’altra molecola, come il glicerolo). Inoltre, abbiamo anche degli esempi di lipidi che non sono dei polimeri, come il colesterolo. La struttura sovramolecolare dei fosfolipidi è la membrana cellulare.

Com’è fatta una proteina? I monomeri sono gli amminoacidi: costituiti da un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e da un gruppo R che li differenzia tra loro. Gli amminoacidi non sono i soli monomeri che danno le proteine, ma abbiamo anche altre implicazioni all’interno del nostro organismo; un esempio è dato dal glutatione: è una di quelle molecole deputate alla difesa del nostro organismo da sostanze tossiche. È fatto da tre amminoacidi che troviamo nel codice genetico ma che non vengono sintetizzati a partire dal processo di traduzione delle proteine.

Gli amminoacidi si trovano nel citoplasma e sono legati tra di loro tramite il legame peptidico, ottenuto tramite condensazione obbedendo a regole che stanno nel genoma: c’è quindi il “macchinario” della trascrizione che dà questo tipo di legame. In esso sono implicati tutti i tipi di RNA: ribosomiale (il più presente nella cellula), messaggero (è tendenzialmente poco perché altrimenti verrebbe continuamente prodotta la proteina data da quell’elemento) e transfert; con la sintesi proteica, a livello dei ribosomi, avviene la creazione di legami peptidici grazie alla traduzione dell’informazione codificata dall’mRNA e all’intervento del tRNA che inserirà gli amminoacidi nelle posizioni corrette del polipeptide. Organizzare una proteina per la cellula vuol dire dalla struttura primaria arrivare a formare una struttura complessa.

Come sono fatti i carboidrati? Il monomero dei carboidrati è dato da uno zucchero, i polimeri sono dati dal glicogeno, dall’amido e dalla cellulosa. Il destino per cui si uniscono all’interno della cellula è per costruire la parete cellulare.

Come sono fatti gli acidi nucleici? Gli acidi nucleici hanno come monomero i nucleotidi, come polimero il DNA mentre la struttura sovramolecolare è data dalla cromatina.

Legame tra i monomeri

Informazioni comuni che riguardano queste molecole è dato dal loro legame: i monomeri si legano tra di loro con un processo chiamato condensazione. L’aggiunta di un singolo monomero a una catena nascente polimerica avviene appunto tramite condensazione, con la fuoriuscita di una molecola d’acqua. L’acqua rientrerà in gioco poi nel processo di idrolisi, uno dei possibili processi di rottura dei legami dei polimeri.

Normalmente i temi della formazione e della rottura di un polimero non avvengono contemporaneamente all’interno della cellula: non lo fanno perché le esigenze della cellula sono diverse. Un esempio è dato dalla sintesi e dalla demolizione del glicogeno: se sono lontano dal pasto avrò il livello di glicemia basso, quindi il digiuno imporrà la scissione del glicogeno; se invece avrò appena mangiato, la glicemia sarà più alta e quindi necessitiamo di immagazzinare glucosio per farla scendere. La glicemia è quindi uno dei livelli che vanno sempre controllati nel nostro organismo, deve sempre essere di 5 mM. Il tutto è adoperato dal fegato, che immagazzina il glicogeno; se però la dimensione diventa troppo grande, l’immagazzinamento avviene nei lipidi.

Stesso esempio è dato dal DNA: l’esigenza della sintesi di nuove molecole è alternata alla demolizione di altre molecole; il tutto avviene per il mantenimento della struttura dei tessuti. La funzione di sintetizzare DNA non è legata al dispendio energetico; tuttavia è indirettamente legata perché tutti i processi di biosintesi richiedono energia. La buona alimentazione non è legata solo all’energia richiesta ma è legata anche ai processi di biosintesi di tutte le molecole.

L’acqua è un elemento essenziale per la vita. Abbiamo appena detto che si ricava dalla condensazione dei monomeri per ottenere i polimeri; essa poi va a finire all’interno del nostro organismo. La vita ha messo in atto dei sistemi che preservano la funzione dei lipidi in ambiente acquoso. Le vie metaboliche si dividono in vie anaboliche, cioè di sintesi da building blocks a macromolecole, e vie cataboliche, cioè di degradazione da macromolecole a building blocks. Gli obiettivi sono diversi: il catabolismo ha la funzione sia di disfare molecole per ottenere energia, che di disfare molecole per obbedire al turnover delle cellule stesse (l’apoptosi è in bilancio con la sintesi di nuove cellule).

L’anabolismo è dettato da esigenze diverse: soddisfare l’abbondanza di mattoncini per costruire macromolecole e per la sintesi di nuove cellule.

Gli organelli cellulari

Gli organelli cellulari avranno un occhio di riguardo in questo corso: dobbiamo sapere dove ed in quale momento si verificano le reazioni biochimiche. Attraverso gli organelli cellulari possiamo avere delle aree chiuse dentro alle quali possiamo far avvenire le reazioni; la compartimentalizzazione è molto favorevole perché posso avere delle condizioni diverse da un compartimento ad un altro.

Cosa è fondamentale per la vita?

La vita necessita di tre cose essenziali: energia, molecole semplici e meccanismi chimici.

• Energia: Si deve sapere come estrarre, trasportare e utilizzare. L’energia ha un flusso che inizia con l’estrazione di nutrienti. Essi portano a reazioni cataboliche, che sono tutte ossidazioni: gli elettroni persi sono trasferiti a degli accettori, i trasportatori di elettroni (da cui il trasporto), che li portano all’accettore finale di elettroni, ovvero l’ossigeno molecolare, che alla fine diventa acqua; il tutto giustifica la respirazione. Avviene la produzione di prodotti semplici dalla respirazione, H₂O e CO₂ (che in realtà sarà sotto forma di HCO₃⁻), o dalla degradazione di amminoacidi, NH₃ (che in realtà sarà sotto forma di NH₄⁺); questi possono essere considerati dal nostro organismo come precursori per i pathways anabolici oppure possono essere eliminati dall’organismo stesso attraverso la respirazione o l’urina.
• Molecole semplici: La seconda cosa di cui la vita ha bisogno sono le molecole semplici, che devono essere convertite, quindi degradate per ottenere energia, o polimerizzate, quindi trasformate in polimeri.
• Meccanismi chimici: La terza cosa di cui la vita necessita sono i meccanismi chimici, che hanno lo scopo di convogliare l’energia e di guidare in modo sequenziale le reazioni chimiche. Inoltre, attraverso organismi chimici sintetizzano o degradano le macromolecole e mantengono uno stato di equilibrio dinamico. I meccanismi chimici servono anche per assemblare strutture sovramolecolari: la biochimica non si limita a lavorare per molecole semplici o polimeri ma lavora anche ad esempio per la membrana o per la cromatina. I meccanismi chimici si adoperano anche per far sì che le cellule si replichino accuratamente ed efficientemente. Infine, regolano il mantenimento di un “ordine” biochimico quando all’esterno c’è disordine.

I trucchi della cellula

Per rispettare questi scopi enunciati, la cellula usa alcuni trucchi:

• Accoppiamento di reazioni: Un esempio è dato da un sistema qui descritto: l’accoppiarsi di reazioni termodinamicamente sfavorevoli a reazioni che sono favorite. In ascissa troviamo il tempo di reazione, in ordinata la variazione di energia. La prima reazione prevede dei reagenti che hanno un livello di energia minore rispetto ai prodotti; è una reazione endoergonica che prende energia da quei meccanismi chimici che accoppiano questa reazione, che è sfavorita, con un’altra reazione, quella subito di fianco, che prevede un livello molto alto dei reagenti e molto basso nei prodotti. La reazione 1 quindi, per far sì che avvenga, necessita dell’energia liberata dalla reazione 2. La reazione 3 è la somma delle due precedenti reazioni: il reagente A + il reagente B danno il prodotto C ed il prodotto D; si è formata una reazione accoppiata che è favorevole a livello energetico. La prima reazione non sarebbe mai potuta avvenire se non fosse stata accoppiata alla seconda reazione.
• Uso di enzimi: Una reazione generica senza un enzima a catalizzare produce un numero molto limitato di prodotto. Ciò non è compatibile con la vita perché questa necessita di risposte molto rapide in base alle necessità; viceversa, con la presenza di un enzima avviene la generazione del prodotto generato nel tempo desiderato. Abbiamo già visto la rappresentazione di come un enzima lavora: c’è una barriera energetica da superare, sia che la reazione sia endoergonica che esoergonica; questa sarà abbassata notevolmente dalla presenza di un enzima.

I tipi di reazioni chimiche

Le reazioni che incontriamo nei processi biochimici sono le seguenti:

• Sostituzione nucleofila: Un atomo o un gruppo di atomi viene sostituito con un altro.
• Reazione di eliminazione: Si forma un doppio legame quando c’è la rimozione di atomi in una molecola.
• Reazione di addizione: Due molecole si combinano per formare un singolo prodotto. Un esempio è dato dalle reazioni di idratazione, o ancora quando per ottenere alcol si aggiunge acqua a un alchene.
• Reazione di isomerizzazione: Rimaneggiamento intramolecolare in cui gli atomi danno un isomero del reagente.
• Reazioni di ossidoriduzione: Una coppia di reagenti subisce un trasferimento di elettroni da un donatore ad un accettore grazie all’aiuto di enzimi.
• Reazione di idrolisi: Rottura di un legame chimico ad opera dell’acqua, che si scinde e si lega alle due nuove molecole formate.

Anche se abbiamo molti tipi di pathways, abbiamo un numero limitato di reazioni che possiamo attuare. Riusciamo sempre a individuare delle reazioni che rappresentano un punto di controllo centrale nei pathways; sono comunque un numero molto limitato chiamate tappe di comando, dei nodi a livello dei quali avviene un controllo dal punto di vista energetico.

Il concetto che deve guidarci a livello energetico è dato dal fatto che le cellule sono instabili, con le cellule che devono obbedire a livello energetico.

L'acqua

Il 60-90% dell’organismo è composto da acqua; essa è rappresentata nella maggior parte delle reazioni del nostro organismo. L’acqua è chiamata solvente universale, anche se in realtà non lo è dei lipidi.

È una molecola molto polare: grazie all’energia del dipolo presente nella sua molecola costituita dalla porzione negativa dell’ossigeno e da quella positiva dell’idrogeno, è in grado di sciogliere facilmente molte sostanze. L’acqua interagisce sia con gli ioni positivi che con quelli negativi. È un processo chiamato dissociazione elettrolitica, le sostanze che si sciolgono (spesso precedentemente legate tra di loro con un legame ionico) prendono il nome di elettroliti. Tutti i composti ionici solubili in acqua sono elettroliti. C’è però da porre attenzione perché molte sostanze si sciolgono bene in acqua, come quasi tutte le molecole organiche; non tutte però in soluzione si dissociano in ioni e pertanto sono definite non-elettroliti.

Ionizzazione dell'acqua

I composti ionici vengono dissociati in ioni dall’acqua in cui sono disciolti. Anche l’acqua, essendo composta da legami covalenti eteropolari, può essere ionizzata, anche se in misura molto limitata. Le molecole di acqua che riescono a ionizzare l’acqua provocano la loro dissociazione in due ioni: l’idrogenione H⁺ e lo ione idrossido OH⁻. L’idrogenione, che è molto instabile, si lega subito ad un’altra molecola d’acqua per formare lo ione ossonio H₃O⁺.

Prodotto ionico dell'acqua

La reazione di ionizzazione dell’acqua è una reazione reversibile. Per la legge di azione della massa, la costante di dissociazione dell’acqua è data dalla seguente equazione: [H⁺] ∙ [OH⁻] = Kw. La reazione può anche essere scritta come Kw = [H⁺] ∙ [OH⁻].