Biochimica I

Introduzione alla biochimica

Fondamenti di biochimica

La biochimica cerca di spiegare come le eccezionali caratteristiche degli organismi viventi derivino dalle migliaia di differenti biomolecole. Queste molecole, una volta isolate ed esaminate singolarmente, si adattano a tutte le leggi fisiche e chimiche che regolano il comportamento della materia vivente; ciò riguarda tutti i processi che avvengono negli organismi viventi. Lo studio della biochimica mostra come tutte le molecole, di per sé prive di vita, che costituiscono gli organismi viventi interagiscano tra loro per mantenere e perpetuare la vita utilizzando solo quelle leggi fisiche e chimiche che governano l’universo non vivente.

Le caratteristiche che distinguono gli organismi viventi sono:

• Un alto grado di complessità chimica e di organizzazione a livello microscopico. Migliaia di molecole diverse formano l’intricata struttura interna delle cellule. Si tratta di lunghi polimeri, ciascuno con una caratteristica sequenza di subunità, una specifica struttura tridimensionale e una spiccata capacità di selezionare altre molecole con cui interagire nella cellula.
• Sistemi capaci di estrarre, trasformare e utilizzare l’energia dall’ambiente. Consentono agli organismi viventi di costruire e mantenere le loro complesse strutture e di svolgere un lavoro meccanico, chimico, osmotico ed elettrico. Ciò rappresenta il contrario di quanto accade per la materia non vivente, che tende invece a decadere in uno stato disordinato, per raggiungere una condizione di equilibrio con l’ambiente circostante.
• Funzioni specifiche di ogni componente cellulare e loro interazioni controllate. Questo riguarda non solo le strutture macroscopiche, come le foglie e gli steli, o il cuore e i polmoni, ma anche le strutture microscopiche intracellulari e i singoli composti chimici. L’interazione tra i componenti chimici degli organismi viventi ha un carattere dinamico. Le variazioni dei livelli di uno di essi provocano la modificazione coordinata o compensatoria nella quantità di altri, dando vita a un insieme che mostra caratteri che non rispecchiano quelli dei singoli componenti. Tutto l’insieme delle molecole segue un programma finalizzato a riprodurre il programma stesso e ad autoperpetuare quello specifico insieme di molecole, cioè la vita.
• Meccanismi per percepire e rispondere alle alterazioni dell’ambiente circostante. Continuamente adattano la chimica della cellula alle variazioni ambientali o alla loro localizzazione nell’ambiente.
• Capacità di autoriprodursi e di autorganizzarsi. Una singola cellula batterica, posta in un mezzo nutriente sterile, può dare origine a circa 1 miliardo di cellule figlie identiche nel giro di 24 ore. Ogni cellula contiene migliaia di molecole, alcune estremamente complesse eppure, ogni nuovo batterio è una copia fedele dell’originale, costruita interamente sulla base dell’informazione contenuta nel materiale genetico della cellula originale.
• Capacità di cambiare nel tempo attraverso un’evoluzione graduale. Gli organismi viventi sono in grado di cambiare lentamente le strategie vitali ereditate al fine di sopravvivere al mutare delle condizioni ambientali. Il risultato di eoni di evoluzione è un numero enorme di forme di vita diverse, che condividono una discendenza evolutiva comune. Esiste dunque anche una fondamentale unitarietà tra gli organismi a livello molecolare, riflessa nella similitudine strutturale dei geni e delle proteine.

Nonostante queste proprietà comuni e la fondamentale unitarietà della vita che esse sottendono, è difficile fare generalizzazioni sui sistemi viventi. La biodiversità del nostro pianeta è enorme. Al gran numero di habitat corrisponde un numero altrettanto elevato di adattamenti biochimici, che si realizzano per mezzo di strategie chimiche comuni.

La biochimica descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi e i processi chimici comuni a tutti gli organismi, insieme a una serie di principi organizzativi, validi per tutte le forme di vita, che vanno sotto il nome di logica molecolare della vita. Anche se la biochimica è in grado di offrire importanti prospettive e applicazioni pratiche nel campo della medicina, dell’agricoltura, della nutrizione e anche dell’industria, il suo fine ultimo rimane quello di scoprire le leggi che governano la materia vivente.

Gli organismi viventi possono essere raggruppati in tre distinti domini

Tutti gli organismi viventi possono essere suddivisi in tre grandi gruppi (domini), che corrispondono a tre branche evolutive che si dipartono da un progenitore comune. Due di questi gruppi sono costituiti da organismi unicellulari, distinguibili sulla base delle loro caratteristiche biochimiche e genetiche: i batteri e gli archea o archeobatteri.

I batteri vivono nel terreno, sulla superficie dell’acqua e nei tessuti di altri organismi viventi o in decomposizione. Molti archea, riconosciuti come un dominio a sé da Carl Woese negli anni ’80, vivono in condizioni estreme, per esempio in acque salate, sorgenti calde, paludi molto acide o nella profondità degli oceani. Le conoscenze attuali suggeriscono che gli archea e i batteri si siano separati abbastanza presto nel processo evolutivo. Gli eucarioti, che rappresentano il terzo dominio, si sono evoluti dalla stessa branca da cui sono derivati gli archea. Quindi, gli eucarioti sono evolutivamente più vicini agli archea, rispetto ai batteri.

All’interno dei domini degli archea e dei batteri vi sono dei sottogruppi distinguibili in base ai loro habitat. Negli habitat aerobici, caratterizzati dall’abbondante disponibilità di ossigeno, alcuni organismi traggono l’energia dal trasferimento degli elettroni dalle molecole combustibili all’ossigeno. Altri habitat sono invece anaerobici, cioè praticamente privi di ossigeno, e i microrganismi che vi si sono adattati ottengono energia dal trasferimento degli elettroni al nitrato (con formazione di N₂), al solfato (formando H₂S), o alla CO₂ (formando CH₄). Alcuni di questi organismi che si sono evoluti in un ambiente anaerobico, sono anaerobi obbligatori: essi muoiono al contatto con ossigeno. Altri sono invece anaerobi facoltativi, capaci di vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno.

Si possono classificare gli organismi anche sulla base dell’energia e degli atomi di carbonio richiesti per sintetizzare il materiale cellulare. Esistono due ampie categorie basate sulle sorgenti di energia: i fototrofi assorbono e usano la luce solare, e i chemiotrofi traggono la loro energia dall’ossidazione dei combustibili chimici. Alcuni chemiotrofi, i litotrofi, ossidano combustibili inorganici, per esempio l’HS^- in S⁰ (zolfo elementare), l’S⁰ in SO₄^-2, l’NO₃^- in NO₂^- e il Fe₂⁺ in Fe₃⁺. Gli organotrofi ossidano una grande varietà di composti organici disponibili nell’ambiente. I fototrofi possono essere suddivisi in organismi che ottengono tutto il carbonio di cui hanno bisogno dalla CO₂ (autotrofi), o che richiedono nutrienti organici (eterotrofi).

I diversi livelli di osservazione

La cellula eucariotica

Le tipiche cellule eucariotiche sono molto più grandi delle cellule batteriche. Il loro diametro è generalmente compreso tra i 5 e i 100 μ. I caratteri distintivi delle cellule eucariotiche sono il nucleo e i vari organelli circondati da membrana, con funzioni specializzate: i mitocondri, il reticolo endoplasmatico, il complesso di Golgi, i perossisomi e i lisosomi. Oltre a questi organelli, le cellule vegetali contengono anche i vacuoli e cloroplasti. Nel citoplasma di molte cellule sono presenti anche granuli o gocce di piccole dimensioni che fungono da deposito di sostanze nutrienti, come i grassi o l’amido.

La microscopia a fluorescenza ha messo in evidenza diversi tipi di filamenti proteici che attraversano la cellula eucariotica, formando una rete tridimensionale di interconnessioni chiamata citoscheletro. Esistono tre principali tipi di filamenti citoplasmatici: i filamenti di actina, i microtubuli e i filamenti intermedi. Essi differiscono per spessore (da 6 a 22 nm), composizione e funzione specifica. Tutti e tre questi filamenti contribuiscono alla struttura e all’organizzazione del citoplasma e alla forma della cellula. I filamenti di actina e i microtubuli contribuiscono anche al movimento degli organelli e dell’intera cellula. Ogni tipo di componente del citoscheletro è composto da semplici subunità proteiche, che si associano noncovalentemente, formando filamenti di spessore uniforme. Queste, ad eccezione dei filamenti intermedi, non sono strutture permanenti, ma si disorganizzano continuamente nelle subunità costitutive e si riorganizzano in nuovo in filamenti. La loro localizzazione nella cellula non è rigidamente fissa, ma cambia durante la mitosi, la citocinesi, i movimenti ameboidi e durante i cambiamenti di forma della cellula. Questi processi e la localizzazione di tutti i tipi di filamenti sono regolati da altre proteine, la cui funzione è quella di legare o raggruppare i filamenti, o di spostare gli organelli citoplasmatici lungo queste strutture. Il quadro che emerge da questa breve rassegna sulla struttura della cellula eucariotica descrive la cellula come una rete di fibre strutturali e un complesso sistema di compartimenti delimitati da membrane. Il sistema endomembranoso segrega specifici processi metabolici e fornisce le superfici su cui avvengono alcune reazioni catalizzate da enzimi. L’esocitosi e l’endocitosi, meccanismi di trasporto che comportano la fusione e la fissione della membrana, costituiscono delle vie di comunicazione tra il citoplasma e il mezzo circostante, e inoltre permettono la secrezione di sostanze prodotte dalla cellula verso l’esterno e l’assorbimento dall’esterno all’interno di materiale extracellulare.

Anche se complessa, l’organizzazione del citoplasma è ben lontana dall’essere casuale. Il movimento e la disposizione degli organelli e degli elementi del citoscheletro sono sottoposti ad uno stretto controllo. In certi stadi del suo ciclo vitale, ad esempio durante la mitosi, la cellula va incontro ad una radicale riorganizzazione. Le interazioni tra il citoscheletro e gli organelli sono non covalenti, reversibili e soggette a regolazione in risposta a vari segnali cellulari ed extracellulari. Le macromolecole e le loro unità costitutive hanno dimensioni molto diverse. Una molecola di alanina è lunga meno di 0,5 nm. Una molecola di emoglobina, una proteina eritrocitaria che trasporta ossigeno, è costituita da circa 600 amminoacidi distribuiti in 4 lunghe catene, avvolte in strutture globulari del diametro di 5,5 nm. Le proteine sono molto più piccole dei ribosomi (diametro di ca. 20 nm) e, a loro volta, essi sono molto più piccoli di organelli come i mitocondri, che hanno un diametro di ca. 1000 nm. La differenza tra le semplici biomolecole e le strutture cellulari visibili al microscopio ottico è molto grande. Le subunità delle proteine, degli acidi nucleici e dei polisaccaridi sono unite da legami covalenti. Nelle strutture sopramolecolari le macromolecole sono però tenute insieme da interazioni non covalenti, tutte molto più deboli dei legami covalenti. Queste interazioni non covalenti comprendono i legami a idrogeno (tra gruppi polari), le interazioni ioniche (tra gruppi carichi), le interazioni idrofobiche (tra gruppi non polari in soluzione acquosa) e le forze di van der Waals (o forze di London), ognuna delle quali ha un’energia di legame nettamente inferiore a quella del legame covalente. I complessi sopramolecolari sono stabilizzati dal grande numero di interazioni deboli tra le macromolecole, che sono alla base delle loro particolari strutture.

Fondamenti di chimica

Composizione delle cellule

La chimica degli organismi viventi è organizzata intorno al carbonio, che corrisponde a più della metà del peso secco della cellula. Il carbonio può formare legami singoli con gli atomi di idrogeno e un legame singolo o un legame doppio con l’ossigeno o con l’azoto. Di grande significato in biologia è la capacità del carbonio di formare legami stabili con fino a 4 altri atomi di carbonio. 2 atomi di carbonio possono anche mettere in comune 2 o 3 coppie di elettroni formando legami doppi o tripli. I 4 legami che un atomo di carbonio può formare si proiettano dal nucleo del carbonio verso i quattro angoli di un tetraedro, formando un angolo di ca. 109,5° tra due legami lunghi ca. 0,154 nm. Gli atomi possono ruotare attorno a ciascun legame, a meno che non vi siano legati gruppi molto ingombranti o altamente carichi, che impediscono la rotazione. Il legame doppio è più corto (ca. 0,134 nm) rispetto al legame semplice e permette solo una rotazione limitata intorno al suo asse. Gli atomi di carbonio legati covalentemente nelle biomolecole possono formare catene lineari o ramificate e strutture cicliche. È probabile che la capacità del carbonio di formare legami con se stesso e con altri elementi sia stata un fattore essenziale che ha condotto agli inizi dell’evoluzione alla scelta dei composti del carbonio come principali componenti delle strutture molecolari degli esseri viventi. Nessun altro elemento chimico può formare una varietà così vasta di molecole diverse per grandezza, forma e composizione.

Le biomolecole in gran parte possono essere considerate come derivati degli idrocarburi, in cui atomi di idrogeno sono sostituiti da una serie di gruppi funzionali, che conferiscono caratteristche proprietà alle molecole, formando le diverse famiglie di composti organici. Molte biomolecole sono polifunzionali, poiché contengono due o più gruppi funzionali, ciascuno con caratteristiche specifiche. La “personalità” chimica di un composto deriva dalla chimica dei suoi gruppi funzionali e dalla loro disposizione nello spazio.

La fase acquosa (citosol) di tutte le cellule contiene un migliaio di piccole molecole organiche diverse, che costituiscono i metaboliti della maggioranza dei processi che avvengono in quasi tutte le cellule e che si sono conservati nel corso dell’evoluzione. Questa varietà di molecole include gli amminoacidi, i nucleotidi, gli zuccheri e i loro derivati fosforilati e un certo numero di acidi mono-, di- e tricarbossilici. Le molecole sono polari o cariche, solubili in acqua e presenti in concentrazioni da micromolari a millimolari. Esse sono intrappolate all’interno della cellula perché la membrana plasmatica è impermeabile a queste sostanze, anche se specifici trasportatori di membrana possono catalizzare il trasferimento di alcune molecole organiche all’interno o all’esterno della cellula oppure tra i compartimenti delle cellule eucariotiche. La presenza dello stesso gruppo di composti organici in tutte le cellule viventi è un indice dell’universalità del disegno metabolico, poiché riflette la conservazione evolutiva dei meccanismi metabolici che si svilupparono nelle prime cellule.

Ci sono altre piccole biomolecole specifiche in alcuni tipi di cellule o organismi. Per esempio, le piante vascolari contengono, in aggiunta al gruppo di sostanze universali, piccole molecole chiamate metaboliti secondari, che giocano un ruolo specifico nella vita della pianta. Questi metaboliti comprendono composti che conferiscono alle piante i loro profumi caratteristici, e altri come la morfina, la chinica, la nicotina e la caffeina che hanno effetti psicologici sull’uomo, ma sono usati per altri scopi dalle piante. L’insieme delle piccole molecole in una data cellula è stato definito come metaboloma cellulare, in analogia con il termine “genoma”.

Molte biomolecole sono macromolecole, cioè polimeri con peso molecolare superiore a 5000 che si formano a partire da precursori relativamente semplici. I polimeri più corti sono detti oligomeri. Le proteine, gli acidi nucleici e i polisaccaridi sono macromolecole composte da monomeri con un peso molecolare pari o inferiore a 500. La sintesi delle proteine è uno dei processi biologici che richiede più energia. Le macromolecole possono raggrupparsi, formando complessi sovramolecolari funzionali, come i ribosomi.

Le proteine, lunghi polimeri di amminoacidi, costituiscono la parte più rilevante (oltre all’acqua) di una cellula. Alcune, come gli enzimi, possiedono attività catalitica; altre fungono da elementi strutturali, recettori di segnali o trasportatori di sostanze specifiche dentro e fuori la cellula. Le proteine sono forse le biomolecole più versatili. L’insieme di tutte le proteine funzionanti in una cellula è detto proteoma. Gli acidi nucleici, DNA e RNA, sono polimeri di nucleotidi. Essi conservano e trasmettono l’informazione genetica. Inoltre, alcune molecole di RNA hanno ruoli strutturali e catalitici in complessi sopramolecolari.

I polisaccaridi, polimeri di zuccheri semplici come il glucosio, hanno tre funzioni principali: come riserve ricche di energia, come componenti strutturali delle pareti cellulari (nelle piante e nei batteri) e come elementi extracellulari che si legano a proteine o ad altre cellule. Polimeri più corti di zuccheri (oligosaccaridi) legati alle proteine o ai lipidi sulla superficie cellulare fungono da segnali cellulari specifici.

I lipidi, derivati idrocarburici insolubili, servono da componenti strutturali delle membrane, come riserve ricche di energia, pigmenti e segnali intracellulari. Le proteine, i polinucleotidi e i polisaccaridi contengono un gran numero di subunità monomeriche. Il loro peso molecolare è quindi elevato, da 5000 a più di 1 milione per le proteine, fino ad alcuni miliardi per gli acidi nucleici.