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 ad 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 ca. 1

miliardo di cellule figlie identiche nel giro di 24 h. 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 ad 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 N ), al solfato (formando H S), o

2 2

alla CO (formando CH ). Alcuni di questi organismi che si sono evoluti in un

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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

- 0 0 4- 2-

inorganici, per esempio l’HS in S (zolfo elementare), l’S in SO , l’NO in

3- 2+ 3+

NO e il Fe in Fe . 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 CO (autotrofi), o che richiedono nutrienti organici (eterotrofi).

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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 non

covalentemente, 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 si

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

ca. 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.

gruppi funzionali che caratterizzano le diverse classi di composti organici

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 nu