Biochimica - prima parte

Biochimica

Lo scopo della biochimica è la comprensione dei processi che avvengono negli organismi viventi dal punto di vista molecolare. Essa descrive in termini molecolari, le strutture, i processi e i meccanismi comuni a tutte le forme; cioè tutte le cellule, da quelle degli organismi più semplici a quelle degli organismi più complessi, hanno in comune alcune proprietà fondamentali, che possono essere apprezzate soprattutto a livello biochimico. Ad esempio, se parliamo di DNA, esso è lo stesso dall’organismo più semplice a quello più complesso.

Argomenti di studio della biochimica

• La struttura chimica dei componenti della materia vivente e la relazione tra struttura e funzione; è un aspetto importante perché mette in relazione la struttura della molecola con la funzione della molecola stessa.
• Il metabolismo, ovvero l’insieme delle reazioni che hanno luogo nella materia vivente e che permettono di utilizzare i nutrienti per produrre l’energia e permettono di utilizzare l’energia per sintetizzare le molecole. Questa energia che viene prodotta viene anche conservata e sarà utilizzata quando servirà all’organismo.

Caratteristiche degli organismi viventi

Quali sono le caratteristiche che distinguono un organismo vivente dalla materia inanimata?

• L’elevata complessità chimica e l’organizzazione a livello microscopico: c’è un’elevata complessità delle strutture all’interno della cellula e molte delle molecole all’interno della cellula sono organizzate in polimeri che hanno conformazioni tridimensionali particolari che permettono loro di essere i responsabili delle principali funzioni biologiche della cellula.
• La capacità di trasformare e utilizzare l’energia dall’ambiente: gli organismi viventi utilizzano del materiale organico per produrre energia; quindi ci si alimenta per utilizzare i principi nutritivi contenuti negli alimenti, per ottenere l’energia.
• Capacità di riprodursi: essa è una capacità unica degli organismi viventi. Gli organismi viventi sono capaci di riprodurre copie identiche a se stessi anche in 24 ore (ad esempio i batteri che producono migliaia di batteri identici a sé stessi).
• Hanno meccanismi per percepire e rispondere a cambiamenti dell’ambiente circostante: l’organismo vivente può rispondere a sollecitazioni esterne, cioè essi si adattano e reagiscono al cambiamento dell’ambiente esterno.
• Capacità di adattarsi alle diverse condizioni attraverso un’evoluzione graduale: nella storia dell’evoluzione (durata milioni di anni) gli organismi hanno cercato sempre di adattarsi lentamente alle continue modificazioni dell’ambiente esterno.

Entrambi, sia l’organismo vivente che la materia inanimata, sono costituiti da molecole, che a loro volta sono costituite da atomi. Quindi andremo a vedere come le molecole degli esseri viventi si sono organizzate per dare luogo a un sistema vivente; la biochimica cerca di dare una spiegazione a questo. Inoltre, se queste molecole si estraggono dalle cellule, esse comunque rispondono alle leggi chimico-fisiche a cui rispondono le molecole della materia inanimata; e questo vale anche per le reazioni che avvengono all’interno della cellula e quindi anch’esse rispondono alle stesse leggi chimico-fisiche a cui risponde la materia inanimata.

Di che cosa si occupa la biochimica?

La biochimica si occupa dello studio delle molecole biologiche e delle reazioni chimiche alla base della vita e del funzionamento degli organismi. Quindi andremo a vedere come le molecole si organizzano per dare luogo ad organismi viventi. Queste molecole, da quelle più semplici a quelle più complesse, tendono ad organizzarsi in strutture sovramolecolari che arriveranno a comporre la cellula. Queste molecole, partendo dai monomeri, si organizzano in polimeri con sequenze molto specifiche e particolari che saranno responsabili anche della funzione biologica della molecola stessa. Queste molecole se isolate dalla cellula, sono prive di vita, mentre nel loro contesto, interagendo tra di loro sono in grado di mantenere e prorogare la vita. Ad esempio, gli enzimi, se vengono isolati dalle cellule e vengono messi in un ambiente ottimale con l’aggiunta del substrato, essi catalizzano le reazioni anche se fuori dalla cellula. Questo avviene utilizzando solo le leggi chimico-fisiche che regolano la materia inanimata.

Alla base di questa immensa molteplicità c’è un’uniformità biochimica, ovvero la cellula. Essa è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. Quindi tutti gli organismi:

• Sono formati dalle stesse componenti biochimiche;
• Funzionano secondo le stesse leggi fisiche e chimiche;
• Utilizzano, per vivere, gli stessi principi metabolici;
• Sono legati da una storia evolutiva comune, che si può ripercorrere andando ad analizzare il genoma, ovvero l’insieme del materiale genetico di un organismo e anche il proteoma che è l’insieme delle proteine espresse da quell’organismo in una determinata fase. Il proteoma cambia a seconda delle condizioni dell’organismo mentre il genoma non varia.

Quindi, la biochimica descrive in termini molecolari le strutture, i meccanismi e i processi comuni a tutti gli organismi, insieme ad una serie di principi organizzativi, validi per tutte le forme di vita.

Uniformità biochimica e diversità biologica

• Sulfolobus: archea (organismo unicellulare) archeobatteri
• Arabidopsis: vegetale
• Homo sapiens

Essi, nonostante siano tutti diversi, condividono tutti la stessa proteina (dal punto di vista di composizione che di conformazione) che regola la trascrizione genica.

La vita nella Terra è iniziata 3,5 bilioni di anni prima rispetto alla comparsa del primo essere umano sulla Terra. Tutta la miriade degli organismi viventi presenti sulla Terra, originano da un precursore comune, ovvero da un antenato comune. Quindi alla base dell’albero vediamo l’organismo comune da cui tutto è partito e poi all’apice vediamo 3 grandi branche che sono:

• Batteri: organismi unicellulari;
• Archea: organismi unicellulari, vengono identificati come estremofili sopravvivono in condizioni estreme: per esempio li troviamo nei crateri dei vulcani, o nelle fonti di acque termali, o dove ci sono condizioni saline molto elevate;
• Eucaria: organismi unicellulari; le ramificazioni indicano i punti di divergenza da un progenitore comune.

La materia vivente è costituita da pochi elementi

La materia vivente è costituita da molecole che a loro volta sono costituite da atomi. Queste molecole sono costituite prevalentemente da pochi elementi quali: Carbonio, Azoto, Ossigeno, Idrogeno, Calcio e Fosforo, mentre Potassio, Zolfo, Cloro, Sodio e Magnesio sono comunque presenti ma in quantità minori; ma comunque svolgono funzioni altrettanto importanti. Un altro elemento importante è il Ferro ad esempio, perché si ha nel sangue e produce emoglobina che è la proteina che trasporta l’ossigeno dai polmoni al resto del corpo, e produce anche la mioglobina che è la proteina che fornisce ossigeno ai muscoli.

Uniformità ed eterogeneità degli esseri viventi

La cellula è la struttura base di tutte le forme di vita. Gli organismi più complessi (come gli animali superiori) sono costituiti da più tipi di cellule, diverse per forma e dimensione. Tutte le cellule condividono strutture e modalità di funzionamento. Si pensa che la prima cellula si sia formata in quanto il materiale organico che prima era disperso nell’ambiente, si è trovato all’interno di vescicole che hanno apportano una serie di vantaggi rispetto al materiale organico distribuito nell’ambiente, ed è così che poi è andata avanti l’evoluzione.

Questi vantaggi sono ad esempio gli scambi nel senso che dentro la cellula ogni organello ha la sua funzione, e il fatto di avere tutto all’interno di una struttura, permette che le molecole non si disperdano all’interno di una cellula, ma che stiano all’interno di una struttura più piccola; per cui, ad esempio, anche il fatto che gli enzimi di determinate vie metaboliche li troviamo in un compartimento cellulare anziché in un altro, ha un suo vantaggio perché è tutto più agevole in uno spazio limitato in quanto l’enzima può trovare facilmente il substrato. E quindi questa è stata la logica che ha portato a questo vantaggio evolutivo della cellula rispetto al materiale organico libero nell’ambiente.

Dopodiché in questo spazio limitato (ovvero all’interno della cellula) le molecole hanno iniziato ad interagire.