Principi di Biochimica

Principi di biochimica

Introduzione alla biochimica

La biologia in generale si occupa dello studio degli esseri viventi. Questi sono dotati di alcune caratteristiche comuni: consistono di una o più cellule, contengono informazione genica, si riproducono, sono imparentati geneticamente e si sono evoluti, utilizzano molecole ottenute dall’ambiente per sintetizzare nuove molecole biologiche, estraggono energia dall’ambiente e la utilizzano per compiere lavoro ed infine regolano il proprio ambiente interno. La biochimica cerca di spiegare come le caratteristiche degli organismi viventi derivino dalle migliaia di molecole diverse che li costituiscono. Queste molecole, una volta isolate ed esaminate singolarmente, si adattano a tutte le leggi fisiche e chimiche che regolano il comportamento della materia inanimata.

Tappe storiche della biochimica

Per fare un cenno sulle tappe storiche ricordiamo che tra il 1650 ed il 1700 Robert Hooke e poi Antony van Leeuwenkoek osservarono per la prima volta le cellule nel sughero (osservazione tessuti vegetali). Dopo oltre un secolo nel 1838 Schleiden e Schwann formularono la teoria cellulare: le cellule sono le unità strutturali e fisiologiche di base di tutti gli organismi viventi; le cellule sono sia entità distinte, sia i mattoni di organismi più complessi. All’epoca di Schleiden e Schwann si pensava ancora che le cellule fossero il risultato di un auto-assemblaggio di materiale non vivente, la vita compariva per generazione spontanea.

Anche i primi biochimici dovettero superare l’idea che ci fosse qualche differenza sostanziale tra materia vivente e non vivente (si parlava di vitalismo). Nel 1828 Wöhler dimostrò che l’urea poteva essere sintetizzata in laboratorio a partire da un composto inorganico, il cianato di ammonio. Nel 1897 i fratelli Buchner dimostrarono la fermentazione dello zucchero in etanolo in vitro e sono stati anche i primi inventori delle analisi in vitro.

Nel 1859 Louis Pasteur negò la generazione spontanea, egli provò che la vita dovesse già essere presente affinché fosse generata altra vita con un esperimento utilizzando un brodo di coltura. L’ipotesi alla base del suo esperimento era che la vita dovesse provenire da vita preesistente e che non si generasse spontaneamente. Egli comprese che vi sono dei microorganismi collegati a delle malattie, studiò la fermentazione del vino e della birra ad opera di organismi unicellulari e capì che si poteva conservare il latte scaldandolo (pastorizzazione). Un tentativo simile era già stato fatto da Redi nel 1668 con le larve di mosche e la carne; egli però non seppe dare una spiegazione a ciò che era successo.

Teoria cellulare e genetica

Sempre la teoria cellulare afferma che tutte le cellule derivano da cellule preesistenti e sono simili nella loro composizione chimica. L’informazione genetica completa viene replicata e trasmessa durante la divisione cellulare. Nel 1844-1858 Darwin pubblica il suo lavoro sull’evoluzione della specie e comincia a diffondersi la sua teoria per cui tutti gli esseri viventi discendono da un antenato comune e sono imparentati gli uni con gli altri; le specie si evolvono, cambiano nel tempo e il processo che determina tali cambiamenti è la selezione naturale. Prove di questo sono i reperti fossili e le analisi che si effettuano facendo un confronto molecolare di genomi (quanto maggiori sono le differenze tra i genomi di due specie, tanto più lontano nel tempo si colloca l’antenato comune).

L’ultimo rifugio dei vitalisti rimase la natura della catalisi enzimatica, essi ritenevano che gli enzimi (o fermenti) fossero troppo complessi per essere descritti in termini chimici. Nel 1926 venne cristallizzato un enzima, l’ureasi, ad opera di Sumner.

L’informazione biologica è scritta nel codice genetico e viene trasmessa da una cellula genitrice a una cellula figlia. Il genoma è la somma di tutte le molecole di DNA di una cellula e quello umano, scritto con quattro lettere, corrisponde a più di tre miliardi di lettere. Tutte le cellule contengono lo stesso genoma, eppure cellule diverse svolgono funzioni diverse; mutazioni dei geni sono la base su cui opera l’evoluzione. L’idea di gene come unità dell’informazione genetica fu avanzata per la prima volta intorno al 1850 da Gregor Mendel con i suoi esperimenti con le piante di piselli; poi nel 1900 si scoprì che i geni si trovano sui cromosomi. Bisognerà arrivare al 1950 per avere l’isolamento di un gene e la sua composizione genetica.

Nel 1869 Miescher isolò gli acidi nucleici (si credeva erroneamente che fossero sostanze semplici, adatte solo a ruoli strutturali e che soltanto le proteine, molto più complesse, avrebbero potuto contenere informazione genetica). Nel 1953 Watson e Crick descrissero la struttura a doppia elica del DNA e compresero la sua importanza come depositario dell’informazione genetica. A partire da questa data i biochimici hanno iniziato a descrivere le varie vie metaboliche che si trovano all’interno delle cellule; quello che oggi rimane da capire sono i meccanismi di regolazione di queste vie metaboliche, soprattutto la regolazione messa in atto da quelle molecole che si trovano in piccola quantità all’interno della cellula.

Evoluzione della vita sulla Terra

La Terra ha 5 miliardi di anni. Nell’evoluzione della vita il passaggio critico fu la comparsa di molecole che potevano riprodurre sé stesse e anche servire da stampo per la sintesi di grandi molecole. Il secondo passaggio si realizzò quando le molecole biologiche complesse vennero racchiuse da membrane. Per circa due miliardi di anni dall’origine delle cellule tutti gli organismi furono procarioti unicellulari confinati negli oceani dove c’erano molecole complesse da usare come fonte di energia, al riparo dagli effetti dannosi dei raggi UV in quanto non vi era ossigeno nell’atmosfera.

Circa 2,5 miliardi di anni fa comparve la fotosintesi; il metabolismo aerobico è più efficiente di quello anaerobico e ha permesso alle cellule di crescere in dimensioni. Si trattava sempre di procarioti unicellulari, cianobatteri. Grazie a questi organismi si formò lo strato di ozono e 800.000 milioni di anni fa fu possibile la vita sulla terraferma. La cellula eucariotica, comparsa 150 milioni di anni fa, è nata grazie ad un processo di endosimbiosi: una cellula di più grandi dimensioni ha inglobato una cellula di piccole dimensioni (un batterio in grado di svolgere la fotosintesi) e probabilmente la doppia membrana si è originata proprio in seguito a questo.

Gli organismi pluricellulari sono comparsi 500 milioni di anni fa grazie all’associazione tra cellule unicellulari che si sono ingrandite inglobando tutta una serie di organelli. Successivamente a questo passo avanti iniziano a comparire le prime piante e poi animali terrestri che si diversificheranno per evoluzione portando alla comparsa dell’uomo.

Le specie sono diventate così diverse tra di loro grazie alla speciazione: se due gruppi si isolano, nel tempo, i loro percorsi evolutivi divergono così tanto che non possono più riprodursi gli uni con gli altri. Oggi esistono circa 30 milioni di specie diverse suddivise in tre domini principali: Archaea, Bacteria ed Eukaria.

A sostegno della teoria secondo cui la vita sulla Terra sia il risultato dell’evoluzione chimica sul nostro pianeta ci sono degli esperimenti come quello di Miller e Urey che hanno tentato di ricreare il “brodo primordiale” da cui si pensa abbia avuto origine la vita. Si formarono delle molecole simili a purine, pirimidine e amminoacidi che successivamente, per condensazione, hanno trasformato in polimeri tramite una reazione di condensazione (macromolecole biologiche).

Un primo catalizzatore biologico potrebbe essere stato l’RNA: ribozima o RNA catalitico. Questi possono accelerare una reazione perché fanno sì che brevi sequenze di RNA complementare si leghino al ribozima e si appaino; così l’RNA catalitico può catalizzare la polimerizzazione delle sequenze brevi. Noi sappiamo che l’attuale sistema di trasferimento dell’informazione avviene nella produzione di proteine; questo sistema si è originato a partire da molecole di RNA che hanno acquisito la capacità di funzionare da stampo per la sintesi delle prime proteine catalitiche. Queste ultime possono assumere forme nello spazio molto differenti e fanno aumentare l’efficienza della replicazione dell’RNA e della sintesi proteica. Contribuiscono inoltre alla formazione di RNA a filamento doppio, che si evolve poi in DNA a filamento doppio. Il DNA diviene la molecola principale per la conservazione delle informazioni, ma si serve dell’RNA per produrre proteine, che a loro volta contribuiscono alla replicazione e alla trascrizione del DNA.

Limiti fisici delle cellule e macromolecole

Le dimensioni delle cellule sono limitate dal rapporto tra superficie e volume. Sono favorite cellule di piccole dimensioni aventi una superficie di scambio enorme ed è per questo che si sono formati gli organismi pluricellulari: la cellula progenitrice non aveva più vantaggi nell’aumentare di dimensioni perché non sarebbe più stata in grado di controllare ciò che succedeva al suo interno e quindi si sono formati organismi costituiti da un elevato numero di cellule di piccole dimensioni piuttosto che da un’unica cellula di dimensioni enormi. Il diametro della maggior parte delle cellule è compreso nell’intervallo 1-100 micrometri.

Macromolecole e acqua

Gli elementi più abbondanti nell’universo sono l’idrogeno e l’elio che però da soli non potevano essere sufficienti per la chimica delle cellule (sono i componenti principali anche delle stelle di prima generazione e, combinandosi con reazioni di tipo nucleare, hanno portato alla formazione di stelle di seconda generazione di cui fa parte anche il sistema solare). Idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno sono gli elementi più abbondanti nel corpo umano; con questi si riescono a costruire le macromolecole biologiche e si riesce ad avere un’attività tale che queste molecole reagiscono tra di loro e danno origine alle cellule. L’abbondanza di idrogeno e ossigeno negli organismi dipende dal ruolo importante dell’acqua sulla Terra. Sono elementi che hanno una forte tendenza a formare legami covalenti.

La complessità dei processi vitali esige la presenza di molecole di enormi dimensioni o macromolecole biologiche (massa superiore a 5000 dalton). Le unità monomeriche che costituiscono la cellula (il cosiddetto livello 1) è formato da nucleotidi, zuccheri ed amminoacidi (i lipidi non si contano perché non sono in grado di dare legami covalenti tra di loro; non possono portare a polimerizzazione). Al livello 2 vi sono i polimeri, originati dalla condensazione dei monomeri tramite la formazione di legami covalenti; questi polimeri sono il DNA/RNA, le proteine e i polisaccaridi. Le macromolecole passano ancora ad un livello 3 (già visualizzabile con la microscopia elettronica) per dare dei complessi sopramolecolari (es. associazione del DNA con le proteine per formare i cromosomi, l’associazione delle proteine a livello delle membrane plasmatiche, i polisaccaridi che si associano a formare le pareti cellulari dei vegetali). Da queste associazioni si passa al livello 4 che è quello della cellula, quell’organismo all’interno del quale avvengono le reazioni di cui è oggetto di studio la biochimica.

L’organismo umano è costituito da una piccola percentuale di macromolecole (suddivise in quattro tipi che sono presenti approssimativamente nella stessa proporzione) e un porzione ancora più piccola di ioni; tra le macromolecole, oltre il 50% sono proteine. I tessuti sono costituiti dal 70% da acqua.

Il citosol di tutte le cellule contiene un migliaio di piccole molecole organiche (massa da 100 a 500 Dalton), che nell’insieme costituiscono il metaboloma. I metaboliti sono amminoacidi, nucleotidi e zuccheri. Esistono diversi sistemi per rappresentare le macromolecole biologiche e i monomeri di cui sono costituite; riportiamo tre esempi di descrizioni grafiche.

• Rappresentazione grafica sul piano in cui vengono descritti tutti i legami presenti nella molecola; quelli in grassetto sporgono dal foglio mentre quelli tratteggiati si trovano al di sotto. Si tenta quindi di dare una rappresentazione tridimensionale della molecola.
• Ogni sfera rappresenta un atomo; colori differenti rappresentano atomi differenti (normalmente gli atomi di idrogeno vengono rappresentati in grigio o a volte non vengono rappresentati neanche con le sferette ma vengono considerati trasparenti, gli atomi di carbonio sono neri, l’ossigeno in rosso e l’azoto in azzurro, lo zolfo in giallo si parla di modello CDK). Con notazioni di questo tipo è facile individuare la dimensione tridimensionale della macromolecola.
• È definita come notazione a spazio pieno; il diametro delle sfere dovrebbe essere proporzionale alle dimensioni dell’atomo. I legami non si osservano.

È importante il concetto di stereoisomeria, composti con gli stessi legami chimici, ma diversa configurazione. Vi sono degli enzimi nelle nostre cellule in grado di riconoscere in maniera specifica determinati isomeri ed in questo modo ci distinguiamo dai processi industriali perché quando industrialmente viene prodotto un amminoacido in maniera sintetica otteniamo sempre una miscela di vari isomeri; la cellula è in grado di sintetizzare solo un determinato isomero di quell’amminoacido. All’interno di questa famiglia di stereoisomeri vi è quella degli stereoisomeri geometrici o cis-trans che si formano quando c’è un doppio legame (es. acido maleico e acido fumarico), quando gli stessi gruppi funzionali si trovano dallo stesso lato o da lati opposti rispetto al doppio legame. Questo tipo di isomeria avviene perché attorno al doppio legame non vi è possibilità di rotazione; per far sì che questo avvenga è necessario rompere la molecola e risintetizzare.

È importante memorizzare il concetto di configurazione, può essere cambiata solo con la rottura di legami covalenti, distinto dalla conformazione, che può essere cambiata semplicemente dalla rotazione attorno a legami singoli. Altro tipo di stereoisomeri molto diffusi nella cellula sono le molecole chirali: quando una molecola contiene un atomo di carbonio che lega quattro gruppi differenti (si parla di carbonio chirale). Per ogni molecola che ha un centro chiralico esistono due configurazioni differenti, isomeri tra di loro, che prendono il nome di enantiomeri, e sono l’uno l’immagine speculare dell’altro. La molecola ruotata non può essere sovrapposta all’immagine speculare della molecola originaria. Requisito per avere un centro chirale è avere un atomo di carbonio con quattro gruppi differenti ed ogni volta che una molecola ha più di un centro chiralico avrò delle configurazioni, che sono tutti stereoisomeri, pari a 2 dove n sono i centri chirali; di queste configurazioni ce ne sono alcune che non sono l’uno immagine speculare dell’altro, si parla di diasteroisomeri.

Il famoso Louis Pasteur aveva studiato il fenomeno degli stereoisomeri tanto è vero che scoprì una proprietà fisica degli enantiomeri: sono in grado di ruotare il piano della luce polarizzata. Se noi produciamo artificialmente degli zuccheri otterremo una miscela racemica, ovvero una miscela di uguali concentrazioni di molecole D ed L mentre se osserviamo gli zuccheri prodotti naturalmente da una foglia otterremo solo zuccheri della serie D; questo vale anche per le macromolecole biologiche.

Il carbonio è stato scelto dall’evoluzione perché c’è un’estrema versatilità dei suoi legami; può formare legami semplici, doppi, tripli (quest’ultimo non è molto comune nei sistemi biologici perché per romperlo è necessaria una grande quantità di energia). L’atomo di carbonio è libero di ruotare attorno al legame singolo e quindi può avere diverse conformazioni; laddove c’è un doppio legame la rotazione non è più libera e i sostituenti si posizionano tutti sullo stesso piano dove è collocato anche il doppio legame.

Il ruolo dell'acqua nei processi biologici

Ecco i principali gruppi funzionali:

Una molecola d’acqua si può trovare in tre forme: gassosa (l’acqua non forma legami a idrogeno), solida (nel ghiaccio le molecole d’acqua sono tenute insieme da ponti a idrogeno in uno stato rigido; ogni molecole d’acqua reagisce con quattro altre molecole tramite la formazione di legami a idrogeno appunto) e liquida (quella che si trova negli ambienti cellulari; i legami a idrogeno si rompono e si riformano continuamente col movimento delle molecole d’acqua).

Nella formula della molecola d’acqua si trovano due doppietti elettronici liberi sull’atomo di ossigeno e due elettroni condivisi tra l’atomo di ossigeno e di idrogeno in modo tale che l’ossigeno presenti una parziale carica negativa (dovuta alla maggior elettronegatività) e gli idrogeni presentino una parziale carica positiva; in questo modo l’acqua è una molecola polare.

Nell’acqua liquida le molecole d’acqua sono molto più vicine le une alle altre rispetto al ghiaccio e per ciascuna molecola d’acqua si formano 3,4 legami a idrogeno questo fa sì che sia più densa rispetto all’acqua solida. Una caratteristica fisica molto importante per la sopravvivenza degli organismi viventi è proprio questa differenza di densità tra lo stato solido e liquido, che permette al ghiaccio di galleggiare sull’acqua, isolando l’ambiente sottostante e mantenendo temperature che consentono la vita.