biochìmica
Indice
Descrizione generale
Sf. [sec. XIX; bio-+chimica]. Parte della biologia che studia la composizione chimica della materia vivente, i processi chimici e chimico-fisici che in essa si svolgono e il significato di tali processi in rapporto con i vari fenomeni della vita. Orientamenti speculativi e criteri metodologici collocano la biochimica tra i settori più moderni delle scienze biologiche alle quali i suoi progressi hanno portato grandi vantaggi, consentendo il raggiungimento di traguardi scientifici di importanza talora incalcolabile per l'uomo. Nell'ambito della medicina, la biochimica ha dato un volto moderno alla fisiologia e alla patologia, modificando radicalmente il concetto stesso di malattia. A ciò ha condotto l'osservazione che nei differenti stati morbosi l'alterazione delle strutture non è che la conseguenza di disturbi biochimici generali o localizzati; il criterio anatomo-patologico diviene così insufficiente per spiegare l'origine e l'evoluzione delle malattie o per indicare gli adeguati sistemi di cura. Gli sviluppi della biochimica fisiologica hanno determinato il parallelo avanzamento della biochimica patologica animale e vegetale, a cui sono legate le più recenti acquisizioni sulle malattie metaboliche, proliferative e degenerative e sulle basi molecolari di alcune malattie del sangue e dei sistemi nervoso ed endocrino. Nell'ultimo decennio del XX sec. hanno avuto un forte sviluppo gli studi sulla struttura delle macromolecole biologiche.
Cenni storici
La chimica degli organismi viventi, dopo avvii incerti nel corso del secolo XVIII, guadagna credibilità e consenso con la sintesi dell'urea in laboratorio, realizzata da Wohler nel 1828. Questo esperimento, più che per il suo valore intrinseco, ebbe importanza ai fini di dimostrare la continuità tra la chimica dei viventi e quella della materia inanimata; esso proseguiva inoltre una linea di ricerca di rilievo incalcolabile inaugurata da Lavoisier, quella dello studio dei prodotti intermedi e finali del metabolismo. In poco più di un secolo da allora sono stati identificati i metaboliti intermedi e finali di un gran numero di cicli metabolici: la glicolisi, la via dei pentosofosfati, il ciclo di Krebs, il ciclo dell'urea, il ciclo di Calvin ed altri ancora. Questo straordinario successo della biochimica classica ha avuto ricadute ed applicazioni di grandissimo rilievo nella medicina, in quanto chiarisce i meccanismi patogenetici ed indica le possibili terapie di un gran numero di malattie del metabolismo sia ereditarie che acquisite, tra le quali il diabete mellito, la gotta, la fenilchetonuria, le porfirie e molte altre. Sono ormai noti non solo tutti i costituenti biochimici principali delle cellule ma anche i loro meccanismi di sintesi e degradazione e la ricerca in questo campo è rivolta ad approfondirne i dettagli o ad investigare vie metaboliche meno fondamentali; non a torto il ciclo di Calvin, chiarito dopo oltre un decennio di ricerche iniziate nel 1945, è stato definito l'ultima delle grandi vie metaboliche. Un successo comparabile ha arriso anche ad un'altra linea di ricerca della biochimica classica, lo studio della struttura e della funzione delle macromolecole biologiche: proteine, acidi nucleici e polisaccaridi, di molti dei quali sono note le strutture chimica e stereochimica con grandissima precisione, fino alla risoluzione della posizione spaziale dei singoli atomi componenti. Anche questa linea di ricerca ha avuto ricadute di inestimabile valore nella biologia e nella medicina. La biochimica classica sembra aver esaurito il suo campo di applicazione principale e la ricerca moderna si spinge in direzioni nuove che mirano ad integrare le conquiste della disciplina con quelle di discipline vicine quali la biologia cellulare, l'anatomia e la fisiologia: come conseguenza nel delineare le linee di sviluppo attuali della biochimica non si può mancare di rilevarne la confluenza con quelle di altre discipline, confluenza che non di rado ha generato discipline del tutto nuove quali la biologia molecolare e la biofisica. Tra le linee portanti della biochimica moderna si possono individuare la bioenergetica, lo studio dei meccanismi di regolazione delle funzioni cellulari, la struttura di organelli cellulari e di interi microorganismi virali, la neurochimica ed il meccanismo dell'eccitazione sinaptica. Questi fenomeni hanno in comune l'essere dipendenti dai precisi rapporti spaziali che si stabiliscono tra le macromolecole coinvolte e non potrebbero mai essere riprodotti in soluzioni di componenti purificati: essi richiedono e costruiscono una struttura che a buon diritto potrebbe essere definita “micro-anatomica”, se non fosse quello di microanatomia un termine già impiegato con diverso significato.
Le tendenze della ricerca
Questa linea di ricerca biochimica, come molte altre che non sono qui esaminate in dettaglio, quali la fotosintesii fenomeni sinaptici, la secrezione degli ormoni polipeptidici e degli enzimi digestivi ed altre ancora, studia quindi reazioni chimiche che avvengono all'interno di strutture anatomiche ben definite e che perdono il loro ordine e la loro funzione, se estratte da queste strutture. Si può avere un'idea della straordinaria complessità di queste ricerche se si considera che il meccanismo della biosintesidell’ATPui descritto fu originariamente proposto come “ipotesi chemioosmotica” da Peter Mitchell (premio Nobel nel 1978) ed il chiarimento della struttura e funzione degli enzimi coinvolti è ancora in corso; in particolare l'architettura molecolare della F0-F₁ ATP-asi è stata identificata solo recentemente mediante la tecnica della cristallografia a raggi X da parte di sir John Walker (premio Nobel nel 1997). L'esempio della bioenergetica chiarisce quindi come dallo studio delle macromolecole isolate e caratterizzate nello stato di purezza la biochimica moderna si muove sempre di più verso lo studio dei sistemi integrati. Un'altra componente irrinunciabile della biochimica delle macromolecole è la risoluzione della loro struttura tridimensionale, tramite la cristallografia a raggi X e, più recentemente, anche tramite la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. Paradossalmente, questa seconda grande tendenza della biochimica moderna fatica a convergere con la prima perché richiede al sistema termodinamico esaminato proprietà antitetiche: infatti in genere risulta difficile o impossibile ottenere nella forma cristallina, necessaria alla diffrattometria a raggi X, macromolecole che non sono state purificate fino all'omogeneità. Alcune importanti eccezioni a questa regola sono date da quegli organelli o organismi multimolecolari ordinati che possono essere cristallizzati come tali: il ribosoma, il nucleosoma e alcuni virus. La risoluzione della struttura cristallografica del ribosoma è in fase avanzata di realizzazione ed è prevedibile che questo studio sarà completato entro i prossimi 5-10 anni. La complessità di questa impresa è enorme e può essere facilmente valutata quando si consideri che il ribosoma dei procarioti (batteri e alghe verdi) ha un peso molecolare di circa 2 milioni di dalton e risulta quindi 100 volte più grande della mioglobina, la prima proteina di cui è stato possibile risolvere la struttura cristallografica. Le due subunità componenti il ribosoma, dette pesante e leggera, possono essere facilmente separate e cristallizzate indipendentemente l'una dall'altra. La subunità pesante del ribosoma procariotico contiene due molecole di RNA (rispettivamente di 120 e 2900 nucleotidi) e 34 proteine distinte; è attualmente disponibile una struttura cristallografica della subunità pesante del ribosoma dell'archibatterio Haloarcula marismortui alla risoluzione di 5 angstrom ed è in corso il raffinamento di questa struttura a 3 angstrom. Questo livello di risoluzione è ancora insufficiente per descrivere la posizione di singoli residui amminoacidici delle proteine o nucleotidici dello rRNA, ma consente di descrivere la posizione relativa degli acidi nucleici e delle proteine ed identifica un “canale” all'interno della struttura, che si presume sia il sito attivo, a livello del quale avviene la traduzione dello mRNA in proteina. La grande complessità strutturale delle macromolecole biologiche dipende dalla relativa libertà con la quale queste possono ripiegarsi nello spazio per assumere conformazioni stereochimiche distinte, tutte corrispondenti alla stessa composizione chimica analitica. Le diverse conformazioni assunte dalle macromolecole possono essere inattive da un punto di vista funzionale (forme “denaturate”) o attive e la conversione delle seconde nelle prime può essere reversibile o irreversibile. Anche al di fuori della problematica inerente all'aggregazione ordinata di più macromolecole in organelli, lo studio della dinamica conformazionale delle proteine e, in minor misura, degli acidi nucleici è un tema di grande attualità in biochimica, all'interno del quale si possono riconoscere due linee guida distinte: lo studio del processo di “folding” attraverso il quale il polipeptide neosintetizzato o denaturato raggiunge la configurazione nativa e lo studio delle transizioni conformazionali tra strutture native distinte. Entrambi i processi descritti avvengono rapidamente e devono essere studiati mediante tecniche spettroscopiche risolte nel tempo; del tutto recentemente è stata introdotta anche la cristallografia risolta nel tempo. I processi di “folding” sono stati in genere studiati in proteine che vanno incontro a processi di denaturazione reversibili, quali il citocromo c, la ribonucleasi ed il lisozima. Nel caso del citocromo c, una piccola emoproteina, la presenza del gruppo eme legato covalentemente fornisce un centro attivabile mediante eccitazione fotochimica e permette quindi di iniziare il processo di “folding” utilizzando la fotoeccitazione fornita in tempi brevissimi da un intenso impulso di luce laser. Questa tecnica innovativa ha permesso di determinare le costanti cinetiche dei processi iniziali del “folding” che avvengono sulla scala temporale sorprendentemente rapida dei milionesimi di secondo. È incerto se una cinetica così rapida, testimone di un'altissima efficienza del processo, sia condivisa dalla maggioranza delle proteine o sia un fenomeno caratteristico di poche di esse; infatti non è possibile studiare con metodi fotochimici proteine che non contengono cromofori fotoeccitabili. È certo però che in molte delle proteine studiate gli eventi iniziali del “folding”, che portano il polimero lineare a collassare in una struttura globulare per l'ordinato ripiegamento della catena poliepeptidica su se stessa, avvengono in tempi inferiori al millesimo di secondo. Le scale temporali caratteristiche dei processi di “folding” possono sembrare irragionevolmente rapide se confrontate a quelle dei processi elementari dei viventi che raramente scendono al di sotto dei millesimi di secondo. Bisogna però considerare che l'efficienza delle reazioni biochimica è, in molti casi, direttamente proporzionale alla loro velocità. Infatti la reazione teleonomicamente utile alla cellula è in genere solo una tra le molte possibili per il metabolita considerato; per vincere questa competizione la reazione utile deve essere termodinamicamente più favorevole delle altre o, quando questo non è il caso, deve avvenire più rapidamente. Un buon esempio è dato dalle reazioni di separazione di carica della fotosintesi che devono competere con la fluorescenza intrinseca della clorofilla, un processo che si esaurisce nei miliardesimi di secondo. La dinamica delle fluttuazioni conformazionali tra le strutture native delle proteine è in genere altrettanto o più rapida di quella degli eventi di “folding” e si esaurisce in molti casi tra i miliardesimi e i milionesimi di secondo; è tradizionalmente studiata con tecniche spettroscopiche e fotochimiche ma del tutto recentemente è stata introdotta nell'uso la tecnica della cristallografia a raggi X risolta nel tempo. La cristallografia tradizionale, condotta usando sorgenti di raggi X a emissione continua richiede, in genere, alcune ore di esposizione del cristallo alla radiazione onde raccogliere un diffrattogramma intepretabile. In queste condizioni eventuali fluttuazioni strutturali della macromolecola danno luogo a una minore risoluzione della struttura molecolare corrispondente, che appare “diffusa”. La luce di sincrotrone, la radiazione X associata al fascio di particelle che circolano negli acceleratori (in genere elettroni), è costituita da intensi impulsi di brevissima durata (spesso inferiore al miliardesimo di secondo); questa sorgente può essere usata per produrre le immagini di diffrazione dalle quali viene poi calcolata la mappa della struttura molecolare. Sebbene in genere l'immagine di diffrazione venga ottenuta sommando nel tempo un gran numero di impulsi, cristalli proteici ottimali (non sempre ottenibili) possono fornire diffrattogrammi interpretabili dopo esposizione a un singolo impulso. La mappa strutturale che si ricava da questi diffrattogrammi è una sorta di fotografia istantanea della proteina studiata ripresa nel corso di una esposizione di un miliardesimo di secondo o più breve. Naturalmente, perché una tecnica come questa sia fruttifera, lo sperimentatore deve essere in grado di indurre la reazione biochimica della quale intende studiare gli aspetti strutturali in tempi altrettanto brevi, e questo costituisce un limite della tecnica, che per il momento è stata applicata soltanto a proteine contenenti gruppi prostetici fotoeccitabili. Riguardando all'indietro, in prospettiva storica, il percorso conoscitivo della biochimica si può forse rintracciarne un'evoluzione coerente che, dallo studio della chimica dei viventi guidato dalla curiosità e dal rifiuto del vitalismo, passa, attraverso una crescente autoconsapevolezza, alla comprensione del metabolismo, che è anche comprensione della fisiologia e fisiopatologia, e infine alla decifrazione del dettaglio molecolare delle strutture subcellulari, necessario a una terapia razionale. Non è certo irrilevante osservare che il grande sviluppo della biochimica strutturale si accompagna a una parallela evoluzione della farmacologia che ha l'ambizione di progettare i nuovi farmaci direttamente su quelle che sono state identificate come macromolecole bersaglio; così ad esempio sono stati messi a punto gli inibitori degli enzimi specifici del virus dell'AIDS, sintetizzati artificialmente, ex novo, utilizzando l'informazione derivata dalla risoluzione della struttura cristallografica di questi enzimi.
Bibliografia
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