Biochimica: fondamenti della vita, logica molecolare e processi essenziali

Biochimica: Introduzione e Caratteristiche degli Organismi Viventi

BIOCHIMICA Professoressa Claudia Martini 22 Febbraio 2022 Libro consigliato: PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER (SETTIMA EDIZIONE ) Miliardi di anni fa si formò la Terra e gli elementi chimici che sono attualmente presenti -> poco dopo poi comparve la vita: piccoli microorganismi con la capacità di estrarre energia dai composti organici o dalla luce solare. Questa energia fu poi usata per produrre una serie di biomolecole più complesse a partire da elementi semplici e dai composti presenti sulla Terra.

La biochimica cerca di spiegare come le caratteristiche degli organismi viventi derivano da migliaia di biomolecole diverse.

Gli organismi viventi possiedono delle caratteristiche che li distinguono da altri tipi di materia:

• Un alto grado di complessità chimica e di organizzazione a livello microscopico -> la struttura interna della cellula è formata da migliaia di molecole diverse. Si tratta di lunghi polimeri, ciascuno può avere una specifica struttura e una capacità di selezionare le altre molecole con cui interagire.
• Sistemi capaci di estrarre, trasformare e utilizzare l'energia dall'ambiente -> consente agli organismi di costruire e mantenere le loro complesse strutture.
• Funzioni specifiche di ogni componente cellulare e loro interazioni controllate -> questo riguarda soprattutto le strutture microscopiche intracellulari e i singoli composti chimici.
• Meccanismi per percepire e rispondere ad alterazioni nell'ambiente circostante -> gli organismi si adattano di continuo alle variazioni ambientali cambiando la chimica delle loro cellule o la propria posizione nell'ambiente circostante.
• Capacità di auto-riprodursi e di auto-organizzarsi -> una cellula batterica posta in un mezzo nutriente sterile può originare un miliardo di cellule figlie identiche nel giro di 24 ore. Ogni cellula contiene migliaia di molecole alcune anche molto complesse, ma ogni copia è fedele all'originale.
• Capacità di cambiare nel tempo attraverso un'evoluzione graduale -> gli organismi viventi sono in grado di cambiare lentamente le strategie vitali al fine di sopravvivere al mutare delle condizioni ambientali.

La biochimica descrive i termini molecolari, le strutture e i processi chimici comuni a tutti gli organismi validi per tutte le forme di vita. Il suo fine ultimo rimane quello di scoprire le leggi che regolano la materia vivente.

Gli organismi più piccoli sono formati da una singola cellula e non sono visibili ad occhio nudo. Gli organismi più grandi sono costituiti da più cellule, diverse per dimensioni, forme e funzioni svolte. Queste cellule però, sia che appartengano ad organismi più semplici o più complessi, hanno in comune alcune proprietà fondamentali.

Logica Molecolare della Vita e Metabolismo

LA LOGICA MOLECOLARE DELLA VITA L'organismo presenta delle vie metaboliche diverse a seconda se siamo a digiuno o se abbiamo mangiato: ci sono dei segnali che determinano il giusto adattamento delle vie metaboliche rispetto alla situazione ideale, "DIPENDE". È un adattamento piuttosto complesso.

Le piante sono la materia vivente più evoluta: senza piante l'uomo non potrebbe vivere, mentre le piante senza l'uomo possono vivere lo stesso.

In tutte le reazioni del carbonio ci sono delle caratteristiche di forza di legame: quando il carbonio passa da un composto ad un altro può liberare dell'energia. Questa energia è usata dalle nostre cellule per vivere.

Glucosio e Stato di Ossidazione del Carbonio

H. - C=O H-C-OH - HO-C-H 3. H-C-OH 5 H-C-OH - CO CH2OH GLUCOSIO (Va saputa molto bene la struttura). Il glucosio è uno zucchero formato da 6 atomi di carbonio. La prima cosa da fare è individuare lo stato di ossidazione dei carboni. Quale è lo stato di ossidazione del primo carbonio del glucosio? Per calcolarlo andiamo a vedere i legami che fa il carbonio con gli altri atomi ad esso legati:

• Legame carbonio-carbonio -> ha valore 0
• Legame carbonio-idrogeno -> ha valore -1
• Legame carbonio-ossigeno -> ha valore +2

Il carbonio 1 ha quindi uno stato di ossidazione uguale a +1.Considerando l'anidride carbonica (CO2) vediamo che il carbonio ha uno stato di ossidazione pari a +4. Il carbonio dell'anidride carbonica è maggiormente ossidato rispetto al primo carbonio del glucosio. Possiamo, quindi, dire che il glucosio ha dei carboni con uno stato di ossidazione più ridotto, mentre nell'anidride carbonica abbiamo lo stato massimo di ossidazione del carbonio. Quando i composti hanno carboni ridotti, come succede per il primo carbonio del glucosio, hanno un alto potere energetico in quanto passando alla struttura di anidride carbonica liberano molta energia sotto forma di luce o calore (fuoco che brucia nel caminetto). Il glucosio è il costituente principale della cellulosa che brucia nelle piante, nei ciocchi di legno. Quei carboni sono, inoltre, quelli presenti nella benzina, che sono alcani ad otto atomi di carbonio (ottani), oppure metanolo o gas. Tutto ciò che dà calore nel nostro pianeta oggi sono composti con carbonio ridotto. I composti ridotti nel portarli ad uno stato ossidato liberano energia, fino a fuoco, fino a fonti energetiche.

Energia, Ordine e Ossido-Riduzioni

Il nostro organismo utilizza queste molecole (nutrienti che mangiamo) per avere energia, la quale serve per mantenere la vita. La vita si mantiene sulle ossido-riduzioni, sull'energia chimica che si libera dai nutrienti. Bisogna stare molto attenti a cosa si mangia, in quanto ciò formerà le nostre cellule e allo stesso tempo ci dovrà dare l'energia per mantenere uno stato ordinato. Non basta un contenuto energetico calorico, ma è necessario controllare anche il disordine. L'energia libera è formata da entalpia ed entropia. Questa energia libera, affinché una reazione avvenga, deve essere corretta: deve avere una liberazione di entalpia oppure corrispondere ad un aumento di entropia. Le cellule sono ordinate e ciò che gli costa più energia è proprio il mantenerle ordinate. Infatti, viene usata tantissima energia affinché si mantenga l'ordine e la dinamicità delle nostre cellule.

Ordine non significa rigidità, significa anche adattarsi alle complessità della vita, in quanto la vita è garantita da una complessità, che è l'unione tra ordine e adattamento. Se non abbiamo ordine si muore e se abbiamo troppo ordine senza adattamento si muore lo stesso.

L'energia deriva dalle ossido-riduzioni.

Se facessimo direttamente, nel nostro organismo, il passaggio da glucosio a anidride carbonica prenderemo fuoco. Infatti, per fare questo passaggio ci sono almeno 15 reazioni. La produzione di grande energia avviene a livello della catena di trasporto degli elettroni, localizzata nel mitocondrio. A questo livello non vanno né CO2 né glucosio, ma ci vanno coenzimi che si sono ridotti durante le vie metaboliche.

ATP e Differenziazione Cellulare

ATP Le cellule hanno tutti lo stesso DNA, ma sono differenziate, specializzate e ciascuna di esse esprime delle proteine diverse. Queste rappresentano il fenotipo, ovvero cosa si esprime. Quindi, pur avendo lo stesso DNA, quello che conta è sapere cosa si esprime: la regolazione dell'espressione genica porta alla formazione delle varie proteine. L'unità che noi abbiamo nei composti è presente anche nelle cellule, in quanto hanno una propria individualità e stabilità.

Cellule Procariotiche ed Eucariotiche

Le cellule sono divise in cellule procariotiche e cellule eucariotiche. In particolare, nelle cellule procariotiche mancano le membrane: queste rappresentano una grande evoluzione della cellula eucariotica, in quanto permettono la compartimentalizzazione di zone delle cellule, in cui avvengono le reazioni chimiche. Le vie metaboliche hanno un primo controllo se sono in un organello, in quanto il primo fattore che fa sì che la reazione avvenga oppure no è che ci sia il reagente, per cui se questo non ci arriva la reazione non avviene. É importante che ci sia anche quella proteina che permette l'abbassamento dell'energia di attivazione: gli enzimi. Compartimentalizzando e quindi mandando in un posto o in un altro abbiamo un maggiore controllo di quello che può accadere contemporaneamente. Per questo le membrane hanno rappresentato un passaggio evolutivo importante, tanto che gli organismi pluricellulari sono tutti a cellule eucariotiche.

La struttura di una cellula è garantita dalle strutture chimiche di cui sono composte: per esempio una cellula neuronale è diversa da una cellula tumorale o da qualsiasi altra cellula.

Fonti di Energia e Fotosintesi

Tutti gli organismi hanno bisogno di fonti di energia che sono:

• CHIMICA = come gli animali, i quali utilizzano il carbonio, i carboni ridotti.
• BATTERICHE = ossidano idrogeno, zolfo e ferro.

L'ossidante di questi composti ridotti è l'ossigeno. Infatti, il nostro bisogno di ossigeno deriva da reazioni di ossido-riduzione che avvengono nel nostro organismo.

Le piante riescono ad usare anidride carbonica e acqua; tramite la luce (prendono energia dal sole) sintetizzano composti ridotti. In particolare, la capacità di utilizzare l'energia del sole permette alle piante, tramite un processo chiamato fotosintesi, di trasformare un composto altamente ossidato, come il carbonio dell'anidride carbonica, in glucosio. Durante il giorno le piante fanno molto bene perché producono ossigeno(in quanto a partire da acqua e anidride carbonica oltre a produrre glucosio producono anche ossigeno) e durante la notte si comportano come noi.

Organelli Cellulari e Domini della Vita

Membrana Plasmatica e Citoplasma

ORGANELLI La membrana plasmatica definisce i contorni della cellula e separa il contenuto della cellula dal mezzo esterno. È composta da molecole lipidiche e proteiche che formano una barriera sottile, resistente e flessibile attorno alla cellula. La struttura è flessibile in quanto le singole proteine e i singoli lipidi di membrana non sono legati covalentemente fra loro. Questa barriera impedisce il passaggio di ioni inorganici e di molte molecole cariche e polari. Alcuni ioni e alcune molecole però riescono a passare usando le proteine di trasporto.

Il contenuto cellulare racchiuso dalla membrana prende il nome di citoplasma ed è composto da una soluzione acquosa definita citosol, contenente gli enzimi e le molecole di RNA che li codificano, e da varie particelle in sospensione. Abbiamo organelli membranosi come i mitocondri e i cloroplasti, strutture sovramolecolari come i ribosomi (sede della sintesi proteica) e i proteasomi (sede della degradazione delle proteine).

Sono presenti anche altre piccole molecole organiche dette metaboliti e alcuni coenzimi, composti essenziali per molte reazioni catalizzate da enzimi e molti ioni inorganici.

Tutte le cellule possiedono almeno per una parte del loro ciclo vitale un nucleoide o nucleo in cui viene replicato e conservato il genoma completo insieme a tutte le proteine associate. Il nucleo degli eucarioti è racchiuso da una doppia membrana definito involucro nucleare. I procarioti invece sono sprovvisti di nucleo.

Domini della Vita: Batteri, Archaea ed Eucarioti

Gli organismi viventi derivano da tre distinti domini: batteri, archea e eucarioti. In particolare, i primi due sono costituiti da organismi unicellulari ma sono distinguibili: i batteri vivono nel terreno, sulla superficie dell'acqua e nei tessuti di altri organismi viventi o in decomposizione; molti archea, invece, vivono in condizioni estreme, in acque salate, sorgenti calde, paludi molto acide e nelle profondità degli oceani. Gli organismi eucariotici, inoltre, sono evolutivamente più vicini agli archea che ai batteri. Nei domini degli archea e dei batteri possiamo distinguere diversi sottogruppi distinguibili sulla base dei loro habitat:

• Habitat aerobici -> caratterizzati dall'abbondante disponibilità di ossigeno, alcuni organismi ottengono l'energia dal trasferimento degli elettroni dalle molecole combustibili all'ossigeno all'interno della cellula.
• Habitat anaerobici -> praticamente privi di ossigeno, per cui i microrganismi che vi si sono adattati ottengono energia dal trasferimento degli elettroni al nitrato, al solfato o alla CO2. Alcuni di questi organismi sono anaerobi obbligatori, i quali muoiono al contatto con l'ossigeno; altri, invece, sono anaerobi facoltativi, capaci di vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno.

Classificazione degli Organismi per Fonti Energetiche

Gli organismi si differenziano in base alle fonti di energia e ai precursori biosintetici; esistono due vaste categorie basate sulle fonti di energia:

• fototrofi -> assorbono e usano la luce solare; possono essere suddivisi in:

autotrofi -> organismi che ottengono tutto il carbonio di cui hanno bisogno dalla CO2; eterotrofi -> richiedono nutrienti organici.

• chemiotrofi -> traggono la loro energia dall'ossidazione dei combustibili chimici. Alcuni di essi, i litotrofi, ossidano combustibili inorganici (per esempio l'HS- in zolfo elementare).

Escherichia coli e Struttura Batterica

Il batterio più studiato è l'Escherichia coli: è un ospite non patogeno del tratto intestinale dell'uomo, ha una forma ovoidale, possiede una membrana esterna protettiva e una membrana plasmatica interna che racchiude il citoplasma e il nucleoide. Tra la membrana esterna e la membrana interna c'è uno strato sottile e resistente di un polimero, il peptidoglicano, che conferisce alla cellula la sua forma e rigidità. La membrana plasmatica e gli strati più esterni costituiscono l'involucro cellulare. Le membrane plasmatiche dei batteri sono formate da un sottile doppio strato lipidico in cui sono immerse le proteine.

I batteri si suddividono in:

• Gram-positivi -> vengono colorati dalla soluzione di Gram e hanno uno spesso strato di peptidoglicani all'esterno della membrana plasmatica, ma non hanno una membrana esterna.
• Gram-negativi -> hanno una membrana costituita da un doppio strato lipidico in cui sono inseriti anche i lipopolisaccaridi complessi e proteine, chiamate porine, che costituiscono dei canali transmembrana che permettono ai composti a basso peso molecolare e agli ioni di diffondere attraverso questa membrana esterna.

Il nucleoide presente all'interno dei batteri contiene una singola molecola circolare di DNA e il citoplasma contiene uno o più segmenti circolari di DNA di piccole dimensioni, chiamati plasmidi. In natura, essi conferiscono resistenza alle tossine e agli antibiotici presenti nell'ambiente.

Le cellule eucariotiche, invece, hanno dimensioni più grandi e caratteri distintivi che li diversifica dai procarioti, che sono il nucleo e i vari organelli circondati da membrana, con funzioni specializzate. La membrana cellulare ha una capacità molto importante di selezione.