CHIMICA E BIOCHIMICA
La biochimica è lo studio della chimica della vita, un
ponte fra la biologia e la chimica che studia le reazioni
chimiche complesse dei sistemi viventi.
Originariamente si credeva che la vita non fosse soggetta
alle normali leggi della chimica.
Si pensava che soltanto gli esseri viventi potessero produrre
le molecole della vita (da altre biomolecole preesistenti).
Verso la fine del Settecento si stabilirono i principi di base
della biochimica, grazie alle ricerche di Lavoisier e di
Spallanzani sulla respirazione degli organismi viventi.
CHIMICA E BIOCHIMICA
BIOCHIMICA = CHIMICA DEI SISTEMI COMPLESSI
SEZIONARE I SISTEMI COMPLESSI E
STUDIARNE LE SINGOLE PARTI
APPROCCIO RIDUZIONISICO = STUDIARE LE PROPRIETA’
LOCALI
STUDIARE I SISTEMI COMPLESSI NELLA LORO
INTEGRITA’
APPROCCIO OLISTICO = STUDIARE LE PROPRIETA’ GLOBALI
Approccio riduzionistico
Utile per studiare proprietà locali
Approccio olistico
Utile per studiare proprietà globali
La biochimica è una disciplina
tesa tra approccio
riduzionistico e olistico
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Approccio riduzionistico
Approccio olistico
sono incociliabili?
L’approccio riduzionistico:
Cartesio: “…una completamente nuova scienza in grado di
risolvere in generale tutti i problemi di quantità continue e
discontinue…” 1619 lettera ad Isaac Beckman
È alla base del metodo analitico che è caratteristica essenziale
della scienza moderna
I sistemi viventi sono comparati ad atomi intelligenti, la cui
auto-organizzazione e funzionamento dipende e può essere
dedotto delle proprietà dei loro costituenti
“Gli organismi viventi sono macchine chimiche, che
posseggono la peculiarità di preservarsi e riprodursi”
Jacques Loeb 1912 “Concezione meccanicistica della vita”
Critica all’approccio riduzionistico:
“Particelle materiali isolate sono astrazioni,
le loro proprietà definibili ed osservabili
soltanto attraverso le loro interazioni con
altri sistemi”
Bohr 1934 “Atomic Theory and the
description of Nature”
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….verso un approccio olistico:
“ Sulla base di investigazioni strettamente empiriche, che
invertendo la nostra precedente dissezione analitica
dell’universo mettendo insieme di nuovo i pezzi, non si può
avere una completa spiegazione del funzionamento neppure
del più semplice sistema vivente “
Paul Weiss 1973 “The Science of Life”
Nello studio di sistemi biologici il dominante
approccio riduzionista viene integrato in uno olistico
“Quando i ricercatori riducono un tutto integrato agli
elementi fondamentali siano esse cellule, geni, o
particelle elementari e tentano di spiegare il loro
funzionamento in termini di caratteristiche degli elementi
costituenti separati, si perde la possibilità di
comprendere le attività di auto-organizzazione
dell’intero sistema, ovvero le proprietà peculiari dei
sistemi complessi come quelli biologici”
Filippo Conti in “ Dall’approccio riduzionistico a quello olistico nello studio dei sistemi
biologici ”
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IL METABOLISMO
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METABOLISMO
•
Il metabolismo (dal greco cambiamento) è
il complesso delle reazioni chimiche e
fisiche che avvengono in un organismo
vivente per mantenerlo in vita
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Metabolismo
•
Gli organismi viventi devono rispettare le leggi della termodinamica
•
Le leggi della termodinamica descrivono le regole del trasferimento di
calore e lavoro (energia)
•
La seconda legge della termodinamica dice che:
in ogni sistema chiuso (confinato) la quantità di entropia (disordine)
tende ad aumentare
( da cui il famoso enunciato l’entropia dell’universo è in costante
aumento).
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Metabolismo
•
Apparentemente la straordinaria complessità degli organismi
viventi sembra contraddire questa legge
•
La vita è possibile poichè gli organismi viventi sono dei
sistemi aperti
•
Perciò i sistemi viventi non sono all’equilibrio (termodinamico)
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Metabolismo
•
Gli organismi viventi sono dei sistemi dissipativi
•
Essi mantengono il loro stato di alta complessità e
organizzazzione (bassa entropia) causando un
grande aumento di entropia dell’ambiente
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Metabolismo
•
Il metabolismo cellulare raggiunge questo
obiettivo accoppiando i processi spontanei del
catabolismo ai processi non spontanei
dell’anabolismo
•
Da un punto di vista termodinamico, il
metabolismo mantiene l’ordine creando il
disordine
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Metabolismo
•
Processi spontanei: esoergonici
DG << 0
•
DS
Processi non spontanei: endoergonici
DG > 0
DS
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GLI ORGANISMI VIVENTI
OPERANO TRASFORMAZIONI DI VARIE FORME DI ENERGIA
ENERGIA RADIANTE
cloroplasti
ENERGIA CHIMICA
(tessuti vegetali)
=
ENERGIA CHIMICA (alimenti)
mitocondri
ATP
(conservazione di energia chimica)
enzimi cellulari
ENERGIA
CHIMICA
(tessuti animali)
membrane
ENERGIA
OSMOTICA
(trasporto)
fibre muscolari
ENERGIA
MECCANICA
(contrazione)
L’aumento di ordine (diminuzione di entropia) che si verifica nella sintesi
delle biomolecole è “pagato” da energia proveniente dall’esterno, trasformata
in energia di legame chimico (ATP) e utilizzata in vari modi
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Metabolismo
Il metabolismo è l’insieme delle migliaia di reazioni chimiche che
avvengono in tutte le cellule.
Le reazioni chimiche che compongono il metabolismo sono organizzate
nelle cosiddette:
VIE METABOLICHE
in cui le molecole sono trasformate attraverso una serie di reazioni
chimiche in altre molecole per mezzo dell’azione sequenziale di enzimi.
Ogni reazione chimica rappresenta uno stadio metabolico ( o“step”
metabolico)
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Metabolismo
Il metabolismo si divide in tre insiemi di processi:
anabolismo, che produce molecole complesse a partire da molecole più
semplici utili alla cellula;
metabolismo energetico, che comporta il recupero dell'energia producendo
molecole di ATP;
catabolismo, che comporta la degradazione di molecole complesse in
molecole più semplici e produce energia
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Metabolismo
I processi anabolici sono endoergonici e richiedono dunque energia.
I processi catabolici sono invece esoergonici:
l'energia liberata è conservata nella cellula e trasferita alle reazioni anaboliche.
Questo avviene tramite molecole trasportatrici (carrier) ad alta energia
come l'ATP (NADH, NADPH, FADH2)
I processi metabolici che contengono una componente anabolica ed una catabolica
sono detti talvolta anfibolici.
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IL METABOLISMO INTERMEDIO
I reagenti, denominati metaboliti, si trasformano lungo vie metaboliche lineari
o cicliche, costituite da sequenze ordinate di reazioni il cui “traffico” è diretto
dagli enzimi.
Si parla normalmente di metabolismo intermedio poiché vi sono vie
metaboliche centrali, comuni alla maggior parte degli organismi adibite
alla degradazione e trasformazione dei metaboliti
alla conservazione dell’energia
alla sintesi dei metaboliti
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IL METABOLISMO COMPRENDE
Vie cataboliche
insieme delle reazioni di demolizione che liberano l’energia potenziale dei
legami chimici delle molecole coinvolte
Vie anaboliche
insieme delle reazioni di biosintesi di molecole a partire da precursori derivati,
nella maggior parte dei casi, dalle fasi del catabolismo.
Il metabolismo secondario, non per importanza, riguarda la biosintesi di
molecole speciali quali ad esempio i coenzimi di derivazione vitaminica
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LE VIE CATABOLICHE PRINCIPALI
PROTEINE
AMINOACIDI
POLISACCARIDI
GLUCOSO
TRIGLICERIDI
GLICEROLO
ACIDI GRASSI
PIRUVATO
CITOSOL
ACETIL-CoA
MITOCONDRIO
OSSIGENO
CICLO DI KREBS
CATENA
RESPIRATORIA
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LE VIE CATABOLICHE
PRINCIPALI
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LE VIE ANABOLICHE
PRINCIPALI
PROTEINE
AMINOACIDI
POLISACCARIDI
GLUCOSO
LIPIDI
GLICEROLO
ACIDI GRASSI
COLESTEROLO
PIRUVATO
PORFIRINE
MITOCONDRIO
ACETIL-CoA
CITOSOL
CORPI
CHETONICI
CICLO DI KREBS
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UNA MAPPA METABOLICA
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Regolazione metabolica
La regolazione dei cicli metabolici avviene per azione degli
ormoni
L’effetto degli ormoni si esplica su un numero limitato di
proteine: prevalentemente proteine di regolazione
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Regolazione metabolica
Nelle vie metaboliche esistono poche reazioni irreversibili
con DG << 0
Queste costituiscono le cosiddette tappe limitanti
La regolazione degli enzimi che catalizzano le reazioni delle
tappe limitanti risulta in un effetto sull’intera via metabolica
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Regolazione metabolica
La regolazione enzimatica può avvenire per
alterazione :
- della attività catalitica (veloce)
- della concentrazione dell’enzima (lenta)
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Regolazione metabolica
Alterazione della attività catalitica:
interazioni non covalenti: allosterismo
interazioni covalenti: fosforilazione, metilazione
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Regolazione metabolica
L’alterazione della concentrazione dell’enzima avviene
tramite:
modificazione dell’espressione genica
Iper-espressione (up-regulation): aumento concentrazione
Ipoespressione (down-regulation): diminuzione concentrazione
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