Introduzione alla Biochimica (superiori)

La Biochimica o Chimica Biologica è lo studio della chimica della vita, un ponte fra la biologia e la chimica che studia le reazioni chimiche complesse che danno origine alla vita: oggetto di studio sono la struttura e le trasformazioni dei componenti delle cellule, come proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici e altre biomolecole.

Sebbene vi sia un grande numero di diverse biomolecole, sono tutte essenzialmente composte dagli stessi costituenti di base (genericamente chiamati monomeri), posizionati in ordini diversi. Ogni classe di biomolecole ha un set di differenti subunità. Recentemente, la biochimica si è concentrata specificamente sulla catalisi di reazioni da parte degli enzimi e sulle proprietà delle proteine.

La biochimica del metabolismo cellulare e del sistema endocrino è già stata ampiamente descritta. Altre aree della biochimica includono lo studio del codice genetico (DNA, RNA), la sintesi proteica, il meccanismo di trasporto della membrana cellulare e la trasduzione del segnale.

Sviluppo della biochimica

Originariamente si credeva che la vita non fosse soggetta alle normali leggi della chimica, contrariamente agli oggetti inanimati. Si pensava che soltanto gli esseri viventi potessero produrre le molecole della vita (da altre biomolecole preesistenti). Ma già verso la fine del Settecento si stabilirono i principi di partenza della biochimica, grazie alle ricerche di Lavoisier e di Spallanzani sulla respirazione degli organismi viventi.

Nel 1828, Friedrich Wöhler pubblicò una ricerca sulla sintesi dell'urea, provando che i composti organici possono essere creati artificialmente, seguito pochi anni dopo dalle analisi e sintesi di Justus von Liebig che consentirono le prime applicazioni pratiche della nuova disciplina, tra le quali la fertilizzazione con concimi inorganici.

L'alba della biochimica può essere considerata la scoperta del primo enzima, la diastasi, nel 1833, da parte di Anselme Payen. Nonostante il termine "biochimica" sembri essere stato usato per la prima volta nel 1881 (la parola chimica biologica invece risale al 1826 ed è attribuibile a Huenefeld), è generalmente accettato che la parola sia stata coniata formalmente nel 1903 da Carl Neuber, un chimico tedesco. Da allora la biochimica ha fatto grandi passi in avanti, specialmente a partire dalla metà del XX secolo, con lo sviluppo di tecniche come la cromatografia, la diffrattometria a raggi X, la spettroscopia NMR e simulazioni delle dinamiche molecolari. Queste tecniche permisero la scoperta e l'analisi dettagliata di numerose molecole e delle sequenze metaboliche delle cellule, come la glicolisi ed il Ciclo di Krebs (o ciclo dell'acido citrico).

Al giorno d'oggi le scoperte della biochimica vengono applicate in molte aree, dalla genetica alla biologia molecolare, dall'agricoltura alla medicina.

Relazioni con altre scienze biologiche a scala molecolare

Relazione tra biologia molecolare, genetica e biochimica in un'accezione classica dei relativi campi di studio

I ricercatori in biochimica utilizzano tecniche di ricerca originali, ma combinano sempre più queste nuove tecniche con altre prese in prestito dalla genetica, dalla biologia molecolare e dalla biofisica. Non è mai esistita una precisa linea di demarcazione tra queste discipline in termini di tecniche e contenuti, ma i membri di ognuna di esse sono stati in passato molto "territoriali". Al giorno d'oggi i termini biologia molecolare e biochimica sono praticamente intercambiabili. L'immagine seguente è uno schema che illustra le possibili relazioni tra queste discipline.

• La biochimica è lo studio delle sostanze chimiche e dei processi vitali degli organismi viventi.
• La genetica è lo studio dell'effetto delle differenze genetiche sugli organismi, che spesso possono essere causate dall'assenza di un normale componente (ad esempio un gene); lo studio degli organismi mutanti, mancanti di uno o più componenti funzionali, con riferimento al cosiddetto "wild-type" o al normale fenotipo.
• La biologia molecolare è lo studio dei sostegni molecolari del processo di replicazione, trascrizione e traduzione del materiale genetico. Il dogma centrale della biologia molecolare, secondo cui il materiale genetico è trascritto nell'RNA e poi tradotto in proteine, oltre ad essere un modello molto semplificato, può ancora essere considerato un buon punto di partenza per la comprensione in questo campo di indagine. Questo modello, comunque, è in via di revisione, alla luce di nuovi ruoli riguardanti l'RNA.
• La biologia chimica punta a sviluppare nuovi strumenti basati su piccole molecole che permettono di raccogliere dettagliate informazioni sui sistemi biologici provocando loro minime perturbazioni. Infine la biologia chimica impiega sistemi biologici per creare ibridi artificiali tre biomolecole ed elementi sintetici (ad esempio capsidi virali svuotati che possono diventare vettori per terapie geniche o altri medicinali).

Metodologie biochimiche

Nell'ultimo ventennio ha assunto sempre maggiore importanza l'analisi chimico-fisica delle biomolecole, con particolare accento alla loro struttura al fine di correlare quest'ultima alla funzione delle molecole stesse. In particolare, tre tecniche sono utilizzate con questi fini:

• Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare
• Diffrattometria a raggi X
• Spettrometria di massa

È sempre crescente, inoltre, l'interesse verso studi computazionali/statistici di biomolecole attraverso tre importanti metodologie computazionali:

• Dinamica molecolare
• Meccanica quantistica
• Bioinformatica