BIOCHIMICA

BIOCHIMICA (chimica biologica, X, p. 110; App. II, 1, p. 578)

Comprende tutti gli approcci molecolari alla biologia: composizione e trasformazioni molecolari negli organismi, basi molecolari del rifornimento di energia per l'attività cellulare (fotosintesi, fosforilazione fotosintetica e ossidativa, degradazione anaerobia di substrati, composti altoenergetici); processi catabolici per l'eliminazione di costituenti degli organismi; formazione e utilizzo di sostanze di deposito e strutturali; fenomeni biosintetici che dànno origine ai sistemi autoreplicanti responsabili del trasferimento d'informazione (acidi nucleici: v. nucleoproteidi, App. III, 11, p. 285 e in questa App.) e autoassemblanti (proteine oligomeriche, membrane); processi catalitici (v. enzimi, XIV, p. 44; App. II, 1, p. 856; III, 1, p. 558, e in questa App.) che amplificano l'informazione e segnali molecolari che sottendono e modulano le sequenze d'interazioni tra molecole, strutture supramolecolari (membrane, organelli), cellule e organismi.

Pertanto la b., in quanto "chimica", è una scienza d'interazioni tra molecole, mentre il prefisso "bio" sta a indicare che suo problema specifico è la vita; quindi una chimica particolare che differisce dall'oggetto usuale degli studi di chimica e si occupa invece delle interrelazioni e autoassemblaggio di molecole, della loro genesi plastica e dell'alto contenuto d'informazione che molte di esse portano.

Flusso di materia e di energia e regolazione della catalisi enzimatica mantengono uno stato stazionario, interpretabile secondo la termodinamica dei sistemi dissipativi, conforme alle condizioni esterne. La mutabilità del patrimonio informativo (sequenza delle basi puriniche e pirimidiniche) nella molecola dell'acido desossiribonucleico (DNA) e la selezione, tra le alternative disponibili, dell'informazione più adatta, selezione che si esplica nel confronto con l'ambiente, consentono ai sistemi di evolvere in concordanza con le modificazioni ambientali. Lo sviluppo della conoscenza biochimica comprovando queste acquisizioni fondamentali, ha affermato una forma altamente documentata di riduzionismo, in opposizione al riduzionismo ingenuo di Paracelso, di van Helmont, di Descartes, di T. Schwann. Nella sua prospettiva si dimostra che le trasformazioni di energia negli organismi sul piano cellulare avvengono a livello delle molecole in una rete complessa di eventi molecolari che genera sorgenti di energia libera: reazioni cataboliche, sintesi accoppiata di composti altoenergetici, soprattutto adenosintrifosfato (ATP), e utilizzazione di questi in reazioni anaboliche (biosintesi: v. metabolismo, XXX, p. 17; App. II, 11, p. 293; III, 11, p. 68; e in questa App.). Le sequenze di azioni che presiedono alle trasformazioni di energia a livello molecolare sono così chiarite criticamente. Analogamente, si riconosce che sono basati su interazioni molecolari anche i concetti biologici di eredità, sviluppo ed evoluzione, e i concetti fisiologici di funzioni dell'organismo. La teoria della vita per la b. moderna, è una teoria molecolare: in questo senso la b. è una scienza meccanicista. In quanto copre tutti gli aspetti molecolari della biologia, la b. diventa sempre più la scienza della vita, mentre le varie branche della biologia si qualificano come scienze dei sistemi viventi.

Con l'estendersi delle conoscenze sulle molecole e le strutture supramolecolari - acidi nucleici, proteine, membrane - che più immediatamente sono vettrici dei fenomeni caratteristici della vita, si è cercato di differenziare quest'area della b. come "biologia molecolare". Fintanto che l'oggetto di studio è considerato nella sua individualità molecolare e le sue proprietà vengono investigate quali espressioni della sua struttura chimica, la distinzione risulta artificiosa ed è stata sostanzialmente e autorevolmente negata: sicché si raccomanda di usare la terminologia "biologia a livello molecolare" quando l'approccio ai medesimi oggetti è precipuamente biologico. D'altra parte, nella fase analitica dell'indagine biochimica sempre più le metodiche e le interpretazioni adottate appaiono comuni alla chimica fisica e alla chimica organica. Nondimeno, se le caratteristiche dell'oggetto di studio sono considerate nella prospettiva del loro esplicitarsi nel fenomeno biologico, rimaniamo nell'area della chimica biologica.

Molti chimici hanno contribuito allo sviluppo degli studi sul metabolismo con sintesi di composti adatti alla sperimentazione, chiarendo la chimica di tappe metaboliche intermedie, proponendo modelli chimici. Hanno grandemente aiutato il progresso della b. metodi fisici quali: polarografia, spettroscopia, spettrofotometria, spettroscopia di risonanza magnetica, spettropolarimetria, fluorimetria, ultracentrifugazione, centrifugazione differenziale, elettroforesi, microscopia elettronica, isotopi, cristallografia ai raggi X, spettrometria di massa, ecc., metodi genetici come l'uso di mutanti microbici adatti, o lo studio di "errori congeniti" del metabolismo, metodi fisiologici come la preparazione di animali appositamente trattati, metodi immunologici. Tuttavia, tagliati i vincoli di sudditanza alla fisiologia o alla chimica per la b. è stata determinante l'attitudine mentale, ecclettica negli approcci, univoca nella finalità: chiarire a livello molecolare il fenomeno biologico. La b., talora considerata un capitolo della chimica o della chimica applicata, si distingue per questa sua attitudine mentale. In realtà la chimica classica non offriva metodi adatti per affrontare i problemi specifici della b.: anzi molte delle tecniche che sono armamentario tipico del chimico moderno si sono sviluppate su problemi inizialmente posti dalla biochimica.

Sviluppo storico. - I primi studi che ora potremmo denominare biochimici si svilupparono nella seconda metà del 18° secolo: si distinguono due tipi di approccio: strutturistico e dinamico.

La linea strutturistica iniziò con K. Scheele che indagò la composizione chimica di tessuti vegetali e animali isolando un buon numero di composti naturali. La composizione di questi, e la presenza ubiquitaria in essi di carbonio, vennero stabilite nei decenni successivi grazie alle tecniche analitiche sviluppate nei laboratori di J. Berzelius e di J. Liebig. Della prima metà del 19° secolo sono le prime sintesi di composti organici, effettuate da F. Wöhler, A. Kolbe e M. Berthelot. Negli anni seguenti la chimica dei lipidi fece notevoli progressi grazie a M. Chevreul. Le ricerche sulla struttura di carboidrati, amminoacidi e grassi ebbero il loro definitivo assetto in senso moderno tra la fine del 19° e l'inizio del 20° secolo nel laboratorio di E. Fisches. Nel 19° secolo ha inizio anche il lavoro d'isolamento e caratterizzazione di composti macromolecolari di origine biologica. G. J. Mulder, J. Liebig, P. Schützenberger e lo stesso Fischer rivolsero il loro interesse alle proteine; gli acidi nucleici vennero scoperti da F. Miescher nel 1868.

Gli aspetti dinamici, oggi diremmo metabolici, furono inizialmente studiati soprattutto come risultato d'interessi a problemi di medicina o di agricoltura. Ricordiamo le ricerche di A. Lavoisier sulla respirazione (1779-1784) che portarono a rapportare la respirazione a una lenta combustione, da cui il successivo interesse sugli equivalenti calorici di carboidrati, grassi e proteine e sul metabolismo energetico. Ulteriore impulso si ebbe nello stesso periodo dagli studi di T. Schwann sulla fermentazione: tramite il lavoro monumentale di L. Pasteur questa linea d'interessi portò alla dimostrazione da parte di E. Buchner, nel 1897, della fermentazione di zuccheri ad opera di estratti acellulari di lievito. Altri avvii da ricordare sono gli studi di H. de Saussure sulla fotosintesi e la fissazione di anidride carbonica nelle piante, e quelli sulla digestione di L. Spallanzani, R. de Réaumur, W. Beaumont e C. Bernard. Una delle conclusioni più importanti che si delineò in questa era fu la fondamentale unità della natura a livello biochimico.

La b. ha avuto il suo sviluppo impetuoso nel nostro secolo, con risultati spettacolari in numerosissimi campi. È caratteristica di questo sviluppo l'interazione reciproca e la fecondazione incrociata di settori apparentemente distanti tra loro.

In campo medico si svilupparono gli studi sui fattori nutrizionali sconosciuti, cause di malattie da deficienza, che portarono all'identificazione delle vitamine e del loro ruolo metabolico: essi sono indissolubilmente legati ai nomi di F. Gowland Hopkins, S. M. Babcook, E. V. Mac Collum, A. Szent-Gyorgyi, H. Steenbock, C. A. Elvehjem. O. H. Warburg, delucidando la struttura di alcuni cofattori essenziali per il processo di fermentazione - coenzimi, forme metabolicamente attive delle vitamine - rappresenta il collegamento tra le linee d'interesse ora menzionate e quelle scaturite dal lavoro di Buchner, che nel frattempo avevano portato a chiarire ad opera di A. Harden e B. L. Young, L. Embden, O. Meyerhof, le sequenze metaboliche della fermentazione degli zuccheri. Seguí il lavoro magistrale di H. Krebs sul metabolismo ossidativo dei carboidrati (ciclo degli acidi tricarbossilici), e gli sviluppi di altre aree del metabolismo intermedio ottenuti nei laboratori di D. E. Green, F. Lynen, L. Leloir, K. Bloch e altri. Le ricerche sulla base molecolare dei fenomeni energetici presero il loro avvio definitivo grazie al lavoro di I. Engelhardt, F. Lippman, D. I. Arnon e M. Calvin.

La cristallizzazione dell'ureasi effettuata da J. B. Summer nel 1926 e la purificazione di altri enzimi ottenuta da J. H. Northrup e Kunitz negli anni successivi, iniziarono un trentennio di attività che portò a delucidare la struttura delle proteine (v. proteine, App. II, 11, p. 621 e in questa App.); in tale settore operarono, tra l'altro, v. du Vigneaud, F. Sanger, W. H. Stein, S. Moore, M. F. Perutz, J. C. Kendrew. Le ricerche di E. Chargaff, J. D. Watson, F. H. C. Crick, M. H. F. Wilkins, condussero a formulare la struttura dell'acido desossiribonucleico, con tutti i successivi sviluppi nel campo della genetica molecolare e della biosintesi proteica (H. G. Khorana, A. Kornberg, S. Ochoa).

Interessi attuali. - Nei primi decenni del secolo, tema centrale della b. fu il metabolismo intermedio, cioè lo studio delle vie di sintesi e di degradazione dei costituenti degli organismi viventi. Ora gl'interessi predominanti nella ricerca di base in b., sono indirizzati alle seguenti aree:

1) struttura e chimico-fisica delle macromolecole biologiche, principalmente proteine e acidi nucleici; 2) chimica della catalisi enzimatica: meccanismo della catalisi, regolazione dell'enzima; 3) biomembrane: organizzazione, funzione e formazione; 4) bioenergetica: sistemi energizzanti e accoppiamento delle reazioni nei mitocondri, nei cloroplasti e nei batteri; 5) metabolismi intermedi: integrazione e regolazione; 6) meccanismi cellulari di controllo; 7) organizzazione molecolare ed espressione del genoma; 8) meccanismi molecolari della proliferazione cellulare e del differenziamento; 9) aspetti molecolari dei fenomeni immunitari; 10) neurochimica: acidi nucleici nel sistema nervoso, neuroproteine, trasmettitori, neuromembrane, neuroendocrinologia.

Una propria individualità, per quanto si specializzino nelle singole linee ora citate, hanno gli studi sulla base molecolare di fenomeni fisiologici quali la contrazione muscolare, la conduzione nervosa, il trasporto attraverso membrane. Notevole impulso hanno studi sull'evoluzione molecolare e l'origine della vita che forniscono a questi problemi biologici generali un determinante apporto di evidenza sperimentale.

Aspetti applicativi. - Le acquisizioni della ricerca di base biochimica sono oggi sufficientemente avanzate per consentire l'applicazione a problematiche di altre discipline che da tale innesto hanno avuto un'evoluzione determinante. Con enfasi diversa sull'aspetto conoscitivo o su quello applicativo, esse vengono impiegate per risolvere problemi medici - patologia, diagnostica e terapia - problemi di meccanismo di azione di farmaci in senso lato, di nutrizione, di agricoltura, di disinfestazione. Si sono così specializzate: b. patologica, b. clinica, endicronologia molecolare, farmacologia molecolare, b. della nutrizione, b. vegetale, b. degl'insetti.

L'area d'intervento a livello industriale si è notevolmente ampliata rispetto agl'iniziali interessi dell'industria delle fermentazioni, ed è uno dei campi più promettenti di sviluppo di nuove tecnologie. Tra i settori economicamente più importanti sono: i numerosi aspetti dell'industria fermentativa (bevande alcooliche, antibiotici, composti organici), le trasformazioni di carboidrati e lipidi per uso alimentare, la produzione di proteine e di altri prodotti alimentari pregiati da fonti non convenzionali, il biodeterioramento di prodotti di origine biologica (alimentari o altro), la biodegradazione di pesticidi agricoli e di altri composti di vario significato, il disinquinamento e possibile riciclaggio di scarti agricoli o industriali. Ricco di prospettive è l'impiego di enzimi immobilizzati che rende possibile realizzare trasformazioni estremamente specifiche in condizioni blande. Vaste, anche in campo industriale, sono le applicazioni analitiche. La confluenza di competenze biochimiche con quelle di chimica industriale e di impiantistica ha dato origine a un'importante specializzazione: l'ingegneria biochimica.

Istituzioni didattiche e di ricerca. - La b., chiaramente, è una disciplina essenziale per la preparazione di laureati professionalmente indirizzati a problemi medici, di ricerca biologica o chimica, e a tecnologie dirette a trasformare materiale biologico. Molti paesi ne fanno il principale insegnamento chimico per studenti in medicina. Essa viene insegnata a livello undergraduate in Europa e in quasi tutte le università americane. Alcune università statunitensi la svolgono solo nei corsi postgraduate. In Italia essa è materia d'insegnamento per le lauree in medicina, scienze biologiche, chimica, farmacia, scienze agrarie, medicina veterinaria, scienza delle preparazioni alimentari.

La ricerca biochimica viene svolta in gran parte in istituzioni universitarie aventi anche compiti didattici. Esistono, specie all'estero, istituti pubblici e privati che non hanno doveri d'insegnamento. Parte cospicua della ricerca applicativa è svolta in laboratori industriali.

Aspetti organizzativi. - La massima organizzazione di b., a livello internazionale, è l'Unione Internazionale di Biochimica (IUB, 1955), aderente all'ICSU. Essa è composta da rappresentanze nominate dagli organi scientifici di ogni stato - in Italia il CNR - e si propone di coordinare le attività e la cooperazione internazionali nella ricerca, discussione, stampa biochimica, di promuovere la standardizzazione di metodi, nomenclatura e simboli, e ogni altra attività che richieda rapporti internazionali. Organizza riunioni ristrette e ogni tre anni un congresso internazionale. In vari continenti esistono organizzazioni regionali che raggruppano le varie società nazionali: la Federazione delle Società Biochimiche Europee (FEBS, 1964) con 25 membri, la Federazione Panamericana (PAABS, 1970) e quella Asiatica e Oceanica (FAOB, 1972). In Italia dal 1951 opera la Società Italiana di Biochimica (circa 350 membri).

Bibl.: Data for biochemical research, a cura di R. M. C. Dawson, D. C. Elliott, W. H. Elliott, K. M. Jones, Oxford 1969²; M. O. Dayhoff, R. V. Eck, Atlas of protein sequence and structure, Silver Spring (Maryland) 1969, 5 voll., più un supplemento del 1973; Handbook of biochemistry and molecular biology, a cura di G. D. Fasman, The Chemical Rubber Co. 1976³, 8 voll.; H. R. Mahler, E. R. Cordes, Biological Chemistry, Londra 1971²; Comprehensive Biochemistry, a cura di M. Florkin e E. H. Stotz, New York 1975, 31 voll., altri in preparazione; A. L. Lehninger, Biochemistry, Worth Publ., ivi 1975²; Methods in enzymology, a cura di S. P. Colowick, N. O. Kaplan, New York, 31 voll. (1975).