Prima lezione di biologia

Edoardo Boncinelli

• Editore: Editori Laterza
• Anno: 2011
• eBook ISBN: 9788858101810
• Argomento: Storia
• Categoria: Storia della scienza

Cos'è un essere vivente e cos'è quell'eccezionale esperimento naturale, quel regno del possibile che noi chiamiamo vita: lo stato delle conoscenze biologiche nelle parole di uno scienziato che ha la passione della divulgazione.«La fusione fra tante conoscenze ed esperienze, condita da un franco temperamento artistico riesce nello scopo di creare una miscela gradevolmente inebriante: un gioiellino». Aldo Fasolo, «La Stampa»

Le macromolecole

Le molecole della vita

Anche se la prima piena estrinsecazione dello specifico biologico si ha a livello della cellula, qualcosa di tipico della natura vivente si osserva già al livello dei suoi costituenti molecolari. La parola chiave in questo ­contesto è macromolecole. In prima battuta, una macromolecola è una molecola grande, o meglio, lunga. In greco infatti makròs significa lungo. Non è però una questione di dimensioni, bensì di composizione: l’essenza specifica delle macromolecole organiche è quella di essere costituite da un certo numero di unità elementari legate fra di loro in modo da formare una catena lineare. Le proteine, gli acidi nucleici e in certa misura anche gli zuccheri e i grassi, cioè tutti i costituenti fondamentali del corpo degli esseri viventi, hanno la struttura di sequenze più o meno lunghe di elementi ripetuti. Questi elementi si chiamano rispettivamente aminoacidi, nucleotidi, zuccheri e grassi monomerici. Dal punto di vista fisico e chimico, le macromolecole organiche non hanno niente di diverso da tutte le altre, ma la loro composizione ricorda quella di una frase, articolata com’è in una successione di lettere prese da un alfabeto più o meno ampio e avente significati diversi per ogni ­diversa dispo­sizione delle lettere stesse. «Parto» e «porta» hanno due significati diversi, così come «Aldo ama Carla» e «Carla ama Aldo», anche se sono costituite dalle stesse lettere. Così una macromolecola del tipo ACCBAD... è assai diversa da una macromolecola del tipo ABADCC... Non è chiaro se la vita avrebbe potuto esistere anche utilizzando molecole di natura diversa, ma certamente questa loro caratteristica sembra di fondamentale importanza per le proteine e ancor più per il DNA.

Questa caratteristica giustifica e sottende la grande varietà di tali molecole, condizione essenziale per la loro altissima specificità. Per quanto concerne la loro sintesi poi, la natura modulare assicura una grande facilità di montaggio e rimontaggio. Le unità elementari di cui sono costituite sono sempre disponibili all’interno della cellula e devono solo essere messe di volta in volta in un certo ordine e collegate fra di loro. Se consideriamo ad esempio una proteina, si vede che non è necessario stabilire in tutti i dettagli la sua struttura complessiva, ma è sufficiente dettare l’ordine nel quale si devono succedere gli aminoacidi che la compongono. Poiché gli aminoacidi sono solo di 20 tipi, specificare l’ordine nel quale compare ciascuno dei 300 o 400 aminoacidi che compongono una data proteina non è molto diverso dallo scrivere una frase della lingua italiana composta di 300 o 400 lettere dell’alfabeto. La composizione di una proteina, come di ogni altra macromolecola organica, può essere codificata nell’ambito del genoma, proprio come se si trattasse di una frase. Ogni volta che serve, questa frase deve venire ricopiata e successivamente letta, per ricavarne il messaggio funzionale. Una volta ancora la vita appare indissolubilmente associata alla modularità: ogni macromolecola viene montata a partire da moduli elementari preesistenti a essa. Ma c’è di più. In questo caso la modularità implica direttamen­te l’esistenza di un processo di codificazione, intendendo con questo termine la specificazione di una successione ordinata di elementi costituenti singoli, scelti ed estratti di volta in volta a partire da un repertorio fisso e discreto. La struttura modulare delle macromolecole organiche implica quindi necessariamente la codificazione come forma di progettazione e di conservazione del progetto.

Le proteine

Le proteine sono i componenti chimici essenziali del nostro corpo. Potremmo anche dire che noi siamo le nostre proteine. Le proteine formano infatti la maggior parte delle nostre strutture e compiono le funzioni più vitali. Anche ciò che mangiamo – la carne, il pesce, la verdura e la frutta – è costituito sostanzialmente di proteine. Non è un caso quindi che esse abbiano ricevuto questo nome, che deriva dalla parola protos, che in greco significa primo, principale, più importante. Le proteine che costituiscono il nostro corpo hanno molteplici ruoli, ma possono essere distinte in tre grandi categorie: quelle con una funzione strutturale, quelle con una funzione enzimatica e quelle con una funzione di regolazione dell’attività genica. Le prime costituiscono la massa del nostro corpo, quelle appartenenti alle altre due categorie rappresentano la base del suo metabolismo e del suo funzionamento.

Le proteine strutturali costituiscono la massa dei muscoli, dei tendini, delle cartilagini e di tutte le altre parti del corpo degli animali, nonché del tronco, delle radici e delle foglie delle piante. Sono le strutture portanti del nostro essere e i costituenti fondamentali di ogni singola cellula. Ma si presentano un po’ come materiale da costruzione, anche se di qualità pregiata e spesso insostituibile. Sono infatti le proteine a funzione enzimatica, cioè gli enzimi, le entità essenziali e più caratteristiche delle funzioni vitali. Nel nostro corpo avvengono quotidianamente miriadi di reazioni chimiche o, se si preferisce, biochimiche, che sostengono e incarnano i nostri processi vitali e sono gli enzimi e solo gli enzimi che le regolano e le rendono possibili.

Una reazione chimica, o biochimica, è un processo che porta alla formazione di due (o più) molecole, dette prodotti finali, a partire da altre due (o più) molecole di partenza, dette reagenti o prodotti iniziali o anche spesso substrato. La reazione può essere semplicissima, come il trasferimento di un atomo di idrogeno da una molecola a un’altra; meno semplice, come il trasferimento di un gruppo fosfato da una molecola a un’altra; o relativamente complessa come la saldatura permanente di due aminoacidi posti l’uno vicino all’altro. Nella prima di queste reazioni, che si può simboleggiare come A + BH —> AH + B, le molecole A e BH rappresentano il substrato o prodotti iniziali e le molecole AH e B i prodotti finali.

Ovviamente la reazione avviene soltanto se le leggi della chimica lo permettono. Ma queste in genere non specificano con quale velocità questa reazione deve avvenire: dicono solo se può avvenire oppure no. Se si tratta però di una reazione che ha luogo in una cellula vivente, il fattore tempo si presenta come essenziale: la cellula non può aspettare, e l’organismo ancor meno. Se la reazione impiega giorni per compiersi, la cellula nel frattempo può essersi già divisa o essere morta. La maggior parte delle reazioni biochimiche non solo non impiegano giorni per compiersi, ma neppure ore o minuti. Devono necessariamente impiegare qualche frazione di secondo, pena la vita.

Occorre quindi accelerare i tempi di tutte le reazioni biochimiche, o almeno della maggior parte di queste. In chimica si definisce catalizzatore una sostanza che, pur non prendendo direttamente parte a una data reazione, riesce ad accelerarla considerevolmente e quindi ad abbreviarne i tempi. I catalizzatori organici, cioè quelli che controllano le reazioni biochimiche che hanno luogo negli esseri viventi, prendono il nome di enzimi, che sono per lo più proteine. Ogni reazione ha il suo enzima, ogni enzima ha la sua reazione. Il ruolo primario degli enzimi è solo quello di accelerare le reazioni biochimiche, ma in pratica essi le rendono possibili e quindi le determinano, perché una reazione biochimica troppo lenta non ha nessun significato biologico. Si dice quindi che un dato enzima catalizza una data reazione, ma si dice altrettanto spesso che un dato enzima realizza, promuove o causa una data reazione o compie una data funzione biochimica. Interpretate correttamente, tali affermazioni non sono sbagliate: o la reazione in questione si compie entro certi margini di tempo o non serve.

Ogni enzima riconosce specificamente il suo substrato, cioè le molecole sulle quali deve operare, e solo quelle. È stata suggerita a tal proposito un’interessante analogia. Posso mettere in una scatola un certo numero di viti e di dadi di diverse dimensioni e agitare ripetutamente fino a che una vite non si impegna nel corrispondente dado. Solo un dado e una vite dello stesso calibro possono pervenire a un incontro produttivo, ma dovrò aspettare un bel po’ perché qualcosa del genere avvenga spontaneamente. Se invece una mano invisibile dispone una vite e il dado corrispondente in una posizione appropriata, il fenomeno potrà avvenire in un tempo brevissimo. Uscendo dalla metafora, le leggi della chimica stabiliscono quale vite si può avvitare in quale dado – non tutte le coppie vite-dado possono farlo –, ma se si deve attendere che ciò avvenga spontaneamente si dovrà probabilmente aspettare a lungo. L’enzima interviene giocando il ruolo della mano che mette la vite e il dado nella posizione giusta. In effetti un enzima è in grado di riconoscere specificamente le molecole dei due reagenti e le dispone una vicina all’altra nell’orientamento giusto.

Si tratta spesso di riconoscere una molecola in mezzo a una miriade di molecole simili e di coinvolgere la stessa in una data reazione chimica invece che in altre consimili. Gli enzimi possiedono quindi un’incredibile specificità. Per lunghi anni ci si è meravigliati di questa specificità altissima e ci si è chiesti dove risiedesse. Sto parlando della prima metà del XX secolo, quando si andavano via via chiarendo i dettagli dei vari processi biochimici e delle varie catene di reazioni catalizzate da enzimi diversi. Qualcuno faceva risiedere l’essenza stessa della vita in questa meravigliosa specificità delle proteine enzimatiche e molti pensavano che le proteine fossero anche le portatrici del patrimonio genetico. Oggi noi sappiamo che l’estrema varietà e duttilità delle varie specie di proteine deriva dalla loro natura di catene lineari di aminoacidi: anche una catena proteica lunga solo 30 aminoacidi, una vera miseria, può avere 20³⁰ composizioni diverse, un numero con 40 zeri.

Questo rende conto della varietà, e quindi della specificità potenziale, delle proteine, ma non ci dice come avviene il riconoscimento del proprio specifico substrato, individuato fra miliardi di molecole diverse, da parte di ciascuna di esse. Appena formate, le catene proteiche si ripiegano su se stesse per assumere una struttura tridimensionale specifica. Le proteine a funzione enzimatica formano delle vere e proprie «tasche» molecolari, chiamate siti attivi, nelle quali si possono inserire le molecole del substrato e solo quelle. Si parla spesso di meccanismo «a chiave e serratura» per indicare la meccanica di tale riconoscimento specifico. Molte molecole possono temporaneamente entrare nella tasca di un dato enzima, ma solo quelle corrispondenti al suo substrato vi si adattano perfettamente e vi restano per il tempo necessario al compimento della reazione in questione. Subito dopo anche queste si allontanano e il processo ricomincia. Adesso che lo conosciamo, sembra un meccanismo semplicissimo, ma per intravederlo si è dovuti arrivare al 1960 e per comprenderlo appieno si è dovuto attendere altri vent’anni.

Una terza categoria di proteine non espleta funzioni strutturali né possiede un’attività enzimatica. È invece coinvolta nella regolazione dell’attività dei vari geni presenti in una cellula. Si tratta ovviamente di proteine che risiedono nel nucleo cellulare e che agiscono a contatto con il DNA genomico. Non tutti i geni sono attivi in ogni momento. Alcuni sono attivi in una data fase della vita di una cellula e inattivi in un’altra. Alcuni di essi possono anche non essere mai attivi in un dato ti­po di cellula. I ge...

Indice dei contenuti

• La biologia e la vita
• La cellula
• Altri livelli di organizzazione
• Le macromolecole
• L’organismo vivente
• Lo sviluppo
• L’evoluzione
• Bibliografia essenziale