Biochimica e biologia molecolare

Prefazione

La Biochimica è una scienza relativamente recente, che si pone l’obiettivo di studiare le molecole ed i meccanismi alla base dei processi biologici. In particolare s’interessa delle componenti chimiche inorganiche ed organiche che costituiscono gli organismi ed il modo con cui esse si trasformano nel corso della vita. L’origine della Biochimica può essere individuata all’inizio del secolo diciannovesimo con la scoperta del primo enzima (la diastasi), avvenuta nel 1833 da parte di Anselme Payen. La Biochimica si è sviluppata soprattutto nel secolo ventesimo quando sono state disponibili tecniche di studio innovative, come la cromatografia, la diffrazione dei raggi x e la spettroscopia. In questa fase sono stati scoperti importanti processi biochimici, come la sequenza ciclica che coinvolge l’acido citrico; questo processo fu denominato ciclo di Krebs in onore di Hans Adolf Krebs che giunse alla sua scoperta nel 1937.

Nella seconda metà del secolo ventesimo le indagini biochimiche si affinarono e raggiunsero i livelli molecolari; con gli studi svolti da James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins e Rosalind Franklin nel 1953 fu possibile comprendere il modo con cui il DNA è organizzato, contiene e trasmette le informazioni. Da questo momento in poi i processi di acquisizione delle conoscenze si sono sviluppati in modo imponente ed hanno permesso di costruire un quadro dei meccanismi biochimici piuttosto ampio e in continua evoluzione. Le conoscenze acquisite non sono state fini a se stesse, ma hanno avuto anche importanti ricadute nell’ambito di numerose attività, quali il risanamento ambientale, la diagnostica, la terapia medica e le produzioni industriali.

Di primaria importanza è stata la possibilità di intervenire direttamente sul DNA al fine di modificarne la sequenza. Ciò ha aperto la strada ad enormi possibilità applicative, quali la creazione di nuove specie o di individui con specifiche caratteristiche, ma ha posto evidenti interrogativi di carattere scientifico, religioso ed etico-morale sui limiti che l’uomo deve porsi di fronte alla possibilità di intervenire nel cuore dei processi biologici.

LA BIOCHIMICA NELLA SCUOLA SECONDARIA SUPERIORE

Con la recente riforma della scuola secondaria superiore sono stati modificati profondamente i corsi dell’istruzione tecnica e scientifica per adeguare il piano dell’offerta formativa alle nuove esigenze che la società richiede. Nell’ambito di questa riforma sono stati attivati nuovi corsi, quali le Biotecnologie sanitarie e le Biotecnologie ambientali.

Nell’articolazione “Biotecnologie sanitarie” vengono identificate, acquisite e approfondite le competenze relative alle metodiche per la caratterizzazione dei sistemi biochimici, biologici, microbiologici e anatomici e all’uso delle principali tecnologie sanitarie nel campo biomedicale, farmaceutico e alimentare, al fine di identificare i fattori di rischio e causali di patologie, e applicare studi epidemiologici, contribuendo alla promozione della salute personale e collettiva.

Nell’articolazione “Biotecnologie ambientali” vengono identificate, acquisite e approfondite le competenze relative al governo e controllo di progetti, processi e attività, nel rispetto delle normative sulla protezione ambientale e sulla sicurezza degli ambienti di vita e di lavoro, e allo studio delle interazioni fra sistemi energetici e ambiente, specialmente riferite all’impatto ambientale degli impianti e alle relative emissioni inquinanti.

Nell’ambito dei suddetti corsi l’insegnamento della Biochimica, unitamente a quello della Chimica Organica, concorre a far conseguire allo studente, al termine del percorso quinquennale, i seguenti risultati di apprendimento relativi al profilo educativo, culturale e professionale:

riconoscere gli aspetti geografici, ecologici, territoriali dell’ambiente naturale ed antropico, le connessioni con le strutture demografiche, economiche, sociali, culturali e le trasformazioni intervenute nel corso del tempo;

padroneggiare l’uso di strumenti tecnologici con particolare attenzione alla sicurezza nei luoghi di vita e di lavoro, alla tutela della persona, dell’ambiente e del territorio;

intervenire nelle diverse fasi e livelli del processo produttivo, dall’ideazione alla realizzazione del prodotto, per la parte di propria competenza, utilizzando gli strumenti di progettazione, documentazione e controllo.

OBIETTIVI DEL TESTO

L’obiettivo fondamentale del testo è quello di fornire agli studenti gli strumenti teorico-pratici necessari per acquisire un’organica conoscenza delle componenti chimiche che costituiscono gli organismi viventi e dei fondamentali processi biochimici che sono alla base della vita. Alcuni contenuti esposti nel testo sono strettamente interconnessi con quelli di altri insegnamenti. In relazione a quelle che sono le indicazioni presenti nelle linee guida della riforma della scuola secondaria superiore è opportunamente approfondita una parte microbiologica che permette di ampliare la prospettiva con cui è esaminato il mondo biologico. Un obiettivo sicuramente non secondario che mi sono proposto è stato quello di trasmettere, attraverso quanto scritto, la passione per lo studio dei fenomeni biologici e quindi per la vita nella sua accezione più ampia.

REALIZZAZIONE

Il testo è frutto dell’esperienza maturata nel corso di oltre dieci anni di insegnamento della Biochimica e Biologia Molecolare e ultraventennale della Microbiologia, tenuti nell’ambito dei corsi Biologico Sanitario e Biologico presso l’ISTVAS di Ancona. L’opera è stata realizzata anche con la fattiva collaborazione degli studenti e di quanti sono stati coinvolti con me nell’attività didattica. L’elaborazione finale è stata preceduta da una lunga ricerca bibliografica ed ha richiesto l’impiego di immagini, disegni e schemi, gran parte dei quali realizzati personalmente. Dal momento che il testo è rivolto principalmente a chi debba approfondire la Biochimica per la prima volta, ho cercato di impiegare un linguaggio semplice, tuttavia nella descrizione degli argomenti compositi, come ad esempio la biosintesi del DNA e delle proteine, la terminologia diviene più articolata e la descrizione più complessa.

STRUTTURA

In relazione alla normativa vigente, l’opera comprende un libro di testo ed una sezione online. Il libro di testo è suddiviso in quattro parti e ventitre capitoli. Al termine di ognuno di essi è presente un questionario che permette un regolare riscontro delle abilità acquisite dagli studenti. In diversi capitoli è descritta un’esperienza di laboratorio, di esecuzione semplice, ma didatticamente valida, in cui sono opportunamente evidenziati i fattori di rischio chimico-fisico e le strategie necessarie a ridurne gli effetti. Il libro di testo è corredato di indice generale, indice analitico, glossario e di altri strumenti (tavola periodica degli elementi, abbreviazioni biochimiche, simboli ed altro) necessari a rendere l’opera più completa possibile.

La sezione online sviluppa contenuti microbiologici che forniscono l’adeguato supporto allo studio della Biochimica, come richiesto dalle linee guida della riforma scolastica. In questa parte è posta adeguata attenzione alla descrizione dei fattori di rischio connessi con le attività sviluppate nei laboratori scolastici in genere e microbiologici in particolare. Sono quindi esaminati i principi e le tecniche necessari alla coltivazione ed al controllo della crescita microbica. Per ultimo sono trattati i principali gruppi microbici e virali impiegati nelle biotecnologie tradizionali ed innovative.

Libro di testo

Parte prima

Le basi della Biochimica.            In questa parte sono approfonditi gli aspetti fondamentali alla base della Biochimica, quali i principi della termodinamica, la cellula eucariotica e procariotica, le proprietà dell’acqua e le proprietà delle molecole alla base della vita. È una parte essenziale per recuperare ed approfondire alcuni aspetti che gli studenti incontrano in discipline che precedono la Biochimica e porli in linea con le esigenze dei punti trattati successivamente. Una parte significativa è destinata all’analisi dei fattori di rischio presenti nel laboratorio di Biochimica ed alle strategie tecniche e comportamentali necessarie a ridurre al minimo i pericoli connessi con lo sviluppo delle attività pratiche.

Parte seconda

Le biomolecole.            In questa parte sono prese in esame le biomolecole alla base dei processi biologici. Sono trattati, in particolare: i carboidrati, gli amminoacidi e le proteine, i nucleotidi e gli acidi nucleici, i lipidi semplici ed i lipidi complessi. Sono approfonditi, inoltre, i complessi sovramolecolari come le membrane, le molecole con i relativi meccanismi di comunicazione extracellulare e di conversione del segnale all’interno della cellula.

Parte terza

Il metabolismo energetico.            In questa parte sono approfonditi i principali processi anabolici e catabolici che interessano i carboidrati, i lipidi, gli amminoacidi ed i nucleotidi. Sono evidenziati gli aspetti finalizzati alla produzione ed all’immagazzinamento dell’energia, quindi finalizzati alla produzione di ATP e delle altre biomolecole contenenti l’energia disponibile per il lavoro cellulare. Sono adeguatamente esaminati, inoltre, i meccanismi alla base della respirazione cellulare, della fotosintesi e degli altri processi bioenergetici.

Parte quarta

L’informazione genetica.            Nell’ultima parte del testo sono presi in esame gli acidi nucleici ed il loro metabolismo. In particolare sono trattati: la struttura del DNA e degli RNA, la replicazione del DNA, la trascrizione del DNA in RNA, le alterazioni ed i meccanismi riparativi del DNA, oltre che le mutazioni. In questa parte sono approfonditi, inoltre, la sintesi delle proteine, i meccanismi di regolazione genica e le biotecnologie.

Sezione online

Le basi microbiologiche della Biochimica

Capitolo 1.  Il rischio biologico nel laboratorio di microbiologia

Capitolo 2.           L’osservazione microscopica

Capitolo 3.  Le esigenze microbiche

Capitolo 4.  La coltivazione dei microrganismi

Capitolo 5.  La riproduzione microbica

Capitolo 6.  Il controllo della crescita microbica

Capitolo 7.           Microrganismi e virus d’interesse biotecnologico