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biosìntesi

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Lessico

Sf. [bio-+sintesi]. Sintesi di composti chimici effettuata da organismi viventi o comunque realizzata nell'interno di essi. La capacità di biosintesi è un requisito fondamentale della materia vivente che garantisce la formazione e il ricambio dei componenti cellulari nonché un regolare svolgimento degli scambi energetici.

Biochimica

I processi di biosintesi sono reazioni chimiche o catene di reazioni i cui modelli si possono riscontrare e spesso riprodurre anche nelle strutture inanimate; a livello biologico, tuttavia, la loro attuazione è regolata dall'attività di speciali catalizzatori proteici, gli enzimi, elaborati nell'interno delle cellule. Il patrimonio enzimatico dei diversi organismi è un'espressione particolare del patrimonio genetico che, tramandato per via ereditaria, assicura alla specie il normale e costante svolgimento dei fenomeni biosintetici. In tale modo viene garantita alla specie la costante composizione dei tessuti e la regolarità dei suoi processi vitali. Attraverso una grande varietà di reazioni chimiche, negli animali e nelle piante si formano i componenti primari delle cellule (proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici, ecc.), le molecole con funzioni bioregolatrici (enzimi, vitamine, ormoni, autacoidi), le strutture a elevato contenuto energetico (ATP, ADP, fosfocreatina), le varie sostanze indicate genericamente con il nome di “metaboliti secondari”. Un particolare fenomeno biosintetico è la fotosintesi clorofilliana. Le reazioni di biosintesi si svolgono con dispendio di energia chimica fornita da unità di fosfato “attivo” che si formano con la demolizione aerobia dei materiali nutritivi. L'elaborazione dei componenti primari delle piante si svolge, tuttavia, a spese dell'energia radiante solare. Negli ultimi anni del sec. XX i meccanismi di sintesi dei costituenti primari dei tessuti sono stati in parte chiariti dai biochimici (metabolismo; ricambio; proteina; acido nucleico; carboidrato). Aspetti di grande importanza teorica e pratica presenta la biosintesi dei metaboliti secondari, quali steroli, alcaloidi, glucosidi, terpeni, acidi aromatici e alifatici, basi organiche di varia natura, antibiotici, flavonoidi, ecc. Tali composti sono largamente diffusi in natura, e, analogamente alle proteine, agli zuccheri e agli altri componenti primari, possono essere considerati metaboliti “finali”, in quanto costituiscono il prodotto terminale di specifiche attività biosintetiche. La loro classificazione chimica presenta enormi difficoltà per il grande numero di modelli strutturali che si riscontrano in natura; difficile è anche la classificazione biologica, in quanto la loro funzione nei tessuti è molto spesso sconosciuta, specie per quanto concerne i metaboliti delle piante. È stato tuttavia accertato che la materia vivente svolge le sue biosintesi attraverso un limitato numero di procedimenti, ognuno dei quali può condurre alla formazione di infinite strutture organiche. L'esistenza di modelli biogenetici generali è stata postulata in base ad alcune teorie che hanno avuto ormai larghe conferme sperimentali. Secondo la principale di queste teorie, le sostanze che contengono nella loro molecola determinati raggruppamenti strutturali hanno origine dai più semplici composti che presentano tali unità nella loro struttura. Un'altra teoria biogenetica afferma che nella materia vivente la combinazione delle singole unità strutturali avviene secondo normali leggi chimiche e chimico-fisiche, anche se le reazioni sintetiche sono catalizzate da enzimi.

Biofisica

Per lo studio dei processi di biosintesi vengono largamente utilizzati gli isotopi radioattivi dei precursori naturali, di cui si esamina l'incorporazione nella struttura dei metaboliti di piante o animali. Per esempio, per addizione di acido acetico marcato con C14 in colture di Penicillium griseofulvum, si ha la formazione di acetil-CoA radioattivo e, successivamente, la sintesi dell'antibiotico griseofulvina C14. In alcuni casi il precursore non riesce a penetrare nelle cellule integre oppure non raggiunge le sedi intracellulari di reazione. In tali circostanze la biosintesi del metabolita non avviene, oppure avviene solo se si altera l'integrità strutturale delle cellule (omogeneizzazione). Se si introduce, per esempio, acido mevalonico marcato nella linfa di alcune piante, si formano nelle foglie carotenoidi radioattivi ma non oli essenziali in quanto il precursore non è in grado di raggiungere le strutture cellulari deputate a tale specifica sintesi. In alcuni organismi la biosintesi può essere studiata provocando mutazioni geniche in modo da bloccare la formazione degli enzimi che catalizzano determinati passaggi biosintetici. Si ha in tal modo accumulo di composti intermedi la cui struttura indica il meccanismo di sintesi in precedenza bloccato. Un altro comune metodo di studio utilizza enzimi purificati, con i quali vengono riprodotte in vitro le singole fasi del processo biogenetico. § Le indicazioni fornite dalle ricerche di laboratorio confermano l'esistenza di una stretta correlazione tra i vari processi di biosintesi. In particolare, i componenti primari delle cellule si formano da un certo numero di precursori elementari, di peso molecolare relativamente modesto, i quali, all'occorrenza, possono essere utilizzati anche per sintesi collaterali che conducono alla formazione dei metaboliti secondari. I principali precursori biosintetici conosciuti sono l'acetil-CoA, il malonil-CoA, l'unità monocarboniosa –CH₃ che determina i processi di metilazione all'ossigeno, all'azoto, allo zolfo, ecc., l'acido mevalonico, gli isopentenilpirofosfati. Da tali sostanze originano serie biogenetiche che vengono assunte come criterio di classificazione delle sostanze organiche naturali. Alcuni aspetti dei fenomeni di biosintesi possiedono notevole importanza pratica. Infatti, numerose sostanze naturali (antibiotici, vitamine, alcaloidi, ecc.) non possono essere prodotte per sintesi oppure sono sintetizzabili solo con procedimenti molto complessi o costosi. In tal caso può avere notevole interesse lo sfruttamento del processo di biosintesi. Inoltre, quando si conoscano le tappe biosintetiche, è possibile talora modificarle, in modo da ottenere composti differenti da quelli originali. Questo criterio è seguito normalmente nella preparazione fermentativa di vari antibiotici. Per esempio, la penicillina G, che si forma da colture di Penicillium chrysogenum, presenta tra gli altri inconvenienti una notevole labilità al pH acido dello stomaco; ciò ne impedisce l'impiego per bocca. Se, però, ai brodi di coltura del microrganismo produttore si aggiunge l'acido fenossi-acetico, tale precursore viene utilizzato per la biosintesi di una penicillina (fenossimetilpenicillina o penicillina V) dotata di uguale attività antibatterica, ma stabile in ambiente acido e quindi attiva anche per impiego orale.