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quando la materia si organizza in modo più complesso: l’evoluzione del concetto di sostanza

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INTRODUZIONE

frattale, come paradigma di livelli crescenti di complessità organizzativa

frattale, come paradigma di livelli crescenti di complessità organizzativa

E’ sul limitare superiore dell’ambito di competenza della chimica, quello per intenderci che segna il confine labile ed incerto con quelle scienze maggiormente speculative, basate sulla costituzione e l’organizzazione chimica di microstrutture organizzata, la biologia molecolare, la geologia e la scienza dei materiali in primo luogo, che il concetto di “sostanza”, così almeno come lo intendono gli stessi chimici, tende via via a sfumare, lasciando il campo ad ambiguità ed interpretazioni sempre più specifiche e di settore. O forse, più semplicemente, scrutando sul confine superiore della nostra disciplina, laddove gli oggetti della sua trattazione arrivano a raggiungere livelli di complessità organizzativa superiore, riesce più chiaro intendere ed intravedere la relatività della definizione stessa di sostanza, anche qualora volessimo ulteriormente spingerci a definirla “chimica”.

Gli esempi che potrebbero essere chiamati in causa sono davvero moltissimi, appartenenti a un po’ tutti gli ambiti scientifici e tecnologici, accomunati dal fatto di trattare entità costituite da materia organizzata in modo complesso, pur conservando per esse un sufficiente livello di definizione e di coerenza chimica. Non è soltanto una questione di dimensioni molecolari: un omopolimero plastico può risultare estremamente semplice nella sua costituzione e non dare adito a particolari ambiguità strutturali o di definizione, per quanto il suo peso molecolare possa superare di ordini di grandezza quello di altri casi “critici” che andremo in seguito ad esaminare, caratterizzati solitamente da una maggiore complessità di tipo strutturale.
Al crescere del grado di complessità di una struttura chimica aumentano certamente tutta una serie di gradi di libertà (topologici, di interazione intra- ed intermolecolare, molecolare, conformazionali, ecc) che possono, il taluni casi, chiamare in causa tipologie di valutazioni e di considerazioni che non avrebbero rivestito un particolare significato nello studio tradizionale di molecole di piccole dimensioni e di limitata complessità. Queste valutazioni e considerazioni, fra le altre cose, possono in qualche modo mettere in discussione il concetto stesso di sostanza, non soltanto nella sua accezione generale e filosofica ma anche nella sua applicazione specifica in qualità di “sostanza chimica”.

Gli esempi raccolti a questo proposito sono stati classificati per semplicità secondo quattro possibili casistiche che, ben lungi dal rappresentare una descrizione esaustiva della realtà descritta (anzi chiedo scusa se uscendo talvolta con gli esempi dagli argomenti meglio conosciuti avrò commesso alcune imperfezioni o peccati di superficialità), intendono esclusivamente fornire al lettore alcuni significativi spunti di riflessione:

1)   Macromolecole a struttura mista

2)   Polimeri che prevedono variazioni puntuali

3)   Conformeri bloccati

4)   Addotti supramolecolari

LA DEFINIZIONE UFFICIALE DI SOSTANZA CHIMICA

Immagino che molti chimici a questo punto storceranno il naso.
logo IUPACEsiste infatti una definizione “ufficiale” dell’accezione chimica del termine “sostanza”, fornita dalla stessa IUPAC, come “materia di composizione costante, meglio caratterizzata per mezzo delle entità delle quali è composta (molecole, formula, unità, atomi). Proprietà come ad esempio densità, indice di rifrazione, conduttività elettrica, punto di fusione, ecc caratterizzano la sostanza chimica”.
IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the “Gold Book”). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997).
Un’ottima descrizione del significato più aggiornato, sempre nel contesto chimico, del termine “sostanza”, con approfondimenti sulla definizione ufficiale già fornita, è reperibile sulla pagina di Wikipedia in lingua inglese.  Secondo tale fonte la formulazione più semplice alla quale si può arrivare per definire una sostanza chimica suona come “una forma di materia che ha costante composizione chimica e proprietà caratteristiche”.
Anche senza scomodare le definizioni più rigorose che la IUPAC fornisce (e che molti degli stessi chimici probabilmente ignorano nei loro specifici dettagli ed aggiornamenti) si immagina comunemente, e nella stragrande maggioranza dei casi a ragione, di poter indicare come “sostanza”, o meglio come sostanza chimicamente definita un’entità di materia per la quale sia stato previsto un codice di registrazione CAS, fino ad arrivare al provocatorio detto “no CAS, no substance”.
CAS Chemical Abstracts ServiceI criteri (aggiornati al 2007) per l’assegnazione “secondo criterio” di un numero di registrazione CAS a fronte di una determinata struttura molecolare, nonché ulteriori specifiche per la sua nomenclatura, sono pubblicati sul documento “Naming and Indexing of Chemical Substances for Chemical Abstracts”, pubblicato da Chemical Abstract Service (by American Chemical Society).
Secondo tale CAS Index sono contemplate come “sostanze” suscettibili di un numero di registrazione CAS anche alcune leghe di incerta composizione e taluni composti “non-stechiometrici”, particolarmente presenti nel campo inorganico, in violazione della legge della costanza composizionale, fino a mettere in difficoltà, nei casi più estremi, quella linea di demarcazione che dovrebbe fare distinzione fra i composti (suscettibili di essere registrati con codice CAS in quanto sostanze chimiche) ed i miscugli (non suscettibili di ciò).
Dopo questa doverosa premessa “istituzionale” andiamo ora a considerare le quattro casistiche precedentemente introdotte, quelle per intenderci che, con i numerosi esempi in esse contemplate, potrebbero una volta per tutte mettere in crisi l’univocità del concetto di sostanza chimica, qualora lo si volesse forzatamente estendere oltre i confini della complessità organizzativa tipica della chimica tradizionale.

Un approfondimento critico su concetti quali quello di sostanza, molecola, reagente, prodotto chimico, composto e specie chimica è già stato affrontato da Chimicare in chiave divulgativa nell’articolo: “sostanza, molecola, composto o specie chimica? …le definizioni a confronto“.

MACROMOLECOLE A STRUTTURA MISTA

lignina da conifere

esempio di struttura di lignina da conifere

Il caso forse più rappresentato in natura è quella della lignina, del quale abbiamo avuto modo di parlare ampiamente in un precedente articolo “da cosa è fatto il legno?”.   Credo tuttavia che si tratti dell’unico caso in natura, specie fra le strutture biologiche, o ex-biologiche, come ad esempio, ipotizzo, il carbone.   La lignina è un polimero naturale basato su uno scheletro tridimensionale “formalmente” costituito da unità idrossi- e metossi-fenil-propanoiche di tre tipi: alcol p-cumarilico, alcol coniferilico ed alcol sinapilico.   Detto questo, i rapporti relativi fra queste tre diverse unità monometriche, la modalità con la quale esse si legano fra loro, le possibili strutture secondarie (aperte o ad anello) che possono venirsi a formare per reazione dei residui alchilici di queste unità, nonché il grado di ossidazione di taluni gruppi funzionali fenolici ad esse appartenenti, possono essere soggette alla più grande variabilità che si possa immaginare.   A complicare la situazione rientrano altri sostituenti, questi decisamente estranei alla struttura fenilpropanoica, per lo più carboidrati singoli o più spesso polisaccaridi come le stesse emicellulose e cellulosa che, abbondantissime nello stesso ambiente istologico vegetale dove è presente la lignina, risultano di fatto non soltanto “mescolate” ma in tutto e per tutto legate ad essa tramite legami chimici (di solito di tipo etereo o estereo), formando con essa una struttura molecolare solidale ed unitaria.

Di fatto, rigorosamente parlando, la lignina NON può quindi essere considerata una sostanza, proprio perché non corrisponde ad una struttura ben definita, né definitamente modulare.  Non soltanto il grado di polimerizzazione (e quindi il peso formula) e l’abbondanza e distribuzione specifica dei diversi gruppi funzionali e delle diverse sotto-strutture non segue un ordine rigoroso, ma osservando “lignina” di specie botaniche diverse si notano sotto-strutture spesso originali, non facilmente osservabili in altra specie.   Da un certo punto di vista la lignina può essere intesa non soltanto come una matrice che

modalità connessione fra lignina ed emicellulose tramite legami etere ed estere

modalità connessione fra lignina ed emicellulose tramite legami etere ed estere

scioglie o disperde al suo interno componenti secondari specifici a minor concentrazione (come potrebbero essere metaboliti in un olio essenziale o nel contenuto acquoso dei vacuoli cellulari) ma come una matrice che lega chimicamente questi componenti secondari.  In funzione della natura covalente di questi legami, quindi molto forti, questi componenti secondari e per certi versi “periferici” al concetto stesso di lignina, non possono in alcun modo essere considerati come specie chimiche a sé stanti ma devono necessariamente essere considerati come facenti parte della struttura assai complessa di questa macromolecola, intesa nel senso più esteso del termine, dalla quale possono essere eventualmente liberati solo in seguito a vere e proprie reazioni chimiche, che richiedono spesso condizioni tutt’altro che “morbide”.

In considerazione di tutti i possibili gradi di libertà connettivi presentati dalla lignina è piuttosto improbabile trovare nello stesso campione di lignina due (macro)molecole identiche fin nei dettagli.
A questo punto ci si potrebbe davvero domandare, nel contesto di questa molecola: qual è la sostanza?  Il concetto di lignina in genere?  Quello della lignina prodotta da una singola specie vegetale?  La specifica struttura, magari unica ed irripetibile, tenuto conto che le molecole contenute nel nostro campione avranno con tutta probabilità singole strutture una diversa dall’altra?
Una mezza risposta ci viene, seppur in modo indiretto, dai rivenditori di standard e reagenti per il laboratorio di ricerca.  Cercando sotto la voce generica di “lignina” infatti si trovano alcune “categorie” di sostanze, meno di una decina, che risultano fortemente differenziate fra loro soprattutto sulla base dei gruppi funzionali più abbondanti presenti su di esse, spesso introdotti mediante reazioni chimiche in sede di preparazione e purificazione del materiale.   Queste diverse classi di lignina sono caratterizzate ciascuna da un suo codice CAS e pertanto possono essere intese come sostanze chimiche diverse, anche senza la necessità di scendere ad una descrizione puntuale della struttura di ciascuna molecola introdotta nel barattolo del campione.

POLIMERI CON VARIAZIONI PUNTUALI


Pensiamo alla struttura di un acido nucleico, RNA o DNA.   Il fatto di sostituire una o più basi azotate, all’interno del set delle 4 presenti in natura, comporta certamente una differenza sul piano biologico e volendo anche biologico-molecolare, ma non ha ricadute sostanziali sul piano chimico sull’identità o sul comportamento della molecola di acido nucleico nel suo insieme.

filamenti di DNA visti e fotografati al microscopio

filamenti di DNA visti e fotografati al microscopio

Ci si potrebbe pertanto domandare se il termine “sostanza” si debba più riferire alla singola e specifica molecola di DNA, quella che contiene una ben precisa sequenza di basi, oppure al DNA “tout court”, indipendentemente da quali basi azotate siano presenti nello specifico ed dalla loro successione.   In pratica una struttura generica che può essere disegnata lasciando un asterisco in corrispondenza della base azotata, che rimanda ad una nota laterale: “B può essere: adenina, citosina, timina e guanina”.

Per i meno informati potrebbe forse risultare pesino sorprendente sentire che il DNA stesso, che ha assunto nell’immaginario collettivo il ruolo di chiave della vita, è semplicemente una sostanza chimica e che la biologia molecolare stessa in fondo non è altro che una speculazione (per quanto estremamente interessante ed utile) all’interno della chimica di alcune specifiche sostanze.

da cromosoma a sequenza basi azotate DNA

dal cromosoma alla sequenza basi azotate del DNA

Ma gli acidi nucleici non riservano soltanto questa ambiguità quando si prova ad esaminarli con la pretesa di voler collocare nel modo più opportuno in concetto di sostanza.   Immaginiamo quella fase specifica della mitosi (il processo di divisione cellulare), precisamente la profase, dove tutto il genoma della cellula si organizza in forma di un numero limitato di cromosomi, isolati e visibili singolarmente.  Praticamente ciascun cromosoma rappresenta una porzione strutturalmente definita del DNA complessivo della cellula, o se vogliamo dell’organismo, e solo l’insieme di tutti i cromosomi fornisce quello che viene definito, in termini biologici, il patrimonio genetico dell’individuo.  Tornando a vedere la situazione con gli occhi di un chimico, potremo a questo punto domandarci: ogni pezzo di DNA rappresentato (o contenuto) da un cromosoma è una sostanza chimica a sé stante?  Non essendo, almeno in quel momento della vita cellulare, legato con tradizionali legami chimici agli altri pezzi di DNA diversi, che compongono nel loro insieme il codice genetico della cellula, saremo fortemente portati a rispondere di sì.  Ma potremo anche provare a vedere il concetto di sostanza non più soltanto in relazione all’unitarietà della molecola, e chiederci pertanto se esso non si debba identificare con il genoma nel suo complesso, inteso come sommatoria di tutti i frammenti di DNA che, nel loro insieme, rispondono alla proprietà biologica fondamentale codificare geneticamente l’organismo, tanto più in considerazione del fatto che in tutti gli altri momenti della vita cellulare essi risultano più o meno stabilmente legati fra loro anche mediante legami chimici.

CONFORMERI BLOCCATI

Partendo dalla stessa molecola, tramite semplice rotazione di alcune sue parti rispetto alle altre intorno ai legami semplici (si pensi al legame carbonio-carbonio nelle molecole organiche), ed estendendo questa possibilità di rotazione a tutti i legami semplici, si arriva ad una molteplicità di stati conformazionali che, pur senza che vi sia stata sostituzione o rottura di legami, può tradursi in immagini “istantanee” della stessa molecola anche molto diverse fra loro.
Quando per ragioni di varia natura ad iniziare da quelle steriche (ovvero ingombro fisico dello spazio occupato da gruppi di atomi voluminosi) non è possibile l’agevole dappassio da uno stato conformazionale ad un altro, si assiste ad una sorta di “congelamento” di conformeri distinti.
In pratica la stessa molecola dal punto di vista del tipo di atomi e della loro connettività, ma organizzati spazialmente, nello spazio tridimensionale, in modo diverso, tanto da giustificare una possibile differenziazione di alcune loro caratteristiche chimico-fisiche.   Vorreste forse non indicare queste come sostanze differenti?
Il numero di possibili stati conformazionali è funzione dei gradi di libertà, in primo luogo quelli di tipo rotazionale, ai quali può essere soggetta una molecola, specie se di grandi dimensioni, ovvero costituita da un gran numero di atomi e di legami.   A parità di numero di atomi, i gradi di libertà conformazionali crescono in funzione dell’assenza di doppi e tripli legami e dell’assenza di strutture chiuse ad anello.

stati conformazionali del cicloesano, con indicazioni sullo stato energetico associato ai singoli conformeri. in alto a sinistra è visibile la struttura semplificata della molecola

Si pensi di avere fra le mani uno di quei modellini molecolari in plastica, realizzato con sferette e bastoncini rigidi: anche se non possiamo variare la lunghezza dei bastoncini (legami chimici) né l’angolo reciproco con i quali essi escono da ciascuna sferetta (angoli di legami), tantomeno a piegare i bastoncini medesimi, riusciamo comunque piuttosto bene ad appallottolare e poi successivamente a distendere il nostro modellino molecolare, facendogli assumere, volendolo, numerose strutture, ovvero “conformazioni” intermedie, e tutto questo semplicemente sulla base di semplici “rotazioni” di singole parti rispetto al resto della struttura.
Ovviamente esistono per ogni molecola complessa numerosi possibili stati conformazionali, addirittura infiniti se vogliamo scomporre in infinitesimi ogni possibile rotazione di 360° di un gruppo funzionale introno al suo legame semplice con il resto della molecola.  Allo stesso modo sappiamo che non tutti i possibili conformeri sono ugualmente stabili: alcune conformazioni risultano decisamente più favorite di altre per una serie di ragioni fisiche il cui esame approfondito prevaricherebbe lo scopo di questo articolo; altre conformazioni seppur sfavorite possono essere intese come “di passaggio” fra due maggiormente favorite, mentre altre risultano sostanzialmente impedite, o infine possono risultare in qualche modo irreversibili nel senso che una volta raggiunta questa conformazione (spesso è anche la più stabile in assoluto) la molecola non riuscirà più a riconvertirsi ad altre conformazioni alternative.
In teoria i singoli conformeri non potrebbero essere indicati come sostanze chimiche diverse fra loro: la tipologia di atomi, il loro numero e la loro connettività reciproca infatti non cambia, ed il codice CAS infatti non specifica per ciascuna specie chimica un definito conformero al quale si riferisce.   Resta però il fatto che in alcuni casi le proprietà della molecola cambiano radicalmente al raggiungimento di determinati stati conformazionali, siano essi reversibili o irreversibili.

coagulazione proteine uovo

denaturazione delle proteine (albumina) dell'uovo, con coagulazione, dovuta al calore

Molte proteine, alcuni polisaccaridi e certamente anche altre classi di macromolecole solubili in ambiente acquoso, rispondono all’aggiunta di un solvente apolare idrosolubile con una modifica conformazione volta a minimizzare il contatto fra i gruppi più polari e l’ambiente di solvatazione.  Gli stessi gruppi ossidrilici, carbossilici, amminici, ecc che, in ragione della loro affinità con l’acqua, prima risultavano ben proiettati all’esterno della molecola, in ambiente ricco di acetone o di etanolo cercano la posizione migliore per rifuggire dal solvente, minimizzando il più possibile la loro superficie di contatto con esso.  La situazione più frequente in base alla quale, potendolo fare in funzione dei suoi gradi di libertà rotazionali, la molecola si raggomitoli su se stessa, formando una struttura sicuramente meno distesa ma più a pallottola, con i gruppi meno affini al solvente rivolti verso l’interno.  La maggiore vicinanza forzata di questi gruppi polari potrebbe portare ad una loro maggiore interazione reciproca , fino alla formazione di legami più o meno forti fra di essi: dai legami idrogeno fra gruppi –OH a vere e proprie reazioni chimiche, ad esempio di condensazione e di intraesterificazione.  Ma anche senza arrivare ad una vera e propria reazione chimica, che per definizione cambierebbe comunque la natura composizionale della sostanza interessata, questo comportamento starebbe alla base della formazione di stati conformazionali irreversibili.   Una conseguenza macroscopica di questo può essere ad esempio la perdita di solubilità e quindi la precipitazione della sostanza interessata a questo stravolgimento conformazionale, come anche la perdita di alcune peculiarità funzionali come ad esempio, nel caso di tratti di un enzima, quella di catalizzare reazioni biochimiche.   Non per niente i produttori di enzimi, più che fornire indicazioni in merito alla purezza della sostanza da essi commercializzata, si riferiscono ad essa parlando di “attività”.   Tutti questi fenomeni di trasformazione irreversibile su base conformazionale, specie quando incidono negativamente sulle proprietà funzionali specifiche della molecola, vanno solitamente sotto il nome di denaturazione.

muscovite: minerale e struttura

denaturazione reversibile ed irreversibile di una proteina

Anche la rimozione del solvente apolare ed il ripristino delle condizioni acquose iniziali, infatti, potrebbe eventualmente non essere sufficiente a restituire la conformazione distesa iniziale della struttura: le molecole di acqua infatti potrebbero non riuscire a penetrare facilmente fra le fitte maglie della molecola serrata a guscio su sé stessa per nascondere la sua parte maggiormente polare, ed anche potendolo fare ci si potrebbe comunque domandare se il potente reticolo di legami idrogeno ormai a corto raggio per la prossimità dei gruppi polari in uno spazio ristretto, potrebbe essere così facilmente spiazzato da qualche molecola di acqua in arrivo fra le maglie della struttura appallottolata.

Altri tipi di denaturazione su proteine possono essere indotti tramite l’aggiunta di determinati sali inorganici ad elevata concentrazione (es. solfato di ammonio) ma ricordo bene anche casi di polisaccaridi, come ad esempio l’inulina, che non soltanto possono essere precipitati dalle loro soluzioni acquose concentrate per aggiunta di abbondanti quantità di etanolo, ma il prodotto precipitato, lui stesso inulina, una volta isolato per centrifugazione ed asciugatura, risultava maggiormente idrosolubile dell’inulina di partenza.   Quindi proprietà chimico-fisiche, biologiche ed applicative spesso diversissime, a fronte spesso di una struttura molecolare che non è in fondo cambiata nella sua connettività generale, almeno se ci si riferisce ai legami tradizionali più forti, ovvero a quelli covalenti.
Che fare allora?  Considerare “solo questi casi estremi” di conformeri come sostanze chimiche diverse rispetto alla sostanza di partenza?  O ammettere, contrariamente ad uno degli assunti fondanti della chimica, che le proprietà di una sostanza non dipendano esclusivamente dal tipo di atomi in essa presenti e dal loro modo di legarsi reciprocamente?

ASSEMBLATI SUPRAMOLECOLARI

Ultimo caso potrebbe essere rappresentato dalle strutture che si originano in seguito ad interazioni supramolecolari.   Molecole perfettamente in grado di esistere stabilmente in modo autonomo, ma che messe insieme mostrano un’affinità reciproca molto ben definita, che si traduce anche in assetti posizionali reciproci caratteristici fra le due molecole.   O in alternativa una molecola covalente ed uno ione, in grado di sviluppare un’interazione molto forte e soprattutto specifica, fino alla formazione di un addotto aventi proprietà specifiche.
etere corona ospitante uno ione potassio

etere corona ospitante uno ione potassio

Una grossa  molecola con un buco di forma, dimensioni e funzionalizzazione ben definite, in grado di ospitarne un’altra più piccola, ma magari non un’altra che pure a prima vista potrebbe anche assomigliarle.  La stessa interazione altamente specifica fra il sito attivo di un enzima ed il suo substrato d’elezione può rappresentare un esempio dei più illustri all’interno di questa categoria di interazioni.   Un altro caso molto noto riguarda gli eteri corona, molecole grosso modo a forma di ciambella, la cui cavità centrale circondata internamente da atomi di ossigeno con doppietti elettronici perfettamente esposti, mostra un’elevata affinità per i cationi inorganici: il diametro stesso dalla cavità costituisce il fattore di selettività, tanto da rendere gli eteri corona in grado di “distinguere” sulla base dell’intensità dell’interazione i due cationi  talmente simili in quanto a proprietà esteriori da costituire fino a poco tempo fa il più grande cruccio per gli studenti nei laboratori di analisi qualitativa: stiamo parlando del sodio e del potassio.   E’ proprio la differenza in termini di raggio ionico, se rapportato al diametro della cavità dell’etere corona, a consentire la discriminazione fra questi due cationi monovalenti.

Interazioni di tipo supramolecolare stanno anche alla base della formazione di importantissime strutture costituite da molte molecole, tenute insieme da forze secondarie di legame.   E’ il caso delle repulsioni idrofobe delle code alchiliche, insieme ai legami idrogeno sviluppati reciprocamente fra le teste polari, e fra le teste polari e l’acqua circostante, a motivare la formazione delle micelle di sapone in ambiente acquoso, o le micelle inverse (con la testa polare all’interno e la coda idrocarburica all’esterno) quando l’ambiente di solvatazione risulta essere prevalentemente apolare.
ribosoma

ribosoma, una struttura cellulare chimicamente definita

Interazioni di tipo supramolecolare, a ben vedere, stanno anche alla base dell’esistenza di ultra-strutture cellulari, quelle che segnano la linea di demarcazione delle basi della biologia, e nello specifico della citologia, evidenziandone chiaramente le basi chimiche: dal doppio strato fosfolipidico delle membrane cellulari ai ribosomi, dai microtubuli facenti parte del cosiddetto scheletro cellulare, alla stessa doppia elica del DNA.

A questo punto ci si potrebbe davvero domandare se la definizione di “sostanza chimica” in questo caso dovrebbe riferirsi alla specie chimica isolata, monometica, o al suo stato organizzativo superiore, ad esempio alla microstruttura organizzata e funzionale, che pure risulta perfettamente definita dal punto di vista chimico.
muscovite: minerale e struttura

muscovite: minerale e struttura

Le interazioni secondarie fra molecole di tipo differente ed in taluni casi anche dello stesso tipo stanno alla base di fenomeni trattati in branche totalmente differenti della chimica, come la biochima e la cristallografia, tanto per quanto riguarda le molecole organiche (es. proteine, polisaccaridi, ecc) che per quanto concerne le macromolecole inorganiche.   Nel caso dei minerali appartenenti alla classe dei fillosilicati (come il talco, la biotite, la muscovite, ecc) si assiste all’alternanza spaziale di foglietti fra loro paralleli (a loro volta costituiti da tetraedri di silicio con 4 atomi di ossigeno ai vertici, uniti fra loro in un reticolo bidimensionale) con strati di cationi monovalenti, come in una sorta di sandwich multistrato.   Inutile sottolineare come questa struttura anisotropa già a livello “micro” si rifletta sulle proprietà macroscopiche del materiale, giustificando la modalità di frattura secondo piani paralleli, come nell’esempio della muscovite in fotografia.

struttura quaternaria dell'emoglobina

struttura quaternaria dell'emoglobina

In campo biochimico invece rivesta grande importanza il concetto di struttura quaternaria, introdotto per descrivere l’interazione tramite legami deboli di unità proteiche distinte per formare una struttura funzionale unitaria: uno dei casi storici più noti è quello dell’emoglobina, alla quale è riconosciuta una struttura quaternaria composta (e si tratta solo di una casuale assonanza fra i due 4!) da 4 sub-unità proteiche.   Penso che a nessuno di noi verrebbe in mente di evitare di utilizzare per l’emogloblina la definizione di “sostanza chimica”.   Altri esempi, sempre dal mondo biochimico e della biologia cellulare, sono quello dei quantasomi, le unità fotosintetiche complesse ma chimicamente definite (ancora una volta tetrameriche) ubicate sulla membrana dei tilacoidi, nei cloroplasti, ed il complesso enzimatico della piruvato-deidrogenasi.   In tutti questi casi le singole unità possono esistere ed anche in modo stabile isolatamente, ma è solo il loro insieme organizzato a consentire il raggiungimento di proprietà funzionali che, a ragione, non appartengono più strettamente al mondo della chimica così come siamo solito intenderlo in chiave tradizionale, quanto per lo meno a quello della biochimica, aprendo la strada ad una accezione del tutto nuova ed autonoma dell’accezione di sostanza: quello riferito all’ambito della biologia molecolare.

Le forze secondarie che stanno alla base della formazione degli assemblati supramolecolari sono un po’ tutte quelle che, già dai libri di scuola, si impara stare alla base della formazione dei legami chimici, con l’esclusione ovviamente dei legami cosiddetti covalenti, molto più forti, sui quali è basata invece la struttura delle molecole, in particolare nel campo organico.   Fra le interazioni secondarie chiamate in causa si possono elencare per esempio: legami idrogeno, forze di Van der Waals, interazioni pi-greco – pi-greco, coordinazione da parte di metalli, interazione idrofobica, ed effetti elettrostatici.    Per quanto deboli esse siano, queste interazioni fanno comunque sì che le proprietà della “sostanza”, non soltanto quelle macroscopiche ma anche quelle chimico-fisiche di maggior dettaglio, risultino in una certa misura diverse da quelle che potrebbero essere registrate sulle singole molecole separate, ovvero non organizzate strutturalmente in assemblati supramolecolari.     Anche questa sembrerebbe suonare come una sorta di violazione all’idea stessa di sostanza chimica, fino a farci immaginare di poter identificare come due sostanze differenti quella libera e quella organizzata, con magari la possibilità in quest’ultimo caso di proseguire con ulteriori distinguo sulla base del livello di organizzazione.

CONCLUSIONI

Quale insegnamento, o anche semplicemente quale conclusione possiamo quindi trarre da tutta questa casistica di esempi, per quanto davvero eterogenea al suo interno?
Probabilmente una nuova relativizzazione del termine di sostanza, sicuramente nella sua accezione generale, ma in un certo senso “anche” nell’ambito specifico di pertinenza della chimica.
Disponendo di ben più di un termine maggiormente puntuale da utilizzare funzionalmente allo scopo di descrivere gli oggetti dei quali si occupa (vedasi l’articolo: “sostanza, molecola, composto o specie chimica? …le definizioni a confronto“), ad iniziare probabilmente proprio dall’espressione “specie chimica” dal sapore particolarmente attuale, la chimica in quanto scienza pura e dal rigoroso impianto gnoseologico non ha probabilmente bisogno di utilizzare e descrivere ulteriormente il termine “sostanza”, rischiando al contrario di diventarne essa stessa vittima, lasciandolo pertanto in eredità alle sue branche più speculative, quant’anche esse stesse di tipo chimico, al linguaggio tecnico ed a quello quotidiano, nonché ovviamente alla discussione filosofica.
L’alternativa, che credo nessuno di noi si auspicherebbe, è quella di un pignoleria fine a sé stessa, dove le definizioni diventano più il fine che non il mezzo della trasmissione culturale.
Infatti i termini nascono per facilitare la conoscenza e la comprensione dell’uomo nei confronti della realtà, nonché la trasmissione culturale e formativa di questi valori: uno spirito questo condiviso in larga parte dalla stessa IUPAC, quando con periodicità provvedere ad aggiornare i suoi algoritmi per l’assegnazione di un nome ad una determinata struttura chimica e viceversa.   Se l’attribuzione di un termine inizia a perdere del tutto la sua funzionalità per divenire esso stesso oggetto di discussione scientifica, l’argomento per quanto intellettualmente stimolante possa essere, mi dispiace, ma non è più chimica.

2 risposte a quando la materia si organizza in modo più complesso: l’evoluzione del concetto di sostanza

  • admin scrive:

    Caro Sergio,
    effettivamente la scienza dei materiali, con i suoi numerosi esempi fra i quali i due che hai riportato, è un altro di quei campi, insieme alla biologia molecolare ed alla geologia, dove il concetto di sostanza tende ad acquisire ambiguità in relazione all’aumento della complessità organizzativa della materia.
    Grazie infine per le due annotazioni: corretto il refuso della frase non terminata e, soprattutto, verificato con grande sorpresa il significato che quei buontemponi USA sono andati effettivamente a dare al termine softwood!

  • Sergio Palazzi scrive:

    Bell’articolo, l’ho proposto come sfida per degli studenti alle prime armi con cui sto affrontando il concetto di “sostanza”.

    Una delle parole più abusate nella chimica di qualche decennio fa era “complesso”, che per quel che ricordo del latino significa “formato da più parti” mentre nell’uso corrente scivola spesso verso “difficile da capire”: è stato usato tanto per i tradizionali composti di coordinazione ad atomo centrale metallico (quelli che qualcuno ancora rappresenta con il legame “dativo” a freccina, una delle peggiori inutili complicazioni a livello didattico) a qualsiasi tipo di addotto cominciando da quelli tra diiodio e amido. Ne ho trovato anche degli usi che sarebbero da scompisciarsi se non fossero drammatici. In effetti il concetto di chimica supramolecolare nasce da lì.
    Ma… un composito fibra di vetro – resina poliestere, che non a caso ha sostituito il legno nelle barche e nelle botti, a questo punto come lo mettiamo?
    E lo strato di allumina contaminata del rubino o dei serramenti in “alluminio anodizzato”?

    Due osservazioni: “softwood” in inglese (specie USA) sta per “conifera”, a prescindere dal fatto che il douglas o il tasso siano molto più duri del pioppo o del tiglio. E’ un errore molto comune, si trova persino in alcuni importanti testi normativi. Le lignine (tutto plurale, per carità) delle conifere contengono strutture diverse da quelle di latifoglie.

    Conformeri bloccati: “può tradursi in”…? il senso è chiaro ma probabilmente si è perso un pezzo.

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