la chimica delle piante

Il sughero: un materiale naturale dalle proprietà sorprendenti

di Vincenzo Villani e Vito Lavallata

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

sughero e tappo di sughero Il sughero è un materiale molto diffuso e a tutti ben noto, ma non altrettanto ben conosciuto. L’uso che lo rende tanto comune è quello di sigillare bottiglie di vino, spumante, …, e nel periodo natalizio di risultare essenziale per la realizzazione del presepe. Ma il sughero è molto di più: la sua struttura microscopica e composizione è sorprendente, rendendolo campione di isolamento meccanico, acustico, termico ed elettromagnetico. In passato è stato largamente utilizzato per questi scopi e oggi viene riproposto, assieme a materiali polimerici di sintesi, in compositi dalle alte prestazioni tecnologiche.
Dal punto di vista microscopio è detto “materiale cellulare”, cioè costituito da una moltitudine di cellette simili all’alveare delle api. Le sue proprietà isolanti sono dovute alla capacità di dissipare energia, rendendolo quindi adatto a insonorizzare un ambiente, ad assorbire le vibrazioni di un motore, a coibentare degli apparati, e così via.

cataste di sughero grezzo appena raccolto

cataste di sughero grezzo appena raccolto

Con il termine ‘solidi cellulari’ si indicano quei materiali costituiti da un insieme di celle ovvero spazi contenenti gas delimitati da facce solide o da soli spigoli. Si tratta dunque, generalmente, di sistemi bifasici, tant’è che si può pensare ai materiali cellulari come ‘compositi’ costituiti da solido e gas.

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Come si “inventa” un farmaco a partire da una pianta medicinale?

Solidago Quando ad un ricercatore di un’industria farmaceutica viene chiesto di studiare una pianta che per tradizione viene riconosciuta come curativa, l’approccio che questi tiene è solitamente di tipo analitico-conoscitivo: egli cerca cioè di separare tutte le specie (sostanze) chimiche contenute nell’estratto della parte attiva della pianta (ad esempio nelle foglie, o nella radice, o nel frutto, ecc), quindi verifica quale sia la specifica molecola ad essere responsabile dell’azione medicinale, cerca di definirla nei minimi particolari strutturali, quindi prova a quantificarne il contenuto all’interno della pianta stessa.

Si tenga presente che in un qualsiasi vegetale il numero delle specie chimiche contenute può essere tranquillamente dell’ordine delle migliaia, anche se la stragrande maggioranza di queste sono per così dire “ubiquitarie”, ovvero comuni un po’ a tutti i vegetali e spesso a tutti gli esseri viventi in genere.
Si giustifica l’effetto terapeutico di una pianta medicinale in funzione di un suo componente generalista o ubiquitario, non specifico, solo nel caso in cui questo sia contenuto in concentrazioni insolitamente alte: l’acido L-ascorbico (vitamina C) è contenuta in tutti i vegetali, ma come è noto solo alcuni sono particolarmente indicati per chi vuole arricchire la sua dieta con questa importante vitamina, per la precisione i vegetali (o le parti di esso) che ne sono particolarmente ricchi.

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Gli allergeni ed i meccanismi cellulari e molecolari delle reazioni allergiche o di ipersensibilità (2° parte)

di Sergio Barocci

Immagini di particelle di polline al microscopio elettronico a scansione con applicazione di colorazione virtuale

Immagini di particelle di polline al microscopio elettronico a scansione con applicazione di colorazione virtuale

Gli allergeni sono proteine, glicoproteine o apteni coniugati a carrier, con peso molecolare tra 5 e 150 kDa, e punto isoelettrico compreso tra 2-10 . Ogni allergene proveniente ad esempio da acari, pollini, ecc. può presentare un elevato numero di determinanti antigenici o epitopi (multivalenza immunologica). Viene chiamata “epitopo” quella sequenza aminoacidica riconosciuta da uno specifico anticorpo (IgE, IgG, ecc.). Non esistono, come erroneamente spesso si è portati a dire, delle IgE specifiche per il latte (fonte allergenica) o per la caseina (proteina allergenica del latte), ma esistono IgE specifiche dirette verso i determinanti epitopici della caseina o di altre proteine allergeniche contenute nel latte.
Per fonte allergenica s’indica il contenitore materiale degli allergeni es.: il cane, l’uovo, il latte che sono considerate fonti allergeniche e non non allergeni, come spesso siamo soliti far riferimento.
Gli epitopi possono essere “lineari” (sequenza di aminoacidi contigui riconosciuti dalle IgE sulla struttura primaria dell’antigene) o “conformazionali” (sequenza di aminoacidi non contigui definiti dalla struttura tridimensionale della proteina) . Il numero e il tipo di epitopi conformazionali che caratterizzano ciascuna proteina allergenica è scarsamente conosciuto, mentre è assai più semplice comparare la sequenza primaria di un allergene mediante algoritmi di ricerca (www.allergome.org oppure www.uniprot.org).

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Il carbone vegetale: semplice ammendante del terreno o nuova risorsa rinnovabile?

di Giulia Cimò, Pellegrino Conte
Dipartimento di Scienze Agrarie e Forestali, Università degli Studi di Palermo, v.le delle Scienze
edificio 4, 90128 Palermo

L’uso di combustibili fossili è una delle cause principali dell’immissione nell’atmosfera di gas serra, capaci di alterare il sistema climatico terrestre. Una possibile soluzione al problema a livello internazionale, risulta essere l’utilizzo di fonti bioenergetiche. Per questo, negli ultimi anni, si è assistito al veloce sviluppo della gasificazione, un processo di degradazione termica di qualsiasi materiale organico di scarto finalizzata alla produzione di gas, oli e biochar. In particolare, il biochar si è rivelato essere un materiale estremamente duttile, utilizzabile non soltanto come combustibile naturale ma anche come ammendante del terreno. La sua applicazione ai suoli, infatti, permette il raggiungimento di due importanti obiettivi: l’aumento della fertilità del terreno e il sequestro di carbonio nei suoli, contribuendo alla mitigazione dei cambiamenti climatici.

 

BIOCHAR: VERSO UN FUTURO SOSTENIBILE

biochar di conifere

Fig. 1 – Biochar di conifere

Il cambiamento climatico è una delle sfide più importanti per il mondo moderno. È ormai comunemente accettato che l’aumento della concentrazione di gas ad effetto serra (soprattutto anidride carbonica, metano e protossido di azoto) nell’atmosfera influisca sul sistema climatico terrestre. Una delle cause principali dell’aumento della concentrazione di gas serra in atmosfera è l’uso di combustibili fossili, pratica che può essere ridotta soltanto mediante sforzi a livello internazionale.

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Da cosa è fatto l’humus? Formazione e proprietà della sostanza organica nel terreno

Il lungo, tortuoso percorso che conduce ciò che resta dei viventi a ricongiungersi alla madre terra, adempiendo all’antico monito “terra sei e terra ritornerai” è affascinante almeno quanto quello che porta alla nascita ed alla crescita degli stessi organismi.   A differenza che in questo caso, infatti, non assistiamo al prodigio di un meccanismo concertato, regolato dall’espressione di un genotipo affinato nel corso dell’evoluzione della specie ma alla fin fine, almeno se cogliamo l’attimo, tutto sommato deterministico ed individuale, solo marginalmente condizionato dalla pressione ambientale.
humusNel caso della trasformazione delle spoglie ex-viventi, dalle piante agli animali, fino ai corpiccini solo apparentemente trascurabili dei microrganismi, le regole del gioco sono meno precise, gli attori in gioco sono terribilmente tanti, le condizioni territoriali possono cambiare le leggi, ed alla fin fine quello che ha meno voce in capitolo è sicuramente il morto. Alla fin fine c’è meno differenza fra un gatto e di una melanzana decomposti in ambienti simili, piuttosto che di due gatti – o di due melanzane – decomposti in condizioni fra loro opposte.

La grossa distinzione che ci preme fare fin dall’inizio è relativa alle condizioni redox dell’ambiente nel quale l’organismo morto si viene a trovare.
Da un lato vi sono le cosiddette condizioni anaerobiche, o asfittiche, caratterizzate dal fatto che l’ossigeno non penetra con facilità, magari perché il terreno è molto compattato, o meglio ancora perché resta costantemente impregnato di acqua, e l’acqua sì può sciogliere una certa concentrazione di ossigeno, ma se essa non viene ricambiata, ed in compenso in quell’acqua ci vivono folte colonie di microrganismi aerobi, tempo pochi giorni e quell’acqua sporca sarà diventata un ambiente decisamente poco favorevole all’ossidazione.

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Da cosa è fatto il terreno?

In un pugno di terreno si incontrano più mondi: il minerale e l’organico, ed insieme la vita e la morte.  Tutti i regni viventi completano qui il loro ciclo di vita: polvere siamo ed in polvere ritorneremo, finché la vita saprà rinascere, ancora e sempre nuova, come l’araba fenice, da un pugno di terreno.
una manciata di terrenoLa terra: quella dei campi, dei giardini, dei vasi e degli incolti, dei boschi e dei prati.
La terra è composta di materiali minerali e di materiali organici.
I materiali minerali, inorganici, derivano dalla frantumazione meccanica e dall’attacco chimico delle rocce, siano esse quelle sottostanti nelle profondità dello stesso terreno che dislocate in luoghi del tutto diversi.  Si tratta di materiali per lo più in forma corpuscolare: da polveri a granelli, fino a sassolini e vere e proprie pietre – quindi minerali o gli aggregati eterogenei di questi – quelli che il geologo è solito definire rocce; ma anche sali minerali solubili, eventualmente in soluzione nell’acqua presente.  C’è sempre acqua nel terreno, di solito anche nel terreno apparentemente più riarso, anche se questa può risultare difficile da osservare, ed ancor più da estrarre.
I materiali organici possono essere molecole indipendenti – anch’esse talvolta solubili – grandi aggregati, o addirittura esseri viventi completi e vitali: batteri, funghi, protisti, piante ed animali.

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la fotosintesi clorofilliana: dettagli e varianti

di Salvatore Caiazzo

[ approfondimento del tema, già introdotto dallo stesso Autore nell’aticolo preliminare:
la fotosintesi: un sistema redox per la vita” ]

struttura ed immagine al microscopio dei tilacoidi in un cloroplasto

Il processo di fotosintesi nelle piante si può formulare in questa reazione molto generale:

equazione generale della fotosintesi

Ponendo n uguale a sei si ottiene glucosio come prodotto non definitivo della fotosintesi. Questo processo dunque consiste nella riduzione della CO2  con acqua come riducente. Esperimenti condotti in parallelo su batteri fotosintetici hanno dimostrato che l’ossigeno prodotto dalla fotosintesi non proveniva dalla anidride carbonica ma bensì dall’acqua a suffragio di questa ipotesi vi sono inoltre evidenze sperimentali ottenute da esperimenti condotti utilizzando un isotopo dell’ossigeno, l’ossigeno 18. in considerazione di questi fatti l’equazione della fotosintesi è da scrivere nel modo seguente :

equazione della fotosintesi per la produzione di glucosio

con una variazione di energia libera standard pari a + 2863 KJ/mol.

struttura del cloroplasto - foto al microscopio elettronico a trasmissioneIl quoziente fotosintetico PQ che si ha dal rapporto tra ossigeno e anidride carbonica è uguale a 1 quando si ha formazione di carboidrati. Il processo di fotosintesi è un processo endoergonico nel quale il flusso degli elettroni scorre contro gradiente termochimico e l’energia necessaria affinché questa migrazione elettronica sia possibile si ha grazie alla luce.
La fotosintesi, se considerata nella sua globalità, è il processo inverso della respirazione cellulare ( processo in cui si ha la trasformazione della materia organica in energia estraendola dall’ ATP, e che può rapidamente cedere alle attività che la richiedono.

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la fotosintesi: un sistema redox per la vita

di Salvatore Caiazzo


flussi di materia interni ad una piantaLA SCOPERTA DELLA FOTOSINTESI

L’osservazione dei fenomeni naturali, trova fin dall’antichità interesse nelle menti più erudite dei tempi.   L’analisi empirica dei fenomeni biologici ha da sempre appassionato gli studiosi di tutti i tempi.   Le scienze biologiche hanno guadagnato un’identità propria fin dal formarsi di una tradizione di scienza medica e di storia naturale, cioè fin dai tempi di Aristotele (IV secolo a.C.) e Galeno (II-III secolo d.C.).
Ad Aristotele si devono le prime osservazioni sulle analogia e/o differenze nel trofismo delle specie viventi considerando con “estrema” semplicità come: mentre gli animali si procuravano il cibo per potere sopravvivere, così le piante, che non ingeriscono alimenti, dovevano in qualche modo trarre dal substrato i nutrienti.
Jan Baptista van Helmont (1579-1644) provò attraverso un’analisi biometrica, avente come oggetto di studio una piantina di salice indoor, che: attraverso un quinquennio di misurazioni sulla pianta, alla quale forniva solo acqua, essa si era accresciuta fino a raggiungere 74,4 kg, mentre il peso del terreno sostanzialmente non era variato (pesava solo 57 grammi in meno), deducendo in questo modo che la pianta traeva dall’acqua le sostanze di cui aveva bisogno.
Successivamente nel 1771 il chimico inglese Joseph Priestley, con un semplice esperimento nel quale poneva una piantina dentro una campana di vetro, dove in precedenza aveva bruciato una candela, notò che: la piantina sopravviveva e che, dopo alcuni giorni, nella campana si poteva fare bruciare una nuova candela o mantenere in vita un topo.  

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gli ormoni, negli animali e nei vegetali: una panoramica sui messaggeri chimici intercellulari

CHE COS’E’ UN ORMONE?

Un ormone è una sostanza chimica utilizzata da un organismo complesso pluricellulare per trasmettere un segnale da una cellula ad un’altra dello stesso organismo. Questa semplice definizione crea già dei fondamentali distinguo, ma anche delle inaspettate affinità, fra meccanismi di trasmissione diversi del segnale, sempre in ambito biologico.   Sono escluse per esempio tutte quelle forme di comunicazione cosiddette semiochimiche che, al di là delle loro modalità, finalità e target di destinazione (sesso, specie, ecc) comportano l’utilizzo di una sostanza chimica per la trasmissione di un segnale tra individui diversi.   Allo stesso modo sono escluse tutte quelle forme di comunicazione non unicamente basate sulla mediazione di sostanze chimiche, come ad esempio la trasmissione del’impulso nervoso.
posizione principali ghiandole a secrezione interna nell'essere umanoAl contrario, la definizione di ormone non fa alcun riferimento alla natura chimica specifica delle sostanze coinvolte, all’organizzazione del centro di produzione (che può essere una singola cellula, un gruppo di cellule, un tessuto o un organo), al bersaglio (che può anch’esso essere una singola cellula, un gruppo, un tessuto o un organo), alla tassonomia dell’organismo ed alle implicazioni in chiave biologica del segnale trasmesso.

Ovviamente il fatto stesso di parlare di trasmissione di un segnale “da una cellula ad un’altra dello stesso organismo” implica che si stia parlando di organismi pluricellulari.  

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microrganismi in cattività: quando la sintesi chimica ricorre al bioreattore

Se le piante si coltivano nei campi oppure nelle serre, i bovini si allevano nelle stalle o sui pascoli, le galline nei pollai e le pecore negli ovili, quando vogliamo allevare i microrganismi con finalità produttive, li trattiamo nei fermentatori.

bioreattore pilota con utilities connesseI fermentatori sono degli speciali contenitori, spesso davvero superaccessoriati e dotati di raffinatissimi controlli, in qualche caso molto ma molto più caserecci, dove i microrganismi sono mantenuti in vita e fatti riprodurre, nelle migliori condizioni richieste per la loro esistenza o, come capita spesso per gli animali e le piante d’allevamento (per quanto la cosa risulti davvero triste) nelle condizioni migliori per poterli sfruttare a fini produttivi.
Batteri di ogni tipo, aerobi ed anaerobi, compresi quelli che desiderano sì un po’ di ossigeno ma guai a dargliene più di un tot, funghi di ogni tipo, dalle classiche muffe filamentose agli Saccharomyces cerevisiae - il fungo ascomicete unicellulare che costituisce lo lievito di birralieviti, che sono di fatto sempre una tipologia di funghi, ma unicellulari: tutta questa variegata casistica di microrganismi ed altri ancora possono essere allevati su scala di laboratorio o in impianti di dimensioni grandissime, dove il cuore del sistema, comunque lo si consideri, consiste sempre in un a grossa cisterna cilindrica, talvolta allestita con controlli ed attuatori degni, direbbe qualcuno, di una centrale nucleare, ma pur sempre di una cisterna si tratta, dove miliardi e miliardi di microrganismi, tutti della stessa specie e per lo più anche dello stesso ceppo genetico, se ne stanno tutti insieme a vivere e riprodursi in condizioni di concentrazione in confronto delle quali le galline in batteria avrebbero a disposizione una villa con piscina.

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