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

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

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 :

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

Il 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. La respirazione cellulare avviene in 3 fasi ed è continua: GLICOLISI-CICLO DI KREBS-CATENA DI TRASPORTO DI ELETTRONI)

LE REAZIONI DELLA FASE LUMINOSA

Il processo di fotosintesi comprende reazioni che richiedono energia l’energia luminosa e reazioni che si svolgono anche nella oscurità. Così la velocità di fotosintesi è proporzionale all’intensità della luce solo a basse intensità luminose, mentre per elevate illuminazioni diventa limitante un processo indipendente dalla luce. Quando l’illuminazione è intermittente, la velocità di fotosintesi nei periodi di luce dipende dalla durata dei periodi oscuri e dalla temperatura.

La produzione del potere riducente

La riduzione della CO2 a carboidrato (CH2O) comporta il consumo di 4 atomi di idrogeno o di 4 elettroni, ma non sappiamo ancora chi o che cosa li fornisca alla pianta. Gli atomi di idrogeno necessari per la riduzione dell’anidride carbonica nei cloroplasti provengono dall’acqua, (infatti sono sufficienti due molecole di H2O per fornire quattro H); la loro sottrazione sviluppa  una molecola di ossigeno, come è indicato nell’equazione scritta qui sotto.

Gli atomi di idrogeno vengono trasportati dal nucleotide accettore di H (NADP), il quale, formando con essi legami altamente energetici (NADPH2), dove l’idrogeno possiede quasi la stessa energia potenziale dell’idrogeno gassoso, richiede gran parte dell’energia fornita dalla luce attraverso la clorofilla.

H2O + NADP+ ==>  hv +  NADPH + H+ +  ½  O2

Questo processo primario prese il nome dal biochimico Robert Hill perché fu il primo a scoprire che questa serie di reazioni, che avvengono nelle membrane dei tilacoidi, costituiscono il vero potere riducente delle reazioni della fase luminosa della fotosintesi. Alla reazione di Hill è associato un altro processo detto fotofosforilazione, cioè addizione di un fosfato inorganico ad una molecola di ADP per formare, con l’energia fornita dalla luce, una molecola di ATP. L’energia di quest’ultimo si aggiunge alla grande quantità di energia contenuta nell’idrogeno del nucleotide trasportatore, in modo da fornire energia aggiuntiva per energizzare la riduzione dell’anidride carbonica.

FOTOCHIMICA DELLA CLOROFILLA

La clorofilla a mostra due stati eccitati principali: la luce rossa porta la molecola al primo stato eccitato di singoletto, che rappresenta quello più importante e più povero di energia; la luce azzurro – violetta eccita la molecola più fortemente, fino al terzo stato eccitato di singoletto . Le molecole portate inizialmente agli stati eccitati più elevati decadono velocemente al primo stato eccitato di singoletto, e durante questa trasformazione l’energia liberata va persa come calore. Poiché dunque si può ottenere un lavoro chimico solo dalla transizione assai più lenta dal primo stato eccitato di singoletto allo stato fondamentale, un fotone di luce blu – pur più ricco di energia – non contribuisce alla fotosintesi più di un fotone di luce rossa, povero di energia.

Conversione quantica

Per fornire l’energia necessaria alle reazioni della fase luminosa, i cloroplasti utilizzano l’energia della luce, essa viene assorbita sotto forma di quanti da una molecola di pigmento, il cui elettrone energizzato rende la molecola di clorofilla (chl) eccitata (*).

Chl* ==> chl++ e-  

L’energia, per essere utilizzata dal cloroplasto, deve essere convertita dalla forma fisica (chl*) alla forma chimica (chl++ e-), tale processo prende il nome di conversione quantica e avviene mediante il trasferimento di un elettrone dalla chl* energizzata all’accettore biochimico di elettroni  (NADPH2). L’accettore ridotto costituisce l’effettivo potere riducente per la riduzione della CO2 che avviene nel ciclo di Calvin durante le reazioni della fase oscura.
La chl+ viene ripristinata nel suo stato normale da un elettrone proveniente dalla scissione dell’acqua avvenuta durante la reazione di Hill, con la conseguente produzione di ossigeno; volendo essere più precisi possiamo dire che la formazione di una molecola di O2  avviene grazie a 4 trasferimenti di elettroni. Riassumendo, la conversione quantica consiste nella cessione di un  elettrone ricco di energia da una molecola di clorofilla eccitata, direttamente dal quanto di luce o da un pigmento accessorio adiacente, ad un accettore di elettroni. Ecco qui una breve rappresentazione di questo processo fondamentale, senza il quale non avverrebbe alcuna reazione secondaria.

Come ben sapete la conversione quantica innesca due processi fondamentali distinti in due fotosistemi: il fotosistema I (P700) e il fotosistema II (P680). Entrambi i fotosistemi sono costituiti da due parti specifiche: il complesso fotoassorbente e una catena di trasporto degli elettroni, il primo è formato da circa trecento molecole di clorofilla e di pigmenti accessori che assorbono la luce e  trasmettono l’energia ricavata dalla conversione quantica ad una specifica molecola di clorofilla, detta clorofilla del centro reattivo. Questa, che è adiacente alla catena del trasporto degli elettroni, cede un suo elettrone carico di energia ai vari carrier immersi nella membrana di tilacoidi, alimentando in questo modo le reazioni dei fotosistemi. Il fotosistema II preleva elettroni dall’acqua ossidandola a ossigeno, in seguito li trasmette al fotosistema I, il quale li innalza a un livello energetico superiore, permettendo loro di ridurre l’NADP a NADPH2. L’azione in serie dei due fotosistemi dei cloroplasti porta gli elettroni ad un livello energetico tanto alto quanto basta per ridurre l’NADP, ma questo flusso unidirezionale di elettroni non sarebbe possibile senza un continuo rifornimento del centro reattivo del fotosistema II con nuovi elettroni di rimpiazzo provenienti dalla scissione dell’acqua.

La fotofosforilazione

Il trasporto degli elettroni fotosintetici innesca un processo che determina la produzione di ATP, ovvero di quelle molecole in grado di incamerare grandi quantità di energia in legami intramolecolari  altamente energetici. Questo processo è detto fotofosforilazione, cioè fissazione di un fosfato inorganico ad una molecola di ADP attraverso l’energia fornita dalla luce del sole; esso implica un meccanismo (chemiosmosi)  assai complesso di reazioni che è molto simile a quello che avviene nella fosforilazione mitocondriale. Questo meccanismo della sintesi di ATP fu proposto per la prima volta nel 1961 dal biochimico inglese Peter Mitchell, il quale dimostrò che la chemiosmosi è il meccanismo di produzione dell’ATP non solo nei cloroplasti ma anche nei mitocondri. Egli scoprì che la chemiosmosi, implicando il trasporto di ioni attraverso le membrane, nei cloroplasti facilita la fotofosforilazione riduttiva, mentre nei mitocondri la fosforilazione ossidativa.

Durante il meccanismo chemiosmotico della fotofosforilazione, il flusso di elettroni tra trasportatori elettronici determina il trasporto degli ioni H+ nello spazio interno del tilacoide attraverso la sua membrana (si ricordi che gli ioni H+ si sono formati dalla scissione delle molecole d’acqua presenti negli spazi intertilacoidei). In questo modo la concentrazione degli idrogenioni nel tilacoide aumenta stabilendo una differenza di pH e di concentrazione tra le due superfici opposte della membrana tilacoidea. Quest’ultima non consente agli ioni idrogeno di uscire, se non servendosi di specifici canali proteici in cui sono presenti enzimi ATPasi addetti alla sintesi di ATP.
Gli ioni H+ fluiscono attraverso questi canali secondo il loro gradiente di carica e di concentrazione, liberando in questo modo l’energia necessaria a sintetizzare l’ATP. Nella figura qui a fianco viene illustrato sinteticamente il meccanismo chemiosmotico all’interno di un tilacoide; per produrre energia per la sintesi di ATP tale meccanismo si basa sul gradiente di ioni idrogeno formatosi grazie al flusso di elettroni dall’acqua all’NADP, che ha luogo nel fotosistema II.  Per comprendere meglio questo processo ossidoriduttivo possiamo paragonare il tilacoide ad una cella elettrochimica (pila), con la sola differenza che quest’ultima, prima o poi, esaurisce la propria energia potenziale (?E°P ?0), mentre il primo è in grado di “autoricaricarsi”. Qui in basso   potete vedere che, in effetti, il tilacoide assomiglia moltissimo ad una normale pila zinco carbone.

QUANTA ACQUA SERVE PER PRODURRE UNA MOLECOLA DI OSSIGENO?

Se osserviamo la seguente semireazione di ossidazione:

2 H2O ==> O2 + 4 H+ + 4 e-

Vediamo che essa, più opportunamente, può essere rappresentata come:

4 H2O ==> O2 + 4 H+ + 4 e- + 2 H2O

Possiamo quindi fare una serie (schematica) di ragionamenti. Quattro molecole d’acqua producono una molecola di ossigeno, con la restituzione di due molecole d’acqua; ventiquattro molecole d’acqua producono sei molecole di ossigeno, con la restituzione di dodici molecole d’acqua.

FOTOSINTESI DELLE PIANTE CON CICLO C4

In alcune piante l’anidride carbonica non partecipa direttamente al ciclo di Calvin, ma viene “temporaneamente” trasformata, a livello delle cellule del mesofillo della foglia, in un composto detto ossalacetato che possiede 4 atomi di carbonio.   Questo viene a sua volta trasformato in un altro composto a 4 atomi di carbonio, il malato (o l’aspartato, a seconda della specie vegetale), che migra dal mesofillo alle cellule che circondano i fasci conduttori (cellule della guaina del fascio).   Qui il malato (o l’aspartato) viene riconvertito in anidride carbonica, CO2, che viene infine coinvolta nelle reazioni del ciclo di Krebs.

Questo tipo di fotosintesi si riscontra principalmente in piante che vivono nelle regioni tropicali: infatti, nelle piante C4 la fotosintesi si svolge in modo ottimale a temperature più alte di quelle richieste dalle piante C3; inoltre, le C4 riescono a fiorire a temperature alle quali le C3 non sopravvivono.
La resa della fotosintesi con ciclo C4 (ossia la quantità di zuccheri prodotti rispetto all’anidride carbonica utilizzata) è superiore a quella della fotosintesi C3, a causa del fenomeno della fotorespirazione che accompagna quest’ultima: di conseguenza, le piante C4 riescono a effettuare la fotosintesi alla stessa velocità delle C3, ma aprendo in misura inferiore gli stomi, limitando in tal modo anche la perdita di acqua.

Si ritrovano piante con fotosintesi C4 in almeno 18 famiglie differenti e in oltre 100 generi: sembra che, nel corso dell’evoluzione, questo tipo di reazione fotosintetica si sia affermata in modo indipendente nelle diverse linee evolutive del regno vegetale.

FOTOSINTESI ”CAM”

La fotosintesi CAM (acronimo di Crassulacean Acid Metabolism, ossia metabolismo acido delle crassulacee) avviene in modo analogo alla fotosintesi con ciclo C4: anch’essa, infatti, prevede una fase iniziale in cui l’anidride carbonica viene trasformata in composti a 4 atomi di carbonio e una fase successiva in cui questi vengono riconvertiti in anidride carbonica, che viene coinvolta nella reazione del ciclo di Krebs.
Le due fasi avvengono in due momenti separati: la prima avviene di notte, quando i composti a 4 atomi di carbonio (soprattutto acido malico) appena sintetizzati vengono accumulati in speciali vacuoli; la seconda fase avviene di giorno.

esempi di piante appartenenti alla famiglia Crassulaceae

Questo tipo di fotosintesi è tipico, come indica il suo stesso nome, di molte piante succulente, come le crassulacee e le cactacee, e rappresenta un adattamento ai climi caldi e aridi in cui tali piante vivono. Infatti, la fase che richiede l’apertura degli stomi, per permettere l’ingresso della CO2, avviene di notte, quando l’ambiente risulta più fresco e umido; la seconda fase può invece avvenire di giorno, perché non richiede l’apertura degli stomi.   In tal modo, le succulente evitano pericolose perdite di acqua.

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LA 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.   In questo modo J.P. formulò l’ipotesi che le piante avessero la capacità in qualche modo di rigenerare l’aria detossificandola e rendendola disponibile a una nuova forma biologica.   Fu il medico inglese Jan Ingenhousz, nel 1796, a teorizzare la capacità delle piante di utilizzare l’anidride carbonica dell’aria scindendola per ottenere carbonio, e che in questo processo esse liberassero ossigeno.   Osservò anche che le piante emettevano l’ossigeno solo in presenza di luce, e che tale fenomeno avveniva in corrispondenza delle parti verdi.

esperimento di Priestley sulla fotosintesi

Nacque così il concetto di foto autotrofia che spiega come gli organismi autotrofi quali le piante traggano l’energia dalla radiazione solare attraverso la fotosintesi, un processo dipendente dalla luce, che viene percepita dall’occhio umano alle lunghezze d’onda comprese tra 380 e 700 nm, ambito nel quale si hanno i fenomeni di fotosintesi e di fototropismo.   Studi condotti da Ingenhousz, e molto più tardi gli esperimenti del biochimico statunitense Cornelius B. van Niel, portarono alla conclusione che la fotosintesi delle piante, sia quella, da lui osservata, dei solfo batteri, poteva essere descritta dalla equazione seguente:

dove n corrisponde al numero di molecole di anidride carbonica che reagiscono, passando per la scissione dell’acqua e non dell’anidride carbonica confermando così l’ipotesi che l’ossigeno prodotto proveniva dall’acqua.   Nel 1905, si ebbe la dimostrazione che la fotosintesi avviene in due fasi grazie alle analisi di F. Blackman che, osservò come durante il processo si verificavano le trasformazioni chimiche dipendenti dalla quantità di luce disponibile e non dalla temperatura, e altre che invece dipendono dalla temperatura e non dalla intensità luminosa.

LE FONTI DI ENERGIA

 
Come sappiamo la pianta autotrofa è in grado di elaborare tutti i composti necessari alla sua struttura e alla sua attività a partire dalle sostanze inorganiche naturali e di procurarsi inoltre l’energia per il lavoro chimico, osmotico, e meccanico traendola dalle fonti dell’ambiente inanimato circostante (irradiazione, differenze di potenziale chimico).   Benché il numero delle specie vegetali sia assai più modesto rispetto alle oltre 2 milioni di specie animali, nondimeno la produzione di biomassa complessiva delle piante (fitomassa) è superiore più di 1000 volte alla biomassa animale (zoomassa, compreso l’uomo).   Tra gli organismi autotrofi il ruolo di gran lunga più importante è svolto dai fotoautotrofi, che coprono totalmente il loro fabbisogno di energia mediante l’energia radiante della luce; i chemio autotrofi, che si producono l’energia necessaria con l’ossidazione di composti inorganici, sono quantitativamente insignificanti al loro confronto.

AUTOTROFIA

Tra gli organismi autotrofi il ruolo di gran lunga più importante è svolto dai fotoautotrofi, che coprono totalmente il loro fabbisogno di energia mediante l’energia radiante della luce; i chemio autotrofi si procurano l’energia necessaria con l’ossidazione dei composti inorganici, sono quantitativamente insignificanti al loro confronto.   I chemioautotrofi si trovano esclusivamente tra i Procarioti e vanno perciò considerati come un relitto, un gradino primitivo dell’evoluzione.

FOTO-AUTOTROFIA

 
Le piante autotrofe in natura traggono l’energia dalla radiazione solare innescando il processo della fotosintesi che è dipendente dalla luce. Indichiamo come luce la forma di energia radiante che può essere percepita dall’occhio umano; è questo l’ambito di lunghezze d’onda (λ) comprese tra 380 e i 700 nm circa.   Questa zona dello spettro si può pertanto definire fotobiologia.

spettri assorbimento di clorofille e carotenoidi

L’ambito fotobiologico dello spettro è più ristretto di quello fotochimico.   Per la possibilità di vita sulla terra è perciò di importanza decisiva che lo spettro della radiazione solare, che all’origine spazia da 225 a 3200 nm, venga fortemente limitato prima di raggiungere la superficie terrestre.   La radiazione viene indebolita dall’atmosfera.   La radiazione con lunghezza d’onda inferiore a 320 nm viene fortemente assorbita da uno strato di ozono dell’atmosfera sicché le lunghezze d’onda inferiori ai 290 nm biologicamente pericolose vengono completamente trattenute.   Nell’ambito delle radiazioni a più alta lunghezza d’onda, l’assorbimento da parte del vapore acqueo diventa sensibile tra i 720 e i 2300 nm.   Sopra i 2300 nm la radiazione infrarossa è in pratica completamente assorbita dal vapore acqueo e dall’anidride carbonica. Nell’attraversare l’atmosfera, dunque, lo spettro della radiazione solare viene limitato a un ambito compreso tra i 340 e i 2300 nm.

I PIGMENTI FOTOSINTETICI

Clorofille.   In tutti gli organismi fotoautotrofi la clorofilla è il pigmento assorbente fondamentale.   Tra le diverse clorofille è la clorofilla a che assume il ruolo più importante in tutti gli organismi che sviluppano ossigeno nella fotosintesi. Nelle piante superiori è tuttavia sempre presente anche la clorofilla b.   Le clorofille contengono un anello porfirinico con un atomo centrale di magnesio.   La catena laterale di acido propionico è esterificata, nelle clorofille a e b con un alcool a lunga catena lipofila, il fitolo.

Alcune caratteristiche proprie della clorofilla a e comuni alle altre clorofille hanno fatto di questa molecola il pigmento elettivo degli organismi fotosintetici:

1.   Un elevato numero di doppi legami coniugati reca un elevato numero di elettroni π che necessitano di poca energia per l’eccitazione corrispondente all’assorbimento di una radiazione di relativamente alta di lunghezza d’onda.   E la presenza di tali elettroni conferisce la possibilità di molte strutture di risonanza che è la causa della stabilità di queste molecole.
2.   trasferimento direzionale dell’energia verso pigmenti che posseggono bande di assorbimento a lunghezze d’onda maggiori della molecola donatrice di energia.
La clorofilla b ha un ruolo secondario rispetto alla clorofilla a: essa trasferisce la sua energia di eccitazione sulla clorofilla a e restringe, conformemente al suo spettro di assorbimento il “buco verde” di quella.   Il trasferimento di energia da b ad a è molto efficiente.

Infine abbiamo i carotenoidi che per effetto di numerosi doppi legami coniugati sono pigmenti di colore giallo arancio o rosso e sono lipofili.   Questi pigmenti assorbono nello spettro del blu in cui è scarso l’assorbimento da parte della clorofilla; tuttavia essi sono per lo più dei trasportatori di energia di eccitazione poco efficienti.   Si attribuisce ai carotenoidi una funzione protettiva nei confronti delle clorofille contro l’effetto ossidante dell’ossigeno molecolare.

LA FOTOSINTESI, IN BREVE

La fotosintesi è un sistema di reazioni di ossido riduzione attraverso le quali le piante convertono l’energia della radiazione solare, l’anidride carbonica contenuta nell’aria e l’acqua, nell’energia chimica dei carboidrati prodotti, liberando come prodotto di “ scarto “ l’ossigeno.   La fotosintesi è un processo che avviene nei cloroplasti, come da evidenze sperimentali sia cito chimiche che istologiche.

La fotosintesi avviene in due fasi: una luminosa e una oscura.

La fase luminosa comprende reazioni che avvengono in presenza di luce, localizzate a livello delle membrane tilacoidali dove i pigmenti del fotosistema II assieme a quelli accessori captano la radiazione luminosa, in questo modo l’energia assorbita determina un’eccitazione delle molecole del cosiddetto centro di reazione del fotosistema, dove avviene la fotolisi dell’acqua, ossia la sua scissione in ossigeno e idrogeno innescando così un flusso di elettroni verso il fotositema I al fine di produrre ATP, e NADPH come potere riducente da usarsi nella fase oscura.

Nella fase oscura, dove non si richiede energia luminosa, si elaborano i prodotti fotosintetici forniti dalla fase luminosa.
La fase oscura avviene nello stroma dei cloroplasti e porta alla riduzione della anidride carbonica in carbonio organico attraverso un complesso di reazioni noto con il nome di ciclo di Calvin (detto anche ciclo C3). A ogni ciclo, una molecola di anidride carbonica si combina (si dice che “viene fissata”) con uno zucchero a 5 atomi di carbonio, il ribulosio 1,5-difosfato (RuDP), per formare due molecole di un composto a 3 atomi di carbonio, chiamato 3-fosfoglicerato (PGA).   Questa fondamentale reazione viene catalizzata dall’enzima ribulosio 1,5-difosfato carbossilasi (RuDP carbossilasi).   Dopo tre cicli, ciascuno dei quali consuma una molecola di anidride carbonica, due di NADPH e tre di ATP, vengono prodotte tre molecole di un composto a 3 atomi di carbonio, la gliceraldeide-3-fosfato, due delle quali si combinano a formare una molecola a 6 atomi di carbonio, il glucosio.   Il RuDP viene rigenerato a ogni ciclo.   Il risultato netto della fotosintesi consiste nel trasferimento temporaneo dell’energia luminosa nei legami chimici dell’ATP e del NADPH (fase luminosa), e nel trasferimento permanente della stessa energia nel glucosio (fase oscura).

In sintesi:
La scomposizione delle molecole d’acqua, nella fase luminosa, serve a cedere gli elettroni che, di fatto, trasferiscono l’energia necessaria a formare l’ATP e il NADPH.   L’anidride carbonica viene, invece, ridotta nella fase oscura per fornire lo scheletro della molecola di zucchero.    La velocità delle reazioni della fase luminosa può essere, entro certi limiti, incrementata aumentando l’intensità della luce e la concentrazione di anidride carbonica, mentre la velocità delle reazioni della fase oscura può essere aumentata, anch’essa entro certi limiti, da un incremento di temperatura.

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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.
Al 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.   In effetti, dal punto di vista evolutivo, la trasmissione di un segnale internamente ad un organismo segue il più primitivo meccanismo di chemiotassi tipico degli organismi unicellulari procarioti quali i batteri ed eucarioti, ma da un certo punto di vista anche delle singole cellule di un organismo pluricellulare quando sono considerate come entità sé stanti.   La chemiotassi può essere vista come la risposta in chiave chimica della singola cellula ad una condizione chimica o fisica esterna: è quindi un meccanismo adattivo, che si esprime tramite reazioni chimiche semplici o in cascata, che può portare la cellula a rispondere in qualche modo a questa condizione, avversa o favorevole che sia.   La risposta adattiva può rientrare nel quadro di una omeostasi cellulare (ovvero della tendenza a mantenere inalterate le condizioni fisiologiche ideali, ad esempio tamponando le variazioni di pH o tendendo ad equilibrare la concentrazione di elettroliti salini dentro al citoplasma), fino ad indurre risposte più complesse, come ad esempio l’espressione o la repressione di alcuni geni che codificano la biosintesi di proteine ed enzimi con specifiche funzionalità.   Già nei batteri abbiamo avuto modo di descrivere (vedasi intervento: “il mondo dei batteri, ovvero quando la chimica inizia a vivere”) risposte a stimoli di natura chimica che, come in ultima analisi, si traducevano in forma di verso e proprio movimento della cellula verso una fonte di nutrimento oppure in direzione opposta rispetto a sostanze chimiche percepite come pericolose.

Per contro nel contesto specifico del regno animale si sono sviluppati nel corso dell’evoluzione modalità di trasmissione ed elaborazione estremamente rapide dei segnali da una parte all’altra dell’organismo, segnali che in ultima analisi stanno anch’essi alla base di una risposta adattiva dell’organismo nei confronti di uno stimolo chimico o fisico, modificandone gli equilibri biochimici interni, fino a determinare in taluni casi come conseguenza indiretta, il movimento stesso dell’organismo in relazione allo stimolo.   Stiamo parlando della risposta nervosa: un meccanismo di trasmissione del segnale fra cellule o gruppi di cellule ben specializzate (i neuroni) che, oltre che sulla base di sostanze chimiche appositamente deputate (i neurotrasmettitori) si basa anche su fenomeni di natura prettamente elettrica.

Di fatto gli ormoni svolgono un’azione di regolazione protratta e mediata nel tempo, certamente più lenta ma anche più “concertata” della regolazione basata esclusivamente su di uno stimolo nervoso.   Un’azione geneticamente codificata, quindi innata, che non dev’essere appresa, affinata in milioni di anni di evoluzione per consentire ad animali e vegetali di adattarsi sempre più all’ambiente nel quale vivono.

Volendo provare a riassumere le funzioni ormonali essenziali, in un discorso assolutamente trasversale ai diversi regni dei viventi dove questo genere di meccanismi fisiologici trovano spazio, potremo suggerire che gli ormoni possono svolgere uno o diverse di queste funzioni:

1)   garantire l’omeostasi di alcuni dei sui equilibri più complessi (es. quello glicemico e la concentrazione di calcio ematico nei mammiferi);

2)   consentire l’espressione fenotipica di alcune “disposizioni” già racchiuse nel genoma dell’organismo (es. produzione di fiori o di germogli solo in certi periodi dell’anno per molti vegetali, sviluppo caratteri sessuali secondari negli animali durante la pubertà, sviluppo del corpo fruttifero nei funghi basidiomiceti a partire dal micelio sotterraneo, ecc);

3)  mediare una risposta adattiva ad uno stimolo esterno (es. il piegarsi delle piante verso la luce, l’eccitazione di un animale spaventato, ecc).

In realtà, quello che frequentemente capita è che un solo ormone possa stare a monte di ben più di un processo biochimico e conseguentemente fisiologico, fra loro paralleli o in cascata, per cui risulterebbe fuorviante cercare di rispondere puntualmente all’eventuale domanda: cosa serve o cosa provoca esattamente questo ormone?
Si osservi a titolo di esempio la seguente tabella, che illustra soltanto una parte del ventaglio di attività fisiologiche finali dell’etilene, uno dei più importanti ormoni vegetali (detti anche fitormoni), dipendente essenzialmente dal tessuto-bersaglio, dal periodo dell’anno e, almeno in alcuni casi, anche dalla specie vegetale interessata:

-  Stimola la maturazione dei frutti;
-  Stimola la senescenza di foglie e fiori;
-  Stimola la senescenza dello xilema maturo (parte interna del tronco) in preparazione di un impiego diverso da parte della pianta;
-  Induce l’abscissione fogliare;
-  Induce la germinazione dei semi;
-  Induce la crescita di radici aeree, incrementando l’efficienza dell’assorbimento di acqua e minerali;
-  Condiziona il gravitropismo (risposta alla forza di gravità);
-  Induce il responso iponastico (piegatura verso l’alto delle foglie e piccioli, dovuta alla maggiore crescita del lato inferiore);
-  Può interferire con il trasporto delle auxine;
-  Induce la chiusura degli stomi in gran parte delle piante;
-  Induce la fioritura in alcune specie (es. ananas);

A complicare ulteriormente la questione, sempre restando nell’ambito dei fitormoni, giunge talvolta l’azione inibente che concentrazioni particolarmente elevate dello stesso ormone possono manifestare sulla stessa attività fisiologica promossa invece da concentrazioni più basse della stessa sostanza.   Ad esempio una concentrazione elevata da acido 3-indolacetico, la più nota auxina vegetale, può inibire piuttosto che favorire la crescita longitudinale dei fusti erbacei in accrescimento, esplicando di conseguenza un’azione opposta rispetto a quella solitamente attribuita alle auxine.

IL PRODUTTORE

 Negli animali, ed in particolare in quelli superiori, gli ormoni sono prodotti solitamente da cellule specializzate, facenti parte di particolari organi noti come ghiandole “a secrezione interna”.   Ne sono un esempio l’insulina, prodotta dalle cellule di Langerhans nel pancreas, la tiroxina prodotta nella tiroide, l’adrenalina prodotta nella ghiandole surrenali…
A differenza di delle ghiandole a secrezione esterna, che riversano il proprio contenuto (fra l’altro non ormonale) all’esterno dell’organismo (non solo sulla pelle come le sudoripare e le apocrine, ma anche nel tubo digerente che può essere visto come una introflessione dell’ambiente esterno all’interno del corpo) quelle a secrezione interna immettono direttamente il loro escreto nel circolo sanguigno. La disciplina medica che studia ed eventualmente cura le problematiche connesse alle ghiandole a secrezione interna è l’endocrinologia.

Nelle piante, complice anche la loro tendenza all’accrescimento ed alla differenziazione continua, l’area di sintesi del fitormone risulta un po’ più sfumata, essendo nel più dei casi caratteristica di un tessuto o di un gruppo di cellule piuttosto che di un vero e proprio organo.

Non solo piante ed animali: anche i funghi, sia quelli comunemente conosciuti come tali, ovvero i basidiomiceti, che le semplici muffe, utilizzano gli ormoni con finalità analoghe.   Un caso storico che ha consentito la scoperta di uno dei più importanti ormoni vegetali racconta di una malattia crittogamica della pianta di riso, molto diffusa in Giappone con il nome di bakanae: il principale sintomo di questa patologia era l’eccessiva crescita in lunghezza degli steli delle piantine, con conseguente debolezza dei medesimi, in seguito all’attacco da parte di un certo parassita fungino, la Gibberella fujikuroi. Il giapponese Teijirio Yabuta nel 1926 scoprì che il motivo dell’allungamento degli internodi del riso era dovuto ad una sostanza rilasciata da fungo e chiamata di conseguenza “gibberellina”.   Cercando si studiare l’effetto di questo straordinario stimolante della crescita emerse che la gibberellina, o meglio tutta una classe di sostanze biologicamente attive riconducibili alla sua struttura, era in effetti attivo non soltanto sul riso ma un po’ su tutte le specie vegetali e, cosa inizialmente davvero inaspettata, era normalmente prodotta dalle piante stesse, seppur in concentrazioni più ridotte, con la funzione di ormone fitoregolatore.

IL RICEVENTE

 Come in ogni forma di comunicazione che meriti questo nome, anche parlando di messaggeri ormonali, oltre ad un emettitore dovrà necessariamente essere presente un ricevente, ovvero un destinatario del messaggio.
A livello microscopico si tratterà pur sempre di un recettore, ovvero di una proteina solitamente fissata sulla membrana cellulare oppure in quella del nucleo o di un altro organulo della cellula, in grado di interagire in modo altamente specifico con una molecola, in questo caso l’ormone, avente una “forma” particolare, specifica appunto per ciascun recettore.   Questa interazione viene riassunta piuttosto bene nella metafora della chiave (in questo caso l’ormone e, più in generale il cosiddetto “ligando”) e della serratura (in questo caso la proteina).    I fattori più importanti per determinare il cosiddetto fitting fra la proteina ed il ligando, ormonale o non ormonale che sia, sono le caratteristiche morfologiche di quest’ultimo, ovvero le dimensioni e la forma che la sua struttura tridimensionale assume, ovvero le cosiddette proprietà steriche, naturalmente in soluzione acquosa dal momento che quasi tutte le interazioni biologiche avvengono in ambiente ricco di acqua.   Non meno importante di questo sarà anche la distribuzione sulla superficie della molecola delle zone a diversa polarità, dovute alla presenza di atomi più elettronegativi del carbonio e dell’idrogeno (come ad esempio l’ossigeno, lo zolfo, l’azoto, il fosforo) che portano ad una particolare concentrazione della nuvola elettronica in prossimità di essi.   Allo stesso modo con cui la chiave giusta riesce ad aprire una serratura, l’interazione fra ligando e proteina è in grado di modificare la forma di quest’ultima (essenzialmente la sua conformazione tridimensionale), proprio come un lucchetto che si apre o che si chiude, e questa modifica può portare alla variazione delle caratteristiche anche funzionali della proteina medesima.   Una proteina di membrana, che attraversa da parte a parte la membrana cellulare, può in seguito ad un’interazione di questo tipo assumere modifiche strutturali tali da aprire in essa dei varchi sufficienti al passaggio dell’acqua o di ioni in soluzione, come ad esempio il sodio, il potassio, o addirittura di effettuare una discriminazione fra essi sulla base di parametri più sottili, come ad esempio la differenza fra il diametro di questi due ioni in forma idratata.   Nella maggior parte dei casi questa interazione fra ormone e recettore è solo l’inizio, in quanto la modifica strutturale apportata alla proteina induce una catena di effetti e di interazioni a cascata, che frequentemente coinvolgono appunto il rilascio di messaggeri secondari, questa volta internamente alla cellula bersaglio, messaggeri questi in grado di interagire selettivamente altre proteine, fino ad arrivare all’effetto fisiologico finale sull’organismo che aveva giustificato l’emissione stessa dell’ormone.    Un esempio che ben illustra questa cascata di eventi, e di conseguenza la possibilità di interpretare l’effetto di un ormone (ma non soltanto di essi) a diversi livelli di profondità, è stato presentato nell’intervento “Perché le piante si piegano dalla parte della luce?”.

Tutto questo, beninteso, a livello microscopico.   Spesso capita che però non tutte le cellule dell’organismo siano in grado di interagire in questo modo con un certo ormone e che, anzi, quelle che possiedono le proteine specifiche per legare questo substrato siano cellule davvero specializzate, riunite in particolari tessuti, o addirittura in organi.   Negli animali superiori sono infatti presenti organi-bersaglio specifici per determinati ormoni: è il caso per esempio della tiroide, che in seguito all’interazione con l’ormone TSH prodotto dalla ghiandola ipofisi, risponde a sua volta come ghiandola a secrezione interna, con la produzione dei noti ormoni tioroidei come ad esempio la tiroxina.   La tiroxina invece non ha un organo bersaglio specifico, ma esplica la sua azione in modo più o meno distribuito su un’ampia fascia di cellule dell’organismo.

NATURA CHIMICA DEGLI ORMONI

 Come riportato in premessa, la definizione di ormone si limita ad indicarne la qualità di sostanza chimica, senza nulla aggiungere o limitare alle eventuali classi chimiche di appartenenza.  Eppure qualche fino conduttore è individuabile, seppur labile, almeno limitando l’osservazione all’interno dello stesso regno.

Negli animali, per esempio, gli ormoni si possono classificare su base chimica secondo tre categorie principali:
- Derivati da aminoacidi (es. la tiroxina e l’adrenalina, entrambi dall’aminoacido tirosina);
- Steroidei (es. cortisolo, estrogeni, testosterone, ecc);
- Peptididi (es. insulina, paratormone, calcitonina, ecc).

Nel regno vegetale sono storicamente riconosciute 5 classi di ormoni, sintetizzati ed attivi su tutte le piante, e precisamente:
- auxine (derivate dall’aminoacido triptofano);
- citochinine (derivate da basi azotate di tipo purinico);
- gibberelline (derivati terpenici);
- acido abscissico (derivato terpenico);
- etilene (un alchene semplice).

Non può passare inosservato l’ultimo rappresentante dell’elenco dei fitormoni, l’etilene: una molecola di soli due atomi di carbonio, gassosa in condizioni ambientali, già nota all’uomo da secoli in quanto componente del gas naturale con il quale venivano alimentati i lampioni stradali prima dell’avvento dell’elettricità.   Eppure a questa molecola composta di soli 6 atomi possono essere riconosciute almeno 18 azioni fisiologiche diverse (alcune più generali, altre più specifiche su determinate piante) ed una quantità di applicazioni agronomiche e commerciali, ad esempio nel promuovere ed accelerare la maturazione dei frutti dopo la raccolta.

USO TERAPEUTICO E TECNOLOGICO

 Il fatto stesso che gli ormoni per loro stessa definizione siano dei messaggeri chimici destinati a trasmettere un segnale “da una cellula all’altra” comporta che essi si muovano normalmente nell’ambiente extracellulare, ovvero nel flusso sanguigno degli animali superiori, nella linfa o nel flusso xilematico nelle piante, nell’emolinfa degli insetti e così via.   A differenza di tutti quei numerosissimi metaboliti, forse la maggior parte, che vengono sintetizzati ed utilizzati nell’ambito della stessa cellula e che, introdotti dall’esterno (es. per mezzo di un’iniezione nel flusso sanguigno) potrebbero avere difficoltà a superare quell’inflessibile barriera selettiva rappresentata dalla membrana cellulare, ci troviamo qui di fronte a molecole la cui risposta fisiologica, al di là del fatto che esse entrino di fatto dentro alla cellula o esplichino la loro funzione a livello di proteine di membrana, è funzione della loro concentrazione extracellulare.   In altre parole, se una ghiandola a secrezione interna non riesce per ragioni patologiche a secernere una quantità sufficiente del suo ormone, possiamo supplire a questa carenza, e quindi alle disfunzioni fisiologiche che essa può apportare, tramite l’introduzione dall’esterno dello stesso ormone (a sua volta estratto da fonte naturale o ottenuto per sintesi), tramite iniezione o in taluni casi tramite altra forma di assunzione (orale, transcutanea, ecc).   E’ questo per esempio il caso della compensazione del diabete per mezzo dell’assunzione di insulina o dell’ipotiroidismo tramite derivati della tiroxina.   Sembra in apparenza un fatto banale: se al mio organismo manca una sostanza, o meglio se la quantità prodotta risulta insufficiente al suo funzionamento ideale, allora l’assumo dall’esterno.   Ma purtroppo la situazione non è affatto così semplice, proprio perché per arrivare “lì dove serve” spesso una molecola dovrebbe superare tali e tante barriere, talune potenzialmente insormontabili, che la semplice introduzione dall’esterno risulta nella maggior parte dei casi una mera utopia.   In tutti questi casi si può scegliere se stimolare la naturale produzione di tale sostanza nel suo luogo di biosintesi deputato, ostacolare gli antagonisti o i processi che portano all’abbattimento di questa sostanza, oppure mettere a punto farmaci di sintesi con azione simile ma in grado di superare opportunamente le suddette barriere.   Nel caso degli ormoni, invece, questo compito risulta fortemente favorito.
Il fattore critico è che con la terapia ormonale andiamo con una sola azione ad interferire in così tanti processi fisiologici, e a fronte di dosaggi talmente ridotti di sostanza ormonale, che il rischio di effetti collaterali non dovrebbe mai essere sottovalutato.

L’impiego dei fitormoni in campo agronomico rappresenta un altro caso di come queste sostanze possano convenientemente essere introdotte dall’esterno per sortire un effetto utile, in questo caso per migliorare la produttività delle colture.   L’accelerazione nella maturazione dei frutti raccolti ancora verdi può essere indotta da sostanze in grado di liberare etilene, ma come è noto anche la semplice vicinanza in ambiente chiuso di un frutto ancora immaturo con altri in piena maturazione può accelerare la maturazione anche del primo (l’etilene è infatti un ormone gassoso e si trasmette anche nell’aria).
Preparati commerciali a base di gibberelline possono essere utilizzati per irrorare quei semi che solitamente restando “dormienti” a meno di condizioni di freddo prolungato o di luce che talvolta costituiscono un ostacolo ad una pratica vivaistica sempre più veloce ed intensiva: l’applicazione di gibberelline dall’esterno è in grado di interrompere la dormienza di questi semi, inducendone la germinazione.
La radicazione di talee, sia legnose che erbacee, ovvero la produzione di radici di una porzione di pianta tagliata, può essere stimolata con l’applicazione locale di un’auxina naturale, o meglio ancora di una sintetica, più stabile nel tempo e meno soggetta a fotodegradazione, come ad esempio l’acido 1-naftilacetico.

Quella della ideazione e della sintesi di analoghi strutturali (simili ma diversi in qualche particolare della molecola) degli ormoni è un’altra delle possibilità offerte in questo ambito: oltre ai suddetti stimolanti radicanti, l’azione delle auxine è stata simulata con la preparazione di molecole molto persistenti e potenti nei loro effetti tanto da indurre la morte della stessa pianta, tanto che vengono abitualmente utilizzati come erbicidi.
Un analogo strutturale dell’insulina prodotta naturalmente dall’uomo ha invece permesso di superare uno degli inconvenienti maggiormente riscontrati nelle preparazioni di questo ormone utilizzate nel trattamento del diabete.   L’insulina è un ormone peptidico costituito da un numero piuttosto ridotto di aminoacidi e, come spesso succedere nelle proteine, risulta in grado di aggregarsi con altri peptidi identici per formare oligomeri, ed in particolare dimeri ed esameri, dove le sei unità insuliniche risultano coordinate al centro da uno ione zinco.   Mentre il monomero risulta in grado di diffondersi rapidamente nel sangue fino a raggiungere le cellule bersaglio, l’esamero costituisce la forma nella quale l’insulina viene solitamente immagazzinata dall’organismo e presenta una mobilità e quindi un’attività decisamente più ridotte.   Dato che nelle preparazioni iniettabili l’insulina tende inevitabilmente ad organizzarsi in forma di esamero, si è pensato di introdurre una variazione strutturale di dettaglio nella sequenza di aminoacidi della proteina (in pratica lo scambio di soli due aminoacidi vicini), tale per cui la sua attività ormonale fosse preservata, ma nel contempo ne fosse ostacolata la tendenza ad esamerizzare.   La cosiddetta “insulina ricombinante” è ora prodotta industrialmente mediante bioreattori utilizzando batteri appositamente modificati con l’inserimento nel loro patrimonio genetico di un gene che codifica la produzione di questa molecola.

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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.

I 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 lieviti, 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.

Tutti insieme a bagno, dal momento che per una molteplicità di ragioni che saranno facilmente comprese più avanti nella trattazione, le fermentazioni vengono solitamente condotte in dispersione acquosa del microrganismo, e quello che il fermentatore si trova normalmente a contenere è una massa liquida più o meno viscosa e torbida, quello che solitamente viene definito “brodo di fermentazione”.

Ma cosa mai potranno produrre batteri e lieviti di così interessante ed utile da giustificare degli investimenti strutturali in impianti industriali che spesso raggiungono il valore di milioni di euro?
Sembra poco se parliamo di farmaci, ed in particolare di principi attivi ormai indispensabili nella nostra civiltà come parecchi tipi di antibiotici?  O piccole molecole in grado di polimerizzare con la possibilità di essere sfruttate dall’industria dei polimeri plastici?    E che dire degli enzimi, utilizzati a loro volta nei più disparati campi della nostra esistenza (dai detersivi per il bucato all’industria della trasformazione alimentare) prodotti anch’essi dall’attività fermentativa?  O ancora altre piccole molecole come l’acido ascorbico (vitamina C), l’acido citrico (sì, lo stesso che contribuisce a rendere acido il succo degli agrumi) e tante altre sostanze ampiamente utilizzate dall’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica?
Sempre rimanendo nel contesto alimentare, non pensiamo che il processo con il quale trasformiamo il mostro d’uva in vino ed il malto in birra siano basati su qualcosa di molto diverso: sono processi di fermentazione conosciuti da migliaia di anni ed i microrganismi che partecipano ad essi (essenzialmente lieviti) si sono nel frattempo ben irrobustiti e stabilizzati anche dal punto di vista genetico, tanto che questi processi possono oggi essere condotti anche in modo tutto sommato “agricolo” senza particolari forme di controllo in linea, ma sempre di fermentazioni si tratta, o per essere più precisi di trasformazioni della composizione chimica della materia mediate, quasi catalizzate, da un microrganismo.

Il termine “fermentazione” è spesso utilizzato, in buona parte a sproposito, per indicare qualsiasi tipo di trasformazione della composizione chimica della materia operata da microrganismi, mentre tanto i microbiologi quanto i biochimici insistono nel puntualizzare che le fermentazioni propriamente dette corrispondono solo ad una parte, probabilmente neanche la più rappresentativa, delle trasformazioni suddette.    Ho riservato al termine di questo articolo una sezione speciale di approfondimento per chiarire la differenza effettiva fra i processi fermentativi propriamente detti e le biotrasformazioni e biosintesi microbiche più in generale.
Sta di fatto che nel linguaggio corrente le apparecchiature utilizzate, più correttamente definibili “bioreattori”, prendono comunemente il nome di fermentatori al di là della specificità del processo che il microrganismo andrà ad operare all’interno di esso, ed anche i corsi universitari sull’argomento, come quello che ho avuto modo di frequentare presso l’Università degli Studi di Torino negli anni ’90, assumono denominazioni del tipo “chimica delle fermentazioni e batteriologia industriale”, pur trattando di argomenti che vanno ben al di là del processo di fermentazione propriamente detto.       Pertanto d’ora in avanti utilizzerò quasi sempre il termine “fermentazione” fra virgolette, consigliando caldamente il lettore ad approfondire questo importante distinguo nell’ultima sezione di questo testo.

Quello che vogliamo ora considerare, al di là di come lo si voglia nominare, è un generico processo, un accadimento naturale o pilotato dall’uomo, dove dei microrganismi vivi, attraverso uno o nella maggior parte dei casi numerosi passaggi biochimici, effettuano delle trasformazioni chimiche a carico, direttamente o indirettamente, delle sostanze chimiche che vengono loro fornite.
Queste trasformazioni possono essere effettuate a carico delle sostanze nutritive che essi assimilano, semplicemente producendo la cosiddetta “biomassa”, che altro non è che il loro stesso corpiccino, miliardi e miliardi di corpicini di batteri o di lieviti, vivi o morti che siano, appressati l’un l’altro, magari scolati dall’acqua nella quale si trovavano immersi, da impiegarsi per gli scopi più diversi, in primo luogo per l’alimentazione animale ed umana: i cubetti di lievito di birra, che acquistiamo nei negozi e con i quali prepariamo svariate ricette come l’impasto per la pizza, sono biomassa compressa, quindi miliardi e miliardi di cellule vive, dello lievito Saccharomyces cerevisiae, detto appunto “lievito di birra”, in dipendenza dal primo settore industriale che ha visto (e vede tutt’ora) l’impiego più massivo di questa specie.
Ma le straordinarie performances di sintesi e trasformazione delle quali sono capaci i microrganismi possono essere sfruttate non soltanto per produrre biomassa, bensì come ho avuto modo di anticipare in precedenza, anche molecole chimicamente ben definite e di specifico interesse applicativo per l’uomo.   Queste a loro volta possono essere prodotte a partire dalla normale dieta del microrganismo (es. glucosio, una fonte azotata, sali minerali, ossigeno, ecc), come uno dei tantissimi metaboliti, ovvero come una delle molecole normalmente prodotte nell’ambito del loro metabolismo.    In questo caso di parla di biosintesi di una certa molecola, come ad esempio di un enzima o di una vitamina: il batterio o il fungo già producono naturalmente questa specie chimica, ma noi li selezioniamo e/o modifichiamo su base genetica, e li coltiviamo nelle condizioni opportune per fargliene produrre molta, molta di più.

(clicca per ingrandire)

Oppure può trattarsi di molecole del tutto estranee al metabolismo del microrganismo in questione (le cosiddette molecole xenobiotiche), che possono essere prodotte con un numero limitato di passaggi (talvolta che con una reazione soltanto) a partire da un precursore chimico che introduciamo allo scopo nel cosiddetto “brodo di fermentazione”. In questo caso si fornisce al microrganismo il suo alimento abituale, ed in più una sostanza per lui estranea e probabilmente neppure utile, che però risulta in grado di trasformare in qualcos’altro, al pari di un’ostrica che trasforma in una perla quel fastidiosissimo granello di sabbia che gli allevatori introducono a forza fra le sue valve.   Una trasformazione che se operata artificialmente dall’uomo, con metodi chimico-sintetici tradizionali, comporterebbe costi e possibili “imperfezioni” spesso davvero insostenibili, mentre con l’aiuto di microrganismi specifici può risultare, oltre che economicamente vantaggiosa, anche estremamente mirata e selettiva.   Si parla in questo caso di biotrasformazioni.

Tornando alla infinita gamma di molecole che possono essere prodotte dai processi di biotrasformazione microbiologica industriale, possiamo persino arrivare ad accostare il settore “fermentativo” alle tradizionali commodities primarie come i materiali organici fossili (petrolio, carbone e metano in primo luogo), i prodotti dell’estrazione mineraria ed i prodotti agricoli/forestali.     Segno che non stiamo parlando di uno o di alcuni prodotti, e nemmeno di un gruppo limitati di microrganismi.   Parlando di sintesi microbiologiche stiamo parlando di un modo del tutto nuovo di attingere sostanze chimiche anche pure dalla natura o, guardando la cosa dall’altro punto di vista, di piegare la natura alla produzione delle molecole che sono ritenute importati per la vita dell’uomo.
…un modo relativamente nuovo, dicevamo?

Bè, come capita quasi sempre in questi casi nella storia dell’umanità, i fenomeni vengono osservati e sfruttati ben prima della loro effettiva comprensione.   E’ successo così con la sintesi chimica, è successo così con la profilassi igienica, con la coltivazione delle piante e con l’astronomia: nel nostro caso non era di certo necessario agli antichi conoscere le vie biochimiche degli lieviti, ed anzi, non era neppure indispensabile conoscere la natura della loro esistenza (ovvero che si trattasse di funghi unicellulari, microscopici) per poterli sfruttare per trasformare i carboidrati in etanolo nella produzione del vino e della birra, o dei formaggi fermentati o dello stesso yogurt.

Sì, effettivamente è difficile trovare una cultura, un’epoca, una popolazione al mondo dove non vengano sfruttate da tempi immemorabili fermentazioni microbiologiche per la preparazione di qualche prodotto utile, ed in particolare di alimenti e bevande.
Tutt’altro discorso vale invece per l’altro pallino della specie umana: oltre al voler sfruttare, anche quello di “voler sapere” il perché ed il percome di qualcosa che di fatto già accade… che essenzialmente resta poi funzionale alla finalità di sfruttare meglio, con maggiore qualità, riproducibilità e resa lo stesso fenomeno, con la buona pace dei ricercatori puri che (mi metto per primo in testa alla lista) porrebbero i loro quesiti intellettuali in cima alla lista delle priorità, come ragione e scopo della loro attività.   Ecco, se portiamo tutto questo sul piano delle scoperte scientifiche, la conoscenza relativa alle fermentazioni e più in generale alle trasformazioni microbiologiche si arricchisce di nomi e cognomi, e di date piuttosto recenti.

CREARE L’AMBIENTE DI VITA IDEALE

Abbiamo precedentemente anticipato come, dal punto di vista puramente concettuale, il cuore dell’impianto in piccola o grande scala nel quale si possono far avvenire le fermentazioni (che ora chiameremo giustamente “fermentatore”) consiste in una sorta di bidone, o di cisterna, o serbatoio che di si voglia.
Nei casi più semplici questa descrizione corrisponde abbastanza da vicino alla realtà: è il caso, per esempio, di quando si utilizza un microrganismo particolarmente robusto ed in grado di prevalere, sia nel numero che nelle capacità di sopraffazione, rispetto alla maggior parte degli altri microrganismi competitori, ubiquitari nell’ambiente, oppure del caso nel quale le condizioni di processo (es. il pH del substrato, la temperatura, la presenza di alcuni componenti) sono piuttosto selettive da inibire la crescita della maggior parte degli altri microrganismi indesiderati, o anche dell’eventualità nella quale i microrganismi ambientali non risultino poi così fastidiosi ed anzi possano addirittura risultare utili alla generazione di componenti secondari nel prodotto finito (es. molti prodotti alimentari della tradizione, quali formaggi).

Si tratta di casi-limite, legati solitamente più al settore della trasformazione agro-alimentare, ma è giusto affrontare da subito questo doveroso distinguo.    In molti di questi casi la condizione di assoluta sterilità dei contenitori, della strumentazione e delle stesse soluzioni, una delle poche condizioni di solito definite irrinunciabili per approcciare un processo di fermentazione controllata, può essere affrontata in modo critico, iniziando per esempio a domandarsi se una semplice “sanitarizzazione”, volta ad abbassare ma non necessariamente ad azzerare la carica microbica di strumentazioni e soluzioni, non risulti di fatto sufficiente, piuttosto che affrontare una sterilizzazione assoluta dell’ambiente di coltivazione e delle stesse soluzioni utilizzate.
La sterilizzazione viene solitamente effettuata con vapore d’acqua ad alta temperatura, in altri casi con sostanze chimiche biocide che devono poi essere necessariamente lavate via con abbondanti dosi di acqua microbiologicamente pura.  Le soluzioni da introdurre, da subito oppure in seguito nel corso della fermentazione (es. terreno di coltura, soluzioni tampone per compensare le variazioni di pH, soluzioni del substrato sul quale operare la biotrasformazione, ecc) sono solitamente sterilizzati in autoclave (quindi in contenitori ermetici pressurizzabili, ad una temperatura superiore a quella di ebollizione del solvente, es.>100°C per l’acqua), o anche con mezzi fisici, quali il passaggio attraverso finissime membrane di microfiltrazione (con porosità inferiore a 2 micron, ovvero inferiori alla dimensione media di una cellula batterica) o attraverso ugelli che impartiscono temporaneamente alle soluzioni una pressione talmente elevata da rompere la stessa parete cellulare batterica.
Ogni oggetto, materiale, soluzione, tubazione, anfratto ed interstizio delle apparecchiature che verranno a contatto con i microrganismi dovrà essere dunque scrupolosamente sterilizzata, quindi gli impianti stessi saranno costruiti secondo una logica che consenta il facile raggiungimento da parte dell’agente sterilizzante di ogni loro parte.   Dopo sterilizzazione ciascun componente non potrà entrare in contatto con altri oggetti o materiali non sterili, e neppure rimanere esposta all’aria.   La ragione di questa richiesta di elevata sterilità risiede nel fatto che, a parte i pochi casi “storici” riportati in premessa, quelli che andiamo ad allevare sono un po’ come delle orchidee tropicali nella Pianura Padana: non solo esse dovranno fronteggiare dei problemi oggettivi ed individuali per sopravvivere (es. temperatura, umidità, luce, tipo di terreno inadeguati…) ma soccomberanno con tutta probabilità sotto l’effetto della crescita di centinaia di altre specie vegetali autoctone, più robuste proprio perché maggiormente adattate a quell’ambiente specifico, e a crescita così veloce che nel giro di poco tempo arriveranno letteralmente a “soffocare” le nostre splendide da gracilissime orchidee tropicali.     Ecco, i microrganismi che vorremmo allevare per operare le biosintesi o le biotrasformazioni di nostro interesse, spesso soccomberebbero sotto la proliferazione preferenziale di altri microrganismi già presenti, anche a livello di semplice contaminazione, in un ambiente non sufficientemente sterile.
Ci sono poi le condizioni di vita specifiche del microrganismo d’interesse, che spesso non corrispondono esattamente alle condizioni per ottenere da essi la produzione desiderata. Mi spiego meglio.

Quando si dispone di un fermentatore ormai già perfettamente sterilizzato, con dentro di esso caricato il volume necessario di soluzione acquosa nutritiva anch’essa sterilizzata, si introduce (in linguaggio microbiologico di “inocula”) una piccola quantità di un concentrato purissimo del microrganismo.     Si tratta in pratica di una semina, ed il seme in questo caso è preparato da uno speciale laboratorio interno o esterno all’azienda che tratta la fermentazione, ed in molti casi conservato in forma stabilizzata, ad esempio sottoforma di liofilizzato o a bassissima temperatura, ovvero in condizioni tali da mantenere in vita questi microrganismi o le loro spore, senza indurne però ancora la moltiplicazione.

Una volta introdotto questo inoculo nel fermentatore, dobbiamo fare in modo che questi microrganismi si risveglino (nel caso dell’inoculo di spore) e soprattutto si moltiplichino il più velocemente possibile e nelle migliori condizioni di salute, in modo tale da raggiungere dopo un certo periodo (solitamente sull’ordine dei giorni) la quantità in numero, o in peso, di microrganismi desiderata in relazione al volume del fermentatore ed al tipo di processo che intendiamo svolgere.    Questa fase, che risponde al richiamo biblico “crescete e moltiplicatevi” prende il nome di fase vegetativa, che nella pratica industriale di distinguerà dalla successiva fase di messa in produzione, dove i microrganismi non cresceranno ulteriormente in numero ma, eventualmente sotto l’influenza di condizioni ambientali diverse, effettueranno le biosintesi o le biotrasformazioni desiderate.

Parametri fondamentali da monitorare e sui quali eventualmente intervenire per consentire una ottimale crescita vegetativa tanto di batteri quanto di lieviti o altre tipologie di funghi, sono:

• la fonte energetica (composizione chimica e la concentrazione), solitamente un carboidrato semplice;
• una fonte azotata (es. ammonio solfato, urea, nitrati, peptone, ecc);
• altri sali minerali;
• fattori di crescita specifici;
• la temperatura;
• il pH;
• la quantità di ossigeno e/o di anidride carbonica (per i microrganismi fotosintetici);
• la luce;
• l’agitazione/quiete della massa in fermentazione

A differenza degli organismi più grandi, come le piante e gli animali, non possiamo valutare il benessere dei microrganismi semplicemente osservandoli.   Non ci sono foglie che appassiscono o che cadono, né iniziano a lamentarsi o si siedono in un angolo come gli animali da compagnia.   I microrganismi in condizioni di disagio riducono (o sospendono del tutto) il loro tasso di moltiplicazione, nei casi estremi muoiono, oppure (quando saranno entrati nella fase produttiva) smettono di produrre le sostanze desiderate, quelle per le quali abbiamo allestito tutto il sistema di allevamento, ed eventualmente iniziano a produrne di indesiderate.      Questi sintomi di disagio sono certamente monitorabili, ma nel più dei casi quando essi si verificano è già troppo tardi, e se anche non dovessimo buttare via tutto il contenuto più o meno vivo del nostro fermentatore, un danno economico già ci sarebbe stato.

Prevenire è meglio che curare, e solitamente quando si inizia una fermentazione su scala industriale si dispone già di una quantità sufficiente di informazioni relative alle necessità ed alle condizioni ottimali sia per la fase di crescita che per quella di produzione interessati.
Un qualsiasi fermentatore che si rispetti, tanto su scala pilota che industriale, è dotato di un apparato di sensori di controllo in grado di monitorare in continuo tutti i parametri richiesti, dalla temperatura al pH, dalla concentrazione di ossigeno alla pressione (che si origina in seguito a molte attività fermentative).     In aggiunta a questa sensoristica è in ogni caso previsto un campionatore per il prelievo “una tantum” di una piccola quantità di brodo di coltura per verificare su di esso con analisi offline, ovvero non in tempo reale sull’impianto bensì condotte in un laboratorio di servizio, la concentrazione di alcune importanti molecole in soluzione, come ad esempio gli stessi carboidrati di nutrimento, la fonte azotata, gli altri sali minerali, gli eventuali prodotti della fermentazione, ed anche l’entità della biomassa in crescita, ovvero la concentrazione di microrganismi raggiunta per millilitro di brodo, ed eventualmente quanti di questi risultano effettivamente attivi.
Con moderne tecnologie, ed in particolare per mezzo della spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) è possibile effettuare analisi non distruttive ed in continuo, senza la necessità di prelevare materialmente il campione, anche su questi importanti parametri chimici, ed addirittura di stimare la biomassa medesima che, come è facile comprendere, non può certo essere considerata di primo acchito un parametro chimico.

Nei casi più sofisticati, e grazie anche al progressivo abbattimento dei costi di queste tecnologie anche a quelli meno critici, tutte le informazioni raccolte dai sensori descritti sono trasmesse in tempo reale ad un computer di controllo, che oltre a visualizzarli in una schermata unica che consente all’operatore umano di avere un colpo d’occhio immediato sulla situazione, permette la registrazione dell’evoluzione di questi parametri nel corso del processo di fermentazione.   Se sono stati preventivamente registrati i valori di riferimento di questi parametri (es. il pH ideale, la temperatura ideale, la concentrazione di ossigeno ideale, ecc) lo stesso PC è inoltre in grado di gestire un ritorno in feed-back delle stesse informazioni raccolte tramite i sensori, tramutandole in comandi operativi, sempre di tipo elettronico, su altrettanti attuatori, ovvero piccoli apparecchi o accessori montati sopra o in prossimità del fermentatore che consentiranno l’intervento automatico per compensare quei parametri di processo che si stanno gradualmente avviando alla deriva. Ad esempio se registriamo una temperatura troppo bassa rispetto alle specifiche richieste per quel tipo di microrganismo, il PC fornirà in consenso all’alimentazione elettrica di una resistenza posta nell’incamiciatura del fermentatore, o anche l’apertura parziale di una valvola che farà circolare nella sua intercapedine eterna dell’acqua calda.    Al contrario, se la temperatura registrata in tempo reale dovesse risultare troppo alta rispetto al valore ideale preventivamente immesso nello stesso PC, verrebbe istantaneamente trasmesso un comando finalizzato all’apertura di valvole verso un circuito di refrigerazione.   Tanto la carenza di nutrienti quanto le problematiche relative al pH (che nel più dei casi tende a ridursi nel corso del processo) sono compensati tramite l’introduzione di soluzioni acquose sterili, pompate nella dose richiesta tramite piccole pompe peristaltiche, anch’esse comandate in modo automatico tramite il sistema PC di controllo ed attuazione.
Addirittura tramite dispositivi mobili,, come quello riportato nell’immagine a lato, grazie ad applicativi specifici è oggi possibile per lo meno “monitorare” in tempo reale l’andamento dei più importanti parametri

Il parametro aerazione è controllato solitamente tramite l’insufflazione di aria (contenente ossigeno) o, al contrario nel caso di un eccesso, alla sua rimozione tramite sostituzione di parte della stessa dallo spazio di testa soprastante il brodo di coltura, con un gas inerte quale azoto, utile comunque a mantenere la pressione “atmosferica” sopra alla biomassa in crescita.

L’agitazione è un altro parametro fondamentale, che insieme all’accessibilità di tutte le parti ed interstizi in fase di sterilizzazione, costituisce una delle finalità progettuali fondamentali in sede di perfezionamento del progetto di realizzazione di un nuovo fermentatore.   L’agitazione è realizzata solitamente tramite un’elica collegata ad un albero e quindi da un motore esterno, ed è collocata nella parte bassa del contenitore cilindrico; per ottimizzare l’agitazione (per evitare che la massa, spesso piuttosto viscosa, giri tutta insieme senza per altro mescolarsi opportunamente) sono talvolta poste delle alette sulle pareti interne del fermentatore.   Le funzioni dell’agitazione sono molteplici: migliorare la distribuzione uniforme delle sostanze nutritive aggiunte, specie nel corso del processo, e ridistribuire meglio nella massa quelle prodotte, evitando così il loro accumulo in prossimità del microrganismo che le ha prodotte, ma anche migliorare la distribuzione dell’aria e l’allontanamento dei gas sottoprodotti (es. anidride carbonica), migliorare lo scambio termico rispetto alle pareti termostatate, ed infine impedire che si formino delle masse più o meno compatte (colonie) di microrganismi sulle pareti o sulle altre parti interne del fermentatore.   Nella maggior parte dei casi, infatti, è auspicabile per più di una ragione, mantenere i singoli organismi unicellulari separati l’uno dall’altro, o se non altro evitare che essi si aggreghino in masse macroscopiche, dal momento che le cellule meno superficiali della colonia, ovvero quelle più interne, sarebbero presumibilmente esposte a condizioni ambientali diverse da quelle delle cellule superficiali o disperse, ed in modo specifico a condizioni differenti da quelle desiderate e monitorate in tempo reale nella soluzione.

La gestione delle modalità di agitazione rischia di divenire ancora più critica per quei microrganismi come i funghi diversi dagli lieviti, ovvero i funghi filamentosi (la maggior parte degli appartenenti al regno Mycota), che proprio per loro natura richiederebbero per il loro benessere condizioni di sufficiente quiete per poter sviluppare le loro ife filamentose, fino all’organizzazione di strutture macroscopiche visibili ad occhio nudo.

STRATEGIE PER LA PRODUZIONE

Quando si verifica che la concentrazione di cellule batteriche o di lieviti ha raggiunto il valore desiderato, che solitamente corrisponde al valore di plateau nella loro curva di crescita, ovvero quando il numero di nuovi nati equipara il numero dei decessi, si può entrare nella fase cosiddetta produttiva.

Nel caso in cui cosa interessa sia semplicemente la biomassa (es. per la produzione dei panetti di lievito di birra) ci si limiterà a scaricare, filtrare e scolare un po’ la massa degli lieviti, che sarà quindi compattata nelle tradizionali formelle che troviamo poi nei banche del supermercato.   Esistono altri casi semplici, come ad esempio molte fermentazioni utilizzate nell’industria agro-alimentare, dove spesso non c’è un momento preciso che segna il passaggio tra la fase vegetativa e quella produttiva, ovvero l’operatore non cambia intenzionalmente le condizioni ambientali, ma lascia per così dire che la popolazione di microrganismi termini tutto il nutrimento disponibile o quasi (es. gli zuccheri del mosto), fino ad una sorta di auto-spegnimento della fermentazione.

Nel caso di fermentazioni con finalità biosintetiche o di biotrasformazione, tuttavia, l’operatore decide sulla base delle analisi chimiche e microbiologiche quando è il momento giusto per modificare le condizioni ambientali e quindi indurre la biomassa al massimo della sua crescita, ad effettuare le trasformazioni desiderate.
Come e forse ancor più che per la messa a punto delle condizioni ottimali per lo sviluppo vegetativo, diventa fondamentale a questo punto avere a disposizione informazioni accurate relative al comportamento ed alle richieste dello specifico microrganismo utilizzato, informazioni che devono essere ricavate, ben prima dell’avvio della fase industriale della produzione, per mezzo di piccoli bioreattori sperimentali da laboratorio (come quello in figura), solitamente in vetro o anch’essi in acciaio, dalla dimensioni veramente minime (pochi litri o anche meno) ma dotati spesso delle stesse possibilità di controllo ed automazione di quelli industriali.   Esistono centri di ricerca per lo sviluppo ed il miglioramento non soltanto delle condizioni di processo relative a crescita e produzione, ma del microrganismo stesso attraverso operazioni di selezione, modifica genetica e sperimentazione applicativa, che dispongono di ampie batterie di piccoli fermentatori sperimentali, come quello riportato nell’eloquente immagine a lato.

Spesso le condizioni da adottare non sono esattamente quelle preferite per la crescita dello stesso microrganismo, anzi, in molti casi risulta necessario introdurre in esso situazioni di stimolo, di stress, di necessità, di contingenza.   Molti enzimi necessari per effettuare queste trasformazioni, per quanto codificati geneticamente, sono infatti prodotti in modo apprezzabile solo in condizioni di reale necessità, ad esempio quando le condizioni ambientali si fanno critiche per la sopravvivenza, oppure quando viene a mancare la fonte di nutrimento favorita e il microrganismo deve accontentarsi di un’altra fonte, quella che gli forniamo noi allo scopo di far effettuare su di essa la trasformazione voluta.

brodo di fermentazione a termine processo, prima e dopo la filtrazione della biomassa

In altri casi riduciamo volontariamente la concentrazione di ossigeno, in altri si varia il pH anche oltre i limiti consigliati per una crescita sana e vigorosa, in altri si introduce una molecola estranea, non utile per la vita del microrganismo e talvolta persino fastidiosa, tanto fastidiosa che su di esso eseguirà delle reazioni chimiche allo scopo di ridurne l’impatto, in linea con l’esempio precedentemente richiamato dell’ostrica con il granello di sale.

Quando si vuole fare produrre qualcosa ai microrganismi che non sia semplicemente la loro stessa biomassa, a seconda dei casi (tipo di sostanza e di specie) la sostanza stessa può essere escreta nel brodo di coltura, dal quale può essere recuperata (insieme a tutti gli altri soluti) filtrando via la biomassa, oppure può rimanere racchiusa all’interno della cellula dello stesso microrganismo, dal quale può essere recuperata (insieme a tutti gli altri metaboliti cellulari) solo previa rottura della cellula con mezzi chimici, fisici o meccanici quali ultrasuoni, calore, pressione, ecc.

IN CONCLUSIONE

In conclusione, la gestione dei processi di biotrasformazione microbiologica non risulta troppo dissimile dalla gestione di un processo di sintesi o comunque di trasformazione chimica.   La conduzione di un fermentatore, sia esso in scala pilota oppure di grandi dimensioni utilizzato per finalità produttive, presenta diverse analogie con la conduzione di un reattore dove uno o più reagenti, in determinate condizioni ambientali (es. temperatura, pressione, pH) ed eventualmente in presenza di catalizzatori sono trasformate in uno o più prodotti, magari con la co-generazione più o meno controllabile di sottoprodotti indesiderati.

Il microrganismo in una biotrasformazione, forte anche del suo corredo enzimatico che rende ancora più forte la metafora fino a farla diventare pura realtà, può essere assimilato al catalizzatore necessario per rendere possibile, o meglio rapida, una reazione organica, abbassandone l’energia di attivazione.
Nel suo insieme un fermentatore può quindi essere visto a tutti gli effetti, ed anche sul piano etimologico,  come un “bio-reattore” nel quale si introducono dei reagenti (substrato nutritivo, sali minerali ed altri fattori di crescita, eventuale ossigeno o anidride carbonica, l’eventuale substrato da trasformare), dei catalizzatori (inoculo del microrganismo) e dei media (acqua, tamponi, ecc), e si ottengono da esso prodotti utili e sottoprodotti, che solitamente vengono separati fra loro nelle fasi successive alla fermentazione mediante procedimenti di natura effettivamente chimica.

Al pari di un reattore chimico tradizionale, anche un bioreattore, almeno in linea di principio, può funzionare in modo discontinuo oppure in modo continuo.
L’impiego discontinuo, detto anche a batch, è quello classico descritto finora: si sterilizza, si riempie il fermentatore con il terreno di coltura anch’esso sterilizzato, si inocula il microrganismo, lo si fa crescere controllando e se il caso modificando in continuo le condizioni ambientali, dopo una fase di sviluppo vegetativo si modificano eventualmente e condizioni ambientali e si introducono ulteriori componenti, e ad un certo punto, a trasformazione avvenuta in modo accettabile, si scarica il tutto, si uccidono i microrganismi e di estrae da essi o dal loro brodo di coltura le sostanze d’interesse.
In un bioreattore continuo, invece, continuamente vengono aggiunti i nutrienti e le altre sostanze richieste per la crescita e l’attività del microrganismo, e continuamente viene prelevata sia biomassa brodo: il tutto viene idealmente rappresentato come un cilindro molto allungato, dove ad un estremo si aggiunge, ed all’altro estremo si toglie, continuativamente, qualcosa.      Se in un reattore chimico tradizionale, i cui processi di trasformazione per quanto lunghi raramente raggiungono il numero di giorni richiesto per la maggior parte delle biotrasformazioni, si parla spesso di “flusso a pistone”, per intendere il fatto che, anche in assenza ideale di mescolamento, i materiali in ingresso inducono un movimento longitudinale, ovvero “spingono” la massa di reazione lungo il cilindro, tanto che a metà della sua lunghezza troveremmo probabilmente i regenti misti ai prodotti, ed in uscita dal reattore, ovvero sull’estremità opposta, potremo trovare idealmente solo i prodotti.
In un bioreattore in continuo la situazione è ancora più complessa in quanto i tempi lunghi di trasformazione e la necessità di mescolamento, impediscono di rispettare la divisione concettuale fra ingresso dei reattivi ed uscita dei prodotti: si giungerà per tanto ad un compromesso statistico, dove nel prodotto prelevato in continuo sarà presente anche una parte consistente nei nutrienti e delle sostanze introdotte, non trasformate, in miscela con i prodotti della biotrasformazione ed insieme ad una quota all’incirca costante di biomassa, di entità pari al tasso di moltiplicazione valutato.

In un’ottica di recupero massimizzato di materia, oltre che di energia, la biomassa filtrata ed essiccata viene in molti casi riutilizzata come fonte energetica, previa stabilizzazione chimico-biologica, alimentando un impianto di termovalorizzazione in grado di fornire l’energia termica o addirittura elettrica necessaria al mantenimento dell’intero processo. In un processo di trasformazione microbiologica di questo tipo, almeno sul piano ideale, l’energia al sistema sarà fornita essenzialmente della fonte di carbonio utilizzata in funzione di alimento, ad esempio dai carboidrati in soluzione che costituiscono l’alimento privilegiato per la maggior parte dei microrganismi.

FERMENTAZIONI E BIOTRASFORMAZIONI MICROBIOLOGICHE

Dal punto di vista biochimico, una fermentazione è uno dei possibili processi metabolici che si collocano nell’ambito del metabolismo energetico di un organismo ed è finalizzato per tanto alla produzione dell’energia richiesta alla sopravvivenza dell’organismo medesimo (circa il metabolismo energetico di veda anche l’intervento “Perché mangiamo? Le ragioni dell’alimentazione, dal punto di vista chimico”.
La fermentazione propriamente detta è per tanto da intendersi un processo metabolico alternativo, parallelo o più spesso concorrenziale rispetto alla via maggiormente conosciuta nell’ambito del metabolismo energetico, ovvero alla respirazione cellulare, con una “piccola” differenza, che comporterà come vedremo delle conseguenze davvero radicali negli esiti finali ed applicativi dell’intero processo.
Nella respirazione cellulare (quella aerobia o anaerobia che sia), infatti, l’accettazione finale degli elettroni alla fine della catena di trasporto (es. fosforilazione ossidativa) risulta essere una specie chimica preposta allo scopo, l’ossigeno nella respirazione aerobia, generalmente uno ione inorganico come ad esempio il nitrato o il solfato in quella anaerobia.
In una fermentazione, invece, l’accettazione finale di questa coppia di elettroni ormai “scarica” viene effettuata da una specie organica, ed in particolare da parte della stessa specie chimica che viene ossidata a scopo di produzione energetica.  In altre parole, partendo da una molecola organica utilizzata dal microrganismo come fonte energetica, ad esempio da un carboidrato come il glucosio, parte di questo sarà ossidato (con produzione dei classici intermedi trasportatori di energia come l’ATP), mentre una quantità stechiometricamente equivalente di glucosio sarà ridotta dai due elettroni scaricati, fino a formare ad esempio etanolo (alcol etilico) o altre sostanze chimiche dove lo stato di ossidazione del carbonio risulterà ulteriormente ridotto rispetto a quello del substrato zuccherino di partenza.

A scopo esemplificativo riportiamo di seguito uno schema biochimico di due dei più importanti professi di fermentazione: quella alcolica, che partendo da una molecola di glucosio consente di arrivare alla sua traformazione in due molecole di etanolo (alcol etilico) ed alla produzione di due molecole di ATP, con sottoprodotto rappresentato da due molecole di anidride carbonica (le bollicine di birra e spumante),

e quella lattica, tipica dell’inacidimento del latte, sfruttata per esempio nella produzione dello yogurt, che vede la conversione di due molecole di glucosio in due molecole di acido lattico, oltre alla fosforilazione di due molecole di ADP in due di ATP, che costituisce la ragione d’essere dell’intero processo nell’ambito del metabolismo energetico.

In entrambi i casi il cuore del processo sta in quel circolino chiuso su sé stesso, dove si assiste alla conversione di NAD+ in NADH (riduzione, grazie all’assunzione di 2 elettronici accompagnati da due idrogenioni H+) a carico del glucosio o della fonte energetica generalmente costituita da un carboidrato, che viene in questo modo ossidato.   Il ritorno del circolino al punto di partenza è rappresentato dalla successiva riconversione di questo NADH nel NAD+ di partenza (ossidazione), previa riduzione di un metabolica intermedio derivante a sua volta dal glucosio (acetaldeide per la fermentazione alcolica, acido piruvico per la fermentazione lattica).    Il glucosio viene in questo modo almeno in parte ridotto (uno o più di uno dei suoi atomi di carbonio riduce il suo numero di ossidazione) ed acquisisce gli idrogenioni H+ impartiti ad esso dal NADH.

La fermentazione può essere considerata una variante, chiedo scusa dell’espressione, per “tagliare corto” un processo di respirazione cellulare, che altrimenti risulterebbe sicuramente più lungo e complesso, anche se certamente a maggior rendimento energetico. Le freccine che in questi due schemi semplificati portano dal glucosio all’acido piruvico infatti sono in comune con la respirazione e vanno sotto il nome di “glicolisi”, ma nel caso della respirazione l’acido piruvico diventa il punto di partenza di altri cicli, prima attraverso la sintesi dell’acetil coenzima A, poi da questo in direzione del ciclo di Krebs (detto anche ciclo degli acidi tricabossilici) e da questo alla catena della fosforilazione ossidativi.
Una maggiore efficienza, quella del processo di respirazione nel suo insieme (più occasioni di sintesi di altro ATP anche negli stadi successivi di reazione), che richiede tempo per essere svolta nel suo insieme, richiede un bel corredo di enzimi e di ultrastrutture cellulari idonee per il suo svolgimento, che deve essere opportunamente codificata geneticamente (e non tutti i microrganismi prevedono geneticamente tutto questo) e, soprattutto, prevede la presenza di ossigeno, quello atmosferico, trasportato in un modo o nell’altro fino all’interno della cellula, quale ossidante finale, o accettore di elettroni che di si voglia.   Il ruolo che in una fermentazione è svolto altrettanto bene da una parte dello stesso glucosio, o di un’altra molecola organica che viene però sottratta in larga misura dal suo sfruttamento energetico diretto finalizzato alla produzione di ATP.   Lo stesso NADH è in questo caso “sprecato” a forza, per poter rigenerare il NAD+ di partenza, impedendo il recupero energetico che sarebbe altrimenti possibile, nelle fasi successive della respirazione, anche da questa molecola.
Proprio per questi due destini stechiometricamente equivalenti, ma in direzione opposta nel contesto ossido-riduttivo, i processi di fermentazione propriamente detti possono essere considerati nel loro insieme come reazioni di di sproporzione o dismutazione.

Si riconoscono numerosi processi di fermentazione diffusi in natura e sfruttati tecnologicamente dall’uomo, quali: fermentazione alcolica, fermentazione acetica, fermentazione malo-mattica, fermentazione propionica, fermentazione lattica, fermentazione omolattica, fermentazione a butilenglicole, ecc che si distinguono fra loro, come è facilmente intuibile dal nome, soprattutto in relazione alla natura chimica dei prodotti finali, ovvero della natura chimica della specie dove il carbonio è stato ridotto.
Circa l’applicazione del concetto di ossidazione e riduzione sulle molecole organiche, ed in particolare sul numero ossidazione formalmente assegnabile agli atomi di carbonio in queste molecole, si suggerisce l’articolo “La chimica a colori: dall’ossidazione delle molecole alle interazioni luce-materia”.

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COSA SIGNIFICA ALIMENTARSI

L’alimentazione è il modo con il quale le sostanze chimiche presenti in natura entrano a far parte della realtà biologica di un vivente, costituendo le basi imprescindibili per la sua crescita, il suo mantenimento energetico e la sua corretta funzionalità.
Restringendo il campo al seppur vastissimo ambito di noi organismi eterotrofi, le piante e gli animali che mangiamo diventano parte di noi in funzione delle sostanze chimiche che li compongono.   La composizione chimica di un essere vivente diventa per tanto la chiave che giustifica, pilota e traghetta in qualche modo la trasmutazione, per molte culture ritenuta una sorta di magia un po’ macabra ma sicuramente sacra, di un essere vivente in un altro.

La chimica, le sostanze chimiche semplici, quindi non le cellule o i tessuti che pure li contenevano in origine, rappresentano cosa un organismo eterotrofo va a cercare in un alimento, per quanto esso possa essere introdotto nel nostro apparato digerente in forma estremamente complessa.  Possiamo anche pensare di ingoiare un’aringa intera, completa di testa e di coda: se mai riusciremo a digerirla, quello che passerà effettivamente nel nostro corpo, ovvero nel flusso sanguigno, e da lì ai vari organi, saranno sostanze chimiche semplici, specie chimiche ben definite, riportabili ad una struttura molecolare perfettamente definita e di solito neanche particolarmente complessa.   Gli organelli dei quali è composto il pesce, le sue viscere, la sua lisca, i suoi tessuti e le sue cellule, saranno opportunamente decomposti (digeriti) dal complesso di sostanze reattive (enzimi, acidi e basi) prodotte nei vari comparti del nostro apparato digestivo, fino alla liberazione fisico-meccanica delle sostanze semplici in essi contenute o alla decomposizione chimica delle sostanze più complesse in sostanze comunque semplici (che potranno quindi essere, almeno in parte, assimilate), e quella porzione di aringa che non potrà essere sufficientemente ridotta a singole molecole assimilabili, sarà semplicemente eliminata con le feci.

piccola porzione di schema del metabolismo umano (clicca per vedere schema intero)

C’è da chiedersi a questo punto per quale ragione un essere vivente eterotrofo abbia la necessità di introdurre nel suo organismo queste sostanze chimiche, ovvero quali funzioni così fondamentali esse possano rivestire per la vita stessa.   Di solito si parla di metabolismo (dal greco “cambiamento”) per indicare tutto il complesso delle reazioni chimiche e fisiche (quindi anche i cambiamenti di natura organizzativa e posizionale) che avvengono in organismo, o al limite anche in una sua parte (es. metabolismo cellulare): la materia base sulla quale direttamente o indirettamente agiscono i processi metabolici è chiaramente quella assunta dall’organismo tramite l’alimentazione, mentre ogni molecola che prende parte a qualsiasi titolo al metabolismo prende il nome di matabolita.
Una trattazione di tipo scolastico divide di solito il metabolismo delle sostanze nutritive assimilate in anabolismo, catabolismo e metabolismo energetico.

La trattazione più elementare presenta l’anabolismo come un processo costruttivo, di edificazione, ovvero come l’insieme dei processi che portano alla costruzione di molecole più complesse a partire da molecole più semplici: le finalità di questo processo possono consistere nella crescita (in dimensioni e massa) dell’organismo o una sua parte, nella rigenerazione e “manutenzione” delle sue strutture biologiche (tanto sua scala macro che su scala micro) o anche per la produzione di molecole funzionali alla vita della cellula.
Il catabolismo rappresenta l’insieme dei processi di degradazione di strutture molecolari più complesse in specie chimiche via via più semplici, allo scopo di produrre energia.
Il metabolismo energetico può essere considerato come una speciale estensione del catabolismo ed ha lo scopo di recuperare quanta più energia possibile dai processi catabolici, per convertirla in molecole aventi la funzione di carrier energetico come l’ATP.

In realtà esiste anche una casistica di specie chimiche che, per quanto indispensabili alla vita di un determinato essere, non vengono da questo sfruttate né per produrre da esse energia, né in funzione di mattoncini da costruzione.   E’ il caso di tutte quelle molecole che svolgono un’azione “funzionale”, che l’organismo non è in grado di sintetizzare da solo tramite i suoi naturali processi biochimici codificati geneticamente ma che pure risultano essenziali per alcuni suoi processi vitali, ovvero per singole e specifiche reazioni chimiche dove queste molecole-chiave possono per esempio svolgere una funzione catalitica, e nello specifico rappresentare necessari co-fattori enzimatici.   Con queste parole abbiamo appena descritto la natura delle vitamine: molecole organiche diversissime fra loro per composizione elementare, peso molecolare e gruppi funzionali, ma accomunate dal fatto che, pur essendo richieste nell’ambito di specifiche reazioni biochimiche di importanza vitale, l’organismo interessato non è in grado di biosintetizzarle in proprio, e necessita per tanto della loro introduzione mediante la dieta.   Alcune vitamine sono anche sintetizzate dai batteri che vivono naturalmente in simbiosi nel nostro intestino crasso (che, come tutto il tubo digerente, dalla bocca all’ano, può essere considerato come un percorso comunque “esterno” al nostro organismo, un po’ come il buco che passa da una parte all’altra una ciambella), mentre altre come la D possono richiedere l’intervento di un fattore esterno (nel caso specifico la componente ultravioletta della radiazione solare) per essere convertite nella loro forma molecolare biologicamente attiva.   Questa categoria di “sostanze chimiche funzionali” comprende anche singoli elementi chimici in forma ionica, ad iniziare dai cationi dei cosiddetti “microelementi”, così ricordati in funzione delle loro quantità veramente esigue, ma pure indispensabili, nelle quali è richiesta la loro presenza nella nostra alimentazione.

UN PO’ DI FILOSOFIA CHIMICA APPLICATA ALLA VITA

Cercherò di parlare per immagini, con la buona pace dei fisici che mi accuseranno di utilizzare colpevolmente certi termini a sproposito.   Si provi a considerare il flusso monodirezionale e sostanzialmente irreversibile che porta l’energia prodotta dal sole (nel suo insieme piuttosto uniforme, coerente, concentrata, come si suol dire “nobile”) a degradarsi in forme sempre meno intense e più disperse di energia  fino a divenire semplice “rumore energetico” disperso nell’universo sotto forma di vibrazioni molecolari, in pratica calore disperso.    Su qualche libro di humor scientifico credo di aver letto qualcosa che alludeva ad una inesorabile legge universale che porta, presto o tardi, ogni più nobile cosa a trasformarsi in pupù.   Ecco, se consideriamo tutto questo fluire da un nobile al meno nobile, da un alto ad un basso, da un potenziale elevato ad uno più ridotto, la vita può essere considerata come una piccola speculazione locale lungo questo percorso di degradazione, come un rallentamento nella caduta, un imbrigliare una valanga di per sé stessa spontanea ed anzi impetuosa, con la possibilità di far girare grazie ad essa dei meccanismi carini ed anche parecchio complessi.

Ricordo un gioco con il quale mi intrattenevo in spiaggia da bambino, in quel di Pietra Ligure: ho trovato su internet solo questa immagine di un modello piuttosto semplificato, che rende comunque l’idea del principio.   Proverò comunque a descriverlo a parole.    Era una struttura in plastica che portava sopra a tutto un imbuto dove potevo introdurre l’acqua con un secchiello, o anche semplicemente della sabbia ben asciutta.   L’acqua che scendeva dalla stretta uscita dell’imbuto faceva girare una ruota dentata sottostante, che a sua volta scaricava l’acqua in un’altra ruota più piccola e di un colore differente, che di conseguenza si metteva anch’essa in moto, magari girando in senso contrario.   Le ruote erano quattro o cinque, di forme e dimensioni diverse, e ricordo che c’erano anche degli altri oggetti in mezzo, come dei piani imperniati ai lati e lasciati liberi di basculare, ed anche una cassettina che raccoglieva l’acqua immobile dalla ruota soprastante e solo una volta riempita scendeva all’improvviso e scaricava l’acqua al meccanismo successivo.   Alla fine di tutto questo carosello di movimenti colorati, l’acqua veniva ovviamente scaricata a terra, dove si disperdeva in men che non si dica fra la sabbia assetata.
Vi ho voluto raccontare di questo gioco perché è ad esso che penso quando immagino la vita, parlando in chiave fisica e chimica s’intende, in rapporto al flusso di degradazione, di caduta energetica con il quale ho aperto questo capitolo.   La vita intesa come qualcosa, per così dire, che “si infila in mezzo” alle leggi fondamentali della natura fisica, senza disobbedire ad esse, ma al contrario sfruttandole laddove possibile in direzione del mantenimento e della propagazione della vita medesima, secondo una logica che a fatica ammettiamo poter non dipendere da un disegno intenzionale.    La vita come speculazione, come eccezione, come digressione passeggera nel continuo fluire dell’energia, e l’alimentazione rappresenta la sorgente, almeno quella locale, il punto dove la nostra cascatina personale inizia a far girare i nostri mulinelli colorati.

Una macchina sofisticata, certamente, ma tutto sommato a rendimento energetico piuttosto modesto: solo il 40% circa dell’energia inizialmente associata ai legami chimici delle molecole organiche che vengono demolite nel metabolismo energetico viene infatti convertita nel suo equivalente sotto forma di legami ad alta energia nella nota molecola dell’ATP: il restante 60% viene essenzialmente dissipato sotto forma di calore, che contribuirà al mantenimento della temperatura corporea.   E stiamo parlando dell’energia comunque liberata.   Pensate poi a tutta quella, pure contenuta nelle molecole che compongono gli alimenti, che non viene neanche sfruttata, semplicemente perché quella porzione di alimento viene eliminato con le feci.   Contrariamente a quanto si potrebbe immaginare, gli escrementi, le feci nella nostra metafora del gioco da spiaggia non rappresentano affatto l’acqua ormai giunta a terra, quella ormai priva di energia potenziale: non si tratta infatti dei sottoprodotti del nostro catabolismo, bensì di quella porzione di alimento che per ragioni di varia natura, ad iniziare dall’inadeguatezza del nostro apparato digerente, non vengono neppure assimilate.   Nell’esempio dell’allegra cascatina si tratta degli spruzzi che schizzano fuori, in modo casuale o sistematico, dai giochi posti lungo la caduta, o meglio ancora lassù in alto dalla sorgente medesima e che quindi non contribuiscono in alcun modo a fare girare le palette né a mettere in moto alcunché. I veri sottoprodotti del catabolismo di noi organismi eterotrofi sono invece in primo luogo l’anidride carbonica (punto di arrivo del catabolismo dei carboidrati e delle altre molecole energetiche) e l’acqua (sotto forma di urina, sudore o vapore acqueo espirato) che rappresenta il prodotto di trasformazione dell’ossigeno molecolare che respiriamo, al termine dell’ultima fase del catabolismo respiratorio, la cosiddetta fosforilazione ossidativa.    Tutti gli altri componenti escreti in soluzione acquosa nell’urina sono invece sottoprodotti più di dettaglio dell’organismo, che figurano per esempio come co-prodotti di reazioni anaboliche destinate all’edificazione di molecole di importanza biologica, oppure derivanti dalla degradazione controllata di molecole indesiderate, dallo smantellamento molecolare di strutture biologiche complesse (magari per ragioni di ricambio) e persino dall’espulsione degli eccessi di talune sostanze assimilate con l’alimentazione.

Il discorso si capovolge completamente quando, anziché gli eterotrofi, si vogliano considerare gli organismi autotrofi, ed in modo specifico quelli fotosintetici.   I principali prodotti del catabolismo eterotrofo, ovvero anidride carbonica ed acqua, diventano in questo caso entrambi “alimenti” indispensabili per la vita della pianta.   Indispensabili non in ragione del fatto che da essi venga direttamente ricavata energia, ovviamente, ma in funzione del fatto che queste costituiscono le due molecole inorganiche di base che la pianta utilizza per costruire strutture più complesse, i carboidrati in primo luogo.   Esattamente come gli eterotrofi, anche le piante andranno poi a “consumare” in modo catabolico queste molecole di riserva, al fine di rigenerare le molecole di ATP da spendere poi il tutti i processi energetici vitali che le richiederanno, ed il prodotto di questo catabolismo sarà anche nel caso delle piante anidride carbonica ed acqua.   La sintesi dei carboidrati (detti anche glicidi, glucidi o zuccheri) a partire da queste due piccole molecole inorganiche (che vengono perciò, come si suol dire, “organciate”) richiede energia, e questa è fornita dalla porzione visibile della radiazione elettromagnetica prodotta dal sole o da un’altra sorgente luminosa, in altre parole dalla luce.   Un range molto ampio di questo spettro elettromagnetico, captato da una varietà di pigmenti colorati contenuti nelle piante, dei quali le clorofilla costituiscono in qualche modo solo l’ultimo anello della catena, è utilizzabile dal sistema foto sintetico vegetale per fornire l’energia necessaria alla formazione dei legami semplici carbonio-carbonio sui quali si basano tutte le strutture delle molecole organiche, a partire proprio dai carboidrati.   Se considerare l’acqua e l’anidride carbonica come un “alimento” per gli organismi fotosintetici, e concepire i carboidrati prodotti al pari di un metabolita intermedio, oppure se ammettere, come è probabilmente più frequente fare, gli autotrofi, proprio come suggerisce l’etimologia del termine, come in grado di prodursi da soli l’alimento (i carboidrati) che poi consumano, è a questo punto una questione di natura filosofica.   La fotosintesi clorofilliana, uno dei processi di sintesi chimica in assoluto più straordinari che la natura ci ha riservato, sarà adeguatamente sviluppata in altri articoli che seguiranno nei prossimi mesi.

INTRODUZIONE ALLA TERMODINAMICA CELLULARE

Ma a cosa serve, o meglio come e dove viene impiegata tutta l’energia che ogni vivente ricava dai processi catabolici, ed in primo luogo dalle diverse fasi della respirazione cellulare, a carico dei carboidrati e delle altre molecole ad alto contenuto energetico?
La risposta è semplice: in tutti quei processi biochimici a vario titolo sfavoriti ma sui quali pure si basa la vita stessa della cellula e, in senso più esteso, dell’organismo.   Il concetto di favore/sfavore nello svolgimento di un processo (una reazione chimica, ma non soltanto) trova spiegazione nell’applicazione dei concetti della termodinamica al bilancio energetico della cellula, ma per affrontare questa trattazione dobbiamo iniziare ad applicare anche all’ambiente biologico, ed in particolare ai processi biochimici che si svolgono nei viventi, gli stessi criteri, le stesse equazioni (in una sola parola le stesse “leggi”) della termodinamica che nei corsi di fisica siamo soliti vedere applicati al funzionamento delle macchine ideali o a sistemi puntiformi come ad esempio molecole di gas dentro a contenitori in condizioni controllate.
In primo luogo dobbiamo prendere atto che le cellule e gli organismi viventi sono sistemi aperti, ovvero scambiano sia energia che materia con l’ambiente esterno.   La termodinamica classica ci insegna che in un sistema aperto il grado di disordine associato ai suoi componenti, ad esempio alle particelle che lo costituiscono, non può che procedere nella direzione di un suo aumento.    Nonostante questo, la cellula, gli organuli cellulari e le altre ultrastrutture biologiche si presentano di fatto come sistemi sì aperti, ma anche ben ordinati.   Esaminando nei dettagli le strutture biologiche si assiste ad una grande varietà di molecole tutte riunite e ben disposte secondo una logica precisa, perfettamente funzionale in relazione all’attività che devono svolgere, ma in aperto contrasto alla spinta entropica che le vorrebbe naturalmente disposte nel modo più disordinato e disperso possibile, il mantenimento di concentrazioni di taluni particolarmente alte in determinati comparti, ed in generale tutta una concertazione di movimentazioni ed interazioni controllate delle diverse specie chimiche presenti che, anche agli occhi di un profano, risulta pressoché all’antitesi dell’idea di casualità e dispersione.Com’è possibile questa apparente contraddizione con quanto previsto dal destino termodinamico dei sistemi aperti?   Perché questa condizione apparentemente “contro natura” si realizzi, il sistema vivente ha bisogno di un continuo apporto energetico (quello della sorgente messa in alto nel gioco d’acqua della metafora del capitolo precedente), energia che sarà poi restituita all’ambiente sotto forma di dissipazione termica, ovvero di calore (il livello dell’acqua che arriva al terreno nella metafora).

Il concetto fondamentale della termodinamica che spiega la spontaneità dei processi di trasformazione a carico dei sistemi, e che si applica altrettanto bene ad un processo di sintesi industriale, al motore di un’automobile o al bilancio energetico di una cellula, è quello espresso dall’Energia Libera del sitema, detta anche energia libera di Gibbs.   Formalmente essa esprime la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante un processo di trasformazione che si svolge a temperatura e pressione costante, ma possiamo cercare di leggere in questa grandezza anche dei significati più concreti ed intuitivi.   Se ad esempio applichiamo il tutto ad una reazione chimica, possiamo vedere nella differenza fra l’energia libera di Gibbs fra dopo e prima della reazione, la forza che “spinge” la reazione medesima ad avvenire.

ΔG= ΔH – TΔS

Nella nota equazione per esprimere la variazione dell’energia libera di Gibbs ΔG per reazioni che si realizzano a temperatura costante, compaiono la differenza di entalpia ΔH e la differenza di entropia ΔS, entrambe espresse appunto come differenze riferendosi alla variazione riscontrata tra le condizioni a fine processo rispetto a quelle iniziali.    Da notare che il fattore entropico ΔS risulta concorrenziale (perché con segno negativo davanti) rispetto a quello entalpico ΔH ed assume inoltre un peso differente a seconda della temperatura T alla quale si realizza la reazione.    La differenza di entalpia ΔH invece non dipende da altri fattori se non dalla natura chimica, quindi dalla struttura molecolare, dei reagenti e dei prodotti: si dice infatti che l’entalpia H rappresenta il contenuto termico di un sistema che sta reagendo e dipende essenzialmente dalla tipologia e dal numero dei legamichimici che caratterizzano reagenti e prodotti di reazione.    L’entropia S rappresenta invece un’espressione descrittiva del disordine del sistema, o meglio ancora della casualità nella posizione reciproca delle molecole e della loro conformazione.   Da qui si intuisce facilmente come sia la variazione nella struttura chimica delle molecole (ovvero una reazione chimica) che una variazione nella loro dispersione casuale/organizzazione si rifletterà inevitabilmente, a parità di temperatura, sul valore assunto dalla differenza di energia libera di Gibbs.
Esiste un altro modo per esprimere l’energia libera di Gibbs.   Quando esistono due modi per poter calcolare numericamente, con parametri diversi, una stessa variabile chimico-fisica, significa che possiamo anche togliere di mezzo questa variabile e stabilire una relazione fra i fattori della prima espressione con quelli della seconda.

ΔG’° =  - RTlnK’eq

La seconda espressione, che si riferisce alla differenza di energia libera di Gibbs valutata in condizioni standard, la mette in relazione inversa con la costante di equilibrio della reazione chimica alla quale si riferisce, tramite l’espressione: a parte R che è una costante (precisamente la costante universale dei gas) e la T che come al solito esprime la temperatura, la Keq della quale è calcolato il logaritmo naturale esprime la tendenza della reazione a procedere dai reagenti ai prodotti.

Keq = [C][D] / [A][B]

Una rezione poco propensa ad avanzare fino al completamento, ma che al contrario raggiunge facilmente le condizioni di equilibrio con concentrazioni analoghe di reagenti e prodotti, avrà Keq prossima ad 1, e pertanto lnKeq prossimo allo zero, con azzeramento di tutta la differenza di energia libera di Gibbs.

A + B ==> C + D

Al contrario, una reazione molto favorita, che porta facilmente alla formazione irreversibile dei prodotti (C e D) a partire dai reagenti (A e B) avrà un Keq molto elevato e pertanto, visto il segno negativo davanti all’espressione, la differenza di energia libera di Gibbs sarà molto negativa.

P.S.  le parentesi quadre di fronte ad A, B, C, D stand ad indicare la concentrazione molare di ciascuna molecola, ragionando come sempre non su sostanze pure, bensì in soluzione.   L’eventuale presenza di coefficienti stechiometrici davanti a ciascuna delle quattro molecole nella reazione chimica si traduce nell’espressione della costante di equilibrio come potenza applicata alla concentrazione di quella specifica molecola.
In conclusione la variazione di energia libera “standard” di una reazione chimica consente di prevedere la direzione della reazione medesima:

ΔG negativo: la reazione tende a procedere spontaneamente dai reagenti verso i prodotti;
ΔG positivo: la reazione tenderà a procedere nella direzione inversa rispetto al senso nella quale è stata inizialmente concepita;
ΔG uguale a zero: il sistema è all’equilibrio.

Tornando all’espressione termodinamica iniziale dell’energia libera di Gibbs:
ΔG= ΔH – TΔS
Troviamo conferma del fatto che i processi favoriti sono quelli che realizzano un ΔG negativo, ovvero, in concorrenza fra loro (visto il segno negativo davanti al termine TΔS):

1)  Una ΔH negativa, quindi H minore nel prodotti rispetto che nei reagenti (il delta si calcola sempre come “reagenti – prodotti”), che significa che il contenuto energetico dei legami chimici fra i diversi atomi che compongono la molecola dei prodotti è minore di quello dei legami che compongono i reagenti, ovvero si è passati da molecole intrinsecamente più energetiche a molecole che lo sono di meno;

2)  Una ΔS positiva, ovvero un fattore di casualità e disordine nella disposizione spaziale delle molecole maggiore nei prodotti rispetto che nei reagenti.   Quindi tutti i processi che, al contrario, portano ad una situazione di maggiore organizzazione, regolarità spaziale ed ordine, compromettono la possibilità del ΔG di essere negativo, e quindi del processo di essere termo dinamicamente favorito.   Come si vede dall’espressione, il peso del fattore entropico ΔS diventa determinante soprattutto a temperature sufficientemente elevate.

Vediamo ora come ricollegare tutte queste considerazioni con la necessità da parte della cellula di produrre ATP.
Considerando tutto un processo, comprese le reazioni biochimiche più complesse, costituite da una serie di sotto-reazioni gestite in modo concertato (ad esempio da un unico pool enzimatico, su una stessa porzione di membrana, ecc), quello che conta è la variazione di energia libera di Gibbs dell’intero processo, data dalla somma delle variazioni ΔG delle singole reazioni coinvolte.   Se una reazione termodinamicamente sfavorita per una qualsiasi delle ragioni precedentemente esaminate (formazione di molecole più energetica da molecole che lo sono meno, aumento del grado di organizzazione spaziale rispetto ai reagenti o più in generale, al di là delle ragioni, equilibrio fra reagenti e prodotti non sufficientemente spostato su questi ultimi) viene accoppiata nello stesso processo complessivo con un’altra che risulta invece fortemente favorita da una ΔG veramente negativa, tutto il processo diventerà possibile, così come esemplificato in modo molto efficace dalla metafora delle ruote dentate accoppiate, in figura.   La reazione esorgenica (ovvero con ΔG negativo) che la cellula maggiormente utilizza (non l’unica in assoluto) per trascinarsi dietro le altre sfavorite ma pure indispensabili alla vita dell’organismo, è quella con la quale l’ATP (adenosina trifosato) perde un gruppo fosforico, trasformandosi in ADP:
ATP ==> ADP + fosfato

L’ADP viene poi “ricaricato” ad ATP tramite la fissazione ad esso di un altro gruppo fosfato, ovvero con la reazione inversa rispetto a quella sopra riportata, durante le diverse fasi della respirazione (glicolisi, ciclodi Kebs, catena della fosforilazione ossidativa) in grado di fornire l’energia richiesta per questa ricarica che, come si può facilmente immaginare, sarà fortemente endoergonica, ovvero con ΔG positivo.

Sarebbe davvero troppo lungo, al limite dell’impraticabile, menzionare e descrivere ogni singola reazione biochimica assolutamente fondamentale per la vita stessa della cellula e dell’organismo nel suo insieme che richiede per la sua realizzazione l’accoppiamento con la de fosforilazione dell’ATP.    Può trattarsi della sintesi di molecole funzionali di grandi dimensioni a partire da frammenti di dimensioni minori (in pratica quasi tutti i processi anabolici sono di tipo endoergonico), può trattarsi della contrazione di un muscolo causata da variazioni strutturali nelle molecole di natura proteica note come miosina ed actina, può trattarsi dei meccanismi di trasporto attivo di molecole e ioni dentro e fuori le cellule, attraverso le membrana plasmatica, procedendo come spesso risulta necessario in senso contrario al gradiente di concentrazione, ovvero andando a concentrare queste specie chimiche da ambienti dove queste risultano più diluite ad ambiente dove esse risultano di fatto già più concentrate.   In ogni caso l’ATP rappresenta una “moneta di scambio” ideale: di piccole dimensioni, facilmente solubile e trasportabile, ad alto valore energetico.   Infatti mentre esso viene “ricaricato” a partire da ADP e da fosfato inorganico principalmente sulle membrane dei mitocondri, gli organuli cellulari laddove si svolgono i processi di respirazione cellulare che richiedono complesse strutture enzimatiche dedicate, l’ATP viene agevolmente trasporta da lì a dove serve, per tornare nuovamente indietro una volta “scarico”, in un ciclo velocissimo e continuo che non comporta sostanzialmente l’accumulo di quantità rilevanti di questa molecola in forma carica.

MATTONCINI DA COSTRUZIONI…  INTERCONVERTIBILI

Sarebbe molto bello dal punto di vista didattico poter traslare tutte queste valutazioni di carattere davvero generale dal catabolismo, con le sue basi termodinamiche che lo rendono adatto per tutti gli organismi, alla parte edificatoria del nostro metabolismo, ovvero all’anabolismo.  Purtroppo questa trasposizione non può essere fatta per almeno due ordini di ragioni.In primo luogo per il fatto che, se si escludono le ultrastrutture e gli organuli cellulari davvero fondamentali ed evoluzionisticamente più primitivi, le strutture stesse delle quali si compongono batteri, funghi, piante ed animali, anche a livello cellulare, sono in effetti diversificate nella loro struttura e, prima ancora, nella loro composizione.   Anche all’interno di ciascun regno le diversificazioni, magari su scala più macroscopica, continuano ancora ad essere importanti: che dire per esempio del fatto che taluni contano su una struttura ossea a base di idrossiapatite intimamente intessuta con proteine (in pratica le nostre ossa) e con strutture rigide periferiche a base di cheratina (unghie e capelli), mentre altri come insetti e crostacei contano su un esoscheletro in chitina che, guarda caso, costituisce il carboidrato complesso più abbondante anche nei funghi?   In primo luogo quindi l’anabolismo non risulta effettivamente univoco per tutte le forme di vita.In secondo luogo, la capacità di trasformazione delle molecole disponibili in natura (leggasi: gli alimenti) sono profondamente diverse da un organismo all’altro, anche volendo limitare il confronto ai tradizionali organismi chemioeterotrofi come gli animali.   Diverse non soltanto in funzione della diversa capacità di digerire (scomporre in molecole più piccole ed in soluzione) e quindi di assimilare (introdurre nel circolo sanguigno) in modo differente le molecole presenti nell’alimento, ma anche e soprattutto per il diverso corredo enzimatico, codificato geneticamente, che garantisce a determinate specie la possibilità di poter sintetizzare “in proprio” alcune molecole a partire da altre facilmente disponibili, mentre altre specie potrebbero non essere in grado di effettuare questa trasformazione, con la conseguente dipendenza forzata dalla molecola già fatta, da ricercare tal quale nella sua dieta.

E’ il caso per esempio degli aminoacidi, ovvero le unità semplici, i monomeri, che ciascuna cellula, anche le più primitive, da che vita è vita, organizza a suo piacimento (in realtà seguendo i dettami del suo codice genetico) per costituire i polimeri di tipo proteico, siano essi destinati a svolgere funzione catalitica come gli enzimi o funzione strutturale come molte altre proteine.   Gli aminoacidi che possono entrare comunemente a far parte delle proteine sono in tutto 20 tipologie diverse, tutte solitamente disponibili, seppur con vari rapporti relativi, nell’ambito di un’alimentazione equilibrata.  Di questi 20, l’essere umano adulto riesce a sintetizzarne da solo 12 a partire da altri aminoacidi o da altre sostanze già presenti nel suo organismo, mentre per 8 (fenilalanina, isoleucina, triptofano, lisina, metionina, valina, treonina, leicina) deve necessariamente contare sull’approvvigionamento esterno e vengono perciò definiti amminoacidi “essenziali”.   Per il bambino ed in generale l’umano durante lo sviluppo, risultano essenziali anche altri 4 amminoacidi che l’uomo adulto riesce invece a supplire tramite biosintesi endogena: arginina, cisteina, istidina e tirosina.
Inutile dire che molti altri animali, ed in particolare gli erbivori, sono maggiormente autosufficienti da questo punto di vista, essendo in grado di supplire per biosintesi endogena un numero ancora maggiore di amminoacidi.

Anche i carboidrati, in vero fondamento dei componenti strutturali più nelle piante che negli animali (es. cellulosa, emicellulosa), sono assimilati da questi ultimi come zuccheri semplici, che vengono poi variamente funzionalizzati e trasformati l’un al’altro, fino alla formazione di carboidrati di riserva come il glicogeno o a formare la parti glicidica di molecole estremamamente diverse fra loro e pure in tantissimi casi di vitale importanza, dagli acidi nucleici allo stesso ADP/ATP.

Un altro metabolismo nell’ambito del quale in linea teorica ogni organismo vivente dovrebbe trovarsi in grado di operare ampie interconversioni è quello dei lipidi, ovvero dei grassi.   Salvo alcuni rari casi di acidi grassi anch’essi ritenuti “essenziali” (come l’acido linoleico e linolenico), un po’ tutti gli organismi, compresi gli stessi eterotrofi, sono in grado di smontare e rimontare variamente le catene di acidi grassi, sia convertendoli l’un l’altro che andando a sintetizzarli da zero (biosintesi lipidica) utilizzando unità costituite da due atomi di carbonio, trasportate dal noto coenzima-A.   Solitamente il punto di partenza è il catabolismo dei carboidrati, che in seguito alla glicolisi (prima fase del processo noto come “respirazione”) fornisce una carica di gruppi acetilici (C2) sottoforma di di acetil-coenzimaA, che possono essere sia direzionati alle fasi successive della respirazione per il recupero catabolico della maggior quantità di energia disponibile che, quando l’organismo non soffre di carenze energetiche, essere convertiti anabolicamente in acidi grassi tramite la creazione ed in seguito l’allungamento di catene di acidi grassi, a blocchetti due atomi di carbonio per volta.  E’ questa la ragione per la quale gli acidi grassi presenti nei triglie ridi naturali, tanto di origine animale quanto vegetale, sono nella quasi totalità dei casi a numero pari di atomi di carbonio.

In sintesi, gli esseri viventi eterotrofi sono ampiamente in grado di rimaneggiare le molecole assimilate tramite l’alimentazione per sintetizzare internamente a sé gran parte delle altre molecole richieste per la loro esistenza in vita, sia per motivi funzionali che per ragioni strutturali.   Nel fare questo tuttavia, a differenza degli organismi autotrofi, gli eterotrofi non possono partire dai gradi di organizzazione più semplici della materia reperibile in natura, ovvero dalle specie ioniche inorganiche di ciascun elemento (es. nitrato o ammonio per l’azoto, solfato per lo zolfo, anidride carbonica per il carbonio, ecc), ma richiedono la disponibilità di questi in una forma un po’ più elaborata, come si direbbe nella pratica industriale dei “semilavorati”, per quanto ancora molto semplici.   Per contro, strutture molecolari particolarmente complesse non possono essere assimilate tal quali e richiedono, per poter diventare di fatto disponibili alle trasformazioni biochimiche in grado di trasformarle facilmente in moltissime altre molecole funzionali alla vita, di essere preventivamente scomposte in molecole più piccole ma pur sempre organiche.
Sono decisamente minoritari i casi, anche se ci saltano spesso agli occhi per via delle patologie da carenza che possono ingenerare, nei quali gli organismi eterotrofi richiedono in qualità di “essenziali” nella loro dieta molecole anche un po’ più complesse, già fatte e finite, che possono svolgere attività funzionale (es. vitamine) o anche rappresentare mattoncini per l’edificazione anabolica di strutture più complesse, come gli amminoacidi.

E GLI ORGANISMI AUTOTROFI?

Il concetto di alimentazione si applica in realtà anche agli organismi autotrofi, siano essi chemiosintetici (come le piante verdi, in grado di sfruttare energeticamente l’energia solare) o chemiolitotrofi (come alcuni batteri, in grado di recuperare energia tramite reazioni su materiali inorganici disponibili nel loro ambiente vitale).    Non sarebbe infatti corretto affermare che questi organismi autotrofi non si nutrano ma piuttosto, come si recita in alcuni semplici testi scolastici, essi “si fabbricano il nutrimento da soli”, partendo da sostanze ancora più semplici, non facenti parte di un altro essere vivente, e nello specifico solitamente non ancora organizzate nella forma di molecole organiche.   Essenzialmente anidride carbonica, acqua e ioni inorganici.   I prodotti della fotosintesi sono carboidrati, che possono essere conservati dalla pianta sotto forma di zuccheri semplici o polisaccaridi di riserva, fino alle strutture più complesse aventi funzionalità strutturale come la cellulosa e la lignina.   Su questi carboidrati è quindi basato il catabolismo degli stessi organismi autotrofi, fino alla formazione del noto ATP e degli altri trasportatori energetici già menzionati: la moneta di scambio energetico, quella che consente di utilizzare l’energia captata dalla radiazione solare per l’energeticamente dispendioso mantenimento vitale dell’organismo, è ancora una volta, inevitabilmente, di tipo chimico.

Ma gli organismi autotrofi non sono autosussistenti solo dal punto di vista energetico: anche nell’ambito dei processi anabolici, quelli che stanno alla base dell’edificazione strutturale dell’organismo, le piante sono in grado di biosintetizzare tutto quanto può loro servire per la propria crescita (es. tutti gli aminoacidi proteici, a differenza degli animali che devono assimilarne alcuni “già fatti” tramite l’alimentazione) e per il loro mantenimento funzionale (il concetto di vitamina non trova riscontro nelle piante).
Un orticello dietro casa per l’autosussistenza al quale tutti noi eterospreconi guardiamo con grande invidia, soprattutto in questo periodo di crisi energetica e – siano esse risorse agricole o fossili – anche di crisi di materia prima organica.

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INTRODUZIONE

Le piante sono legate al loro ambiente, dove di solito vivono naturalmente protette, e sono in grado di concludere il loro ciclo vitale.   Tuttavia esse durante la loro vita, sono esposte ad ampie modificazioni delle condizioni ambientali ed a numerosi fattori di stress che secondo la loro durata e intensità, riducono la vitalità delle piante causando danni.
La crescita e lo sviluppo delle piante dipendono dalle interazioni del genotipo (informazioni contenute nel codice genetico della pianta a livello dei cromosomi) con vari fattori esterni, come: intensità luminosa, la temperatura, la disponibilità idrica e dei nutrienti e la salinità.   Ogni volta che nell’ambiente si verifica una variazione di tali fattori, in difetto o in eccesso, si parla di “stress” perché l’organismo vivente soggiace a modifiche potenzialmente dannose.  Quando una pianta è in grado di sopravvivere a condizioni sfavorevoli si usa il termine “resistenza allo stress”, caratteristica che attraverso l’evoluzione può diventare stabile (in quanto l’ambiente seleziona in maniera favorevole solo quegli individui vegetali che sono in grado di resistere alla persistenza di tale fattore di stress, aumentando quella che nel gergo tecnico viene definita la FITNESS o successo della specie).

Alcune volte le piante si organizzano internamente in modo da impedire alle cellule di subire lo stress evitando le condizioni sfavorevoli: elusione dello stress; altre volte esse sopravvivono normalmente tollerando le condizioni sfavorevoli: tolleranza allo stress.
Quando le piante sono in grado di superare le difficoltà esse si adattano flessibilmente: si parla allora di veloce acclimatazione e non si verifica alcuno stress, e l’adattamento include modifiche di numerosi parametri: dimensione e spessore delle foglie, numero e densità degli stomi, ultrastruttura e funzione dei cloroplasti, aumento o produzione di enzimi di protezione e metaboliti da stress.  Questi adattamenti possono attuarsi in 1-2 giorni, una settimana al massimo.
Nell’ambiente naturale le piante sono capaci di attuare la veloce acclimatazione e adattamenti specifici sviluppando particolari meccanismi di tolleranza allo stress.    Comunque esse sono spesso esposte a improvvisi fenomeni di stress di breve- o lungo-termine che riducono l’attività cellulare riducendo al minimo la crescita delle piante e portandole infine nei casi più gravi a morte.
Poiché differenti tipi di stress potrebbero indurre simili, se non identici, meccanismi di risposta accoppiati, è nato il concetto della sindrome generale di adattabilità (GAS).  Ciò implica che la tolleranza a un tipo di stress possa essere indotta da una esposizione sub-letale della pianta a differenti tipi di stress.   Questo fenomeno non è cosa strana perché il naturale ambiente aperto non è una camera di crescita.  Ciò spiega anche le frequenti differenze osservate nella stessa pianta cresciuta in questi due ambienti.

ALOFITE E GLICOFITE

A seconda del grado di tolleranza al sale, le piante possono essere suddivise in due grandi gruppi: Alofite e Glicofite.    Le Alofite sono molto resistenti al sale e sono tipicamente presenti in ambienti salmastri, mentre le Glicofite non sono molto resistenti al sale e vivono solo in ambienti con concentrazioni saline poco elevate.
Mentre le Glicofite limitano il flusso ionico verso il germoglio attraverso un controllo a livello dello xilema radicale (tessuto vascolare che trasporta acqua e ioni dalla radice al resto della pianta), le Alofite tendono ad assorbire e trasportare più rapidamente lo ione Na+ alla parte aerea della pianta, tanto che le radici, di solito, hanno concentrazioni di cloruro sodico più basse del resto della pianta.

Inoltre, alcune piante sopravvivono e crescono in ambienti salmastri grazie ad un bilancio osmotico che si realizza attraverso la compartimentazione intracellulare degli ioni tossici nel vacuolo, attraverso un processo di trasporto attivo.   Ciò spiega il perché le Alofite possano usare ioni come Na+ e Cl- per il bilancio osmotico che poi serviranno per l’espansione cellulare dei tessuti in crescita e per il turgore negli organi differenziati. In un ambiente salmastro, la capacità di confinare lo ione Na+ nelle foglie abbassa il potenziale osmotico delle parti aeree della pianta; questo facilita l’apporto e il trasporto dell’acqua e abbassa il costo metabolico per la produzione di osmoliti compatibili.   Al contrario, la necessità di confinare lo ione Na+ nel vacuolo richiede un costo energetico più alto e, peraltro, meccanismi addizionali per l’acquisizione di nutrienti minerali (in particolare K+).
Per quanto riguarda il K+, piante diverse rispondono in modo diverso all’aumento esterno di Na+. In particolare, glicofite relativamente sale-tolleranti mantengono costante il contenuto di K+ che talvolta addirittura aumenta, mentre le più sensibili non mantengono costante il contenuto di K+ in presenza di alta concentrazione salina e ciò può indicare danno.   Alcune piante tolleranti sono capaci di aumentare il contenuto fogliare di K+ escludendo il Na+ più efficientemente di quelle sensibili.   Alcune alofite, o glicofite tolleranti che accumulano Na+, riducono il contenuto di K+ all’aumento della salinità esterna senza mostrare alcun danno.   Questa riduzione sembra collegata alla sostituzione del K+ vacuolare con Na+.   Il mantenimento di un adeguato contenuto di K+ in condizioni saline sembra dipendere dall’assorbimento selettivo di K+ e dalla compartimentazione selettiva di K+ e Na+ nelle cellule e loro distribuzione nei germogli.
Però, i benefici osmotici dell’abbondante riserva di Na+ e Cl- e di osmoliti a basso costo sono limitati dallo spazio disponibile nel vacuolo. Perciò, la crescita continua da cui la produzione di nuovi vacuoli, può essere un fattore che limita la tolleranza al sale.

In substrati salini la crescita del germoglio è ridotta rispetto alla crescita della radice, sebbene l’allungamento di quest’ultima possa essere immediatamente arrestato dall’applicazione di alte concentrazioni di NaCl.
Alcune delle più importanti risposte dell’allungamento fogliare in seguito a stress salino sono attribuibili al cambiamento dello stato idrico della foglia stessa.   Rimuovendo, infatti, il sale dalle zone circostanti la radice, la crescita fogliare riprende, suggerendo che la sola ragione per cui la crescita era ridotta era da attribuire allo stress idrico e non alla tossicità del sale.
Anche nel fagiolo la perdita di turgore delle foglie è considerata il fattore più importante nell’inibizione dell’allungamento fogliare rispetto alla perdita dell’estensibilità della parete cellulare.   Ciò accade poiché la salinizzazione limita la disponibilità e il trasporto dell’acqua, riducendo la pressione radicale responsabile del trasporto xilematico di acqua e soluti.
In molte specie erbacee e alberi da frutta, invece, concentrazioni troppo alte di questi ioni sono tossiche.   L’inibizione della crescita e problemi inerenti le foglie come clorosi e necrosi su foglie mature si hanno già a bassi livelli di NaCl. In questo caso lo stress idrico non è il problema di maggior interesse.
Nel riso, per esempio, un sintomo che si manifesta subito dopo l’esposizione della radici a 50 mM di NaCl è l’avvizzimento, sebbene l’accumulo di ioni nelle foglie sia più che sufficiente per il bilancio osmotico.
L’alta sensibilità al sale nelle piantine di pisello e nello spinacio sembra essere correlata non solo ad uno stretto controllo sul trasporto di Na+ e Cl- verso il germoglio, ma anche al mantenimento di bassi livelli di entrambe le specie ioniche nell’apoplasto fogliare.
Ad alte concentrazioni di sali alcuni enzimi possono essere attivati e disattivati a seconda dell’effetto indotto dal sale nell’intera pianta.
Le alofite siccome accumulano nelle foglie per il bilancio osmotico grandi quantità di Na+ e Cl-, o di altri ioni inorganici, devono proteggere gli enzimi cellulari dalle alte concentrazioni di cloruro sodico. In spinaci cresciuti su substrati salini è stato dimostrato che ciò si realizza mediante una stretta compartimentazione di Cl- nei vacuoli.

LA SALINITA’

Quando la pioggia non è sufficiente a disciogliere i sali, e gli ioni, siano essi sodio o di altra specie chimica, essi si accumulano in eccesso nella rizosfera ( la zona del terreno, caratterizzata da intensa attività microbiologica, che si accerta in prossimità delle radici delle piante) ovunque possono insorgere problemi di salinità e sodicità, aggravati anche dall’evaporazione che favorisce l’aumento della concentrazione salina nel/sul suolo.
La salinità del terreno, infatti è il principale fattore che rende il suolo inadatto all’agricoltura e limita, quindi, la produttività delle piante coltivate, in particolare negli areali a clima mediterraneo.    Nell’area mediterranea, che comprende venticinque paesi, otto (con circa 115 milioni di abitanti) sono sotto la soglia minima di disponibilità idrica e i Paesi più esposti sono Spagna, Portogallo, Grecia e Italia. Inoltre si calcola che la desertificazione minacci direttamente 250 milioni di persone e indirettamente circa un miliardo.   Nei prossimi anni la disponibilità idrica diminuirà in Egitto, Nigeria e Kenia.
In questa prospettiva appare sempre più importante l’uso di acqua di mare o salmastra per una irrigazione, se non alternativa, almeno complementare.   Nel mondo la superficie coltivata è pari a circa 1,5×109 ettari, di cui il 23% è costituita da suoli salini e il 37% da suoli sodici.    Si stima inoltre che il 50% di tutti i terreni irrigati (circa 2,5×108 ha) sia seriamente colpito da salinità o carenza di ossigeno.   Durante gli ultimi 30 anni le zone irrigate nel mondo sono aumentate di circa il (45 – 55)% favorendo l’aumento delle rese colturali ma comportando un serio rischio per l’agricoltura in quanto senza un corretto drenaggio i sali si accumulano, favorendo la desertificazione.

LA TOSSICITA’ DEL SODIO A ELEVATE CONCENTRAZIONI

Nessuna sostanza tossica limita la crescita delle piante più di quanto non sia in grado di fare il sale, che determinando fenomeni di stress salino, rappresenta una crescente minaccia per l’agricoltura.
Tra le varie fonti di salinità del suolo, l’irrigazione in combinazione con lo scarso drenaggio è il fattore più grave, poiché è causa nel tempo di perdite in termini di produttività dei terreni agricoli.    La ragione di questa cosiddetta secondaria salinizzazione, in contrapposizione a quella primaria delle aree alla riva del mare, è semplice: l’acqua evapora ma i sali restano e si accumulano nel suolo.   Ciò porta spesso per le colture irrigate alla combinazione carenza idrica/eccesso di sali.    Anche una buona acqua dolce contiene sali (da 100 a 1000 g/m3) per cui in un anno un’irrigazione con 10000 m3/ha apporta al terreno circa 1-10 tonnellate di sali.    Se poi l’irrigazione è effettuata in maniera scorretta la situazione si aggrava.   Ogni anno, a causa della salinità dovuta all’irrigazione vengono abbandonati 10 milioni di ettari di terreni irrigati.    Lo stress creato da una alta concentrazione di sali nel suolo ha un duplice aspetto.

In primo luogo, molti degli ioni salini sono tossici per le cellule vegetali, quando presenti in concentrazioni elevate esternamente o internamente, alla ambiente cellulare.     In genere, il cloruro di sodio (NaCl) costituisce la maggioranza dei sali presenti nel terreno.    Gli ioni sodio (Na+) sono tossici per la maggior parte delle piante, e alcune piante sono anche inibite nella crescita dalle alte concentrazioni di ioni cloruro (Cl-).    In secondo luogo, alte concentrazioni di sale sono la causa della riduzione del potenziale osmotico nella soluzione circolante nel suolo con conseguente stress idrico, ovvero deficienza nella disponibilità di acqua.

Come abbiamo precedentemente evidenziato il sale determina lo stress salino, e i sintomi generali di danno da stress salino sono:

1. la inibizione della crescita e problemi inerenti le foglie come clorosi: presenza di macchie sulle foglie, e necrosi: presenza di zone morte, che su foglie mature si hanno già a bassi livelli di NaCl.   L’inibizione della crescita è l’effetto primario che conduce ad altri sintomi, anche se è stato osservato che la morte cellulare programmata (PCD), può verificarsi anche in casi di grave shock da salinità;

2. una accelerazione dello sviluppo e la prematura senescenza con conseguente morte durante l’esposizione prolungata alla salinità;

3. induce la sintesi di acido abscissico (ABA, un ormone vegetale) che giunto agli stomi (soluzione di continuità con l’ambiente esterno a livello delle foglie, sono struttre che regolano gli scambi gassosi e la traspirazione) ne comanda la chiusura, con conseguente diminuzione della fotosintesi per ridotta assunzione di CO2 determinando un decremento nelle foglie dei prodotti della fotosintesi, che limita la crescita dei germogli a causa del diminuito apporto dei carboidrati richiesti.    Le piante, assimilano minori quantità di CO2 riducono la traspirazione e quindi diminuiscono il consumo d’acqua per unità di biomassa.    In tal modo avviene una riduzione dell’assorbimento dei nutrienti e del sale con relativo minore dispendio energetico per la compartimentazione dei sali.

Un eccesso di ioni sodio a livello della superficie radicale disturba la pianta nei fenomeni di nutrizione da potassio (K+).    L’assorbimento del potassio da parte della radice può avvenire grazie a sistemi che possono avere bassa e ad alta affinità per il potassio, dei due quello a bassa affinità è maggiormente affetto dalla presenza di ioni sodio a causa della sua minore selettività.   La carenza di potassio porta inevitabilmente ad una inibizione della crescita in quanto esso svolge un ruolo critico nel metabolismo cellulare.    Una volta che il sodio entra nel citoplasma, inibisce l’attività di molti enzimi.   Questa inibizione dipende anche da quanto potassio è presente: un altro rapporto sodio / potassio è molto dannoso.
Un fattore importante nella battaglia tra sodio e ioni potassio è il calcio (Ca2+).    L’aumento dell’offerta di calcio nel terreno, ha un effetto protettivo sulle piante in genere, e molto più marcato per le piante sotto stress da sodio, favorendo il trasporto di potassio e la selettività potassio / sodio.
In generale, l’ingresso del sodio abbassa il potenziale idrico permettendo di mantenere il turgore cellulare, ma tale ione, risulta tossico già ad una concentrazione cellulare di 100mM.    Gli effetti tossici sono duplici: primo, lo ione Na+ coordinando molecole di acqua ne altera la struttura riducendo le interazioni idrofobiche necessarie a mantenere la struttura delle proteine, secondo può inibire la funzione di molti enzimi, sia indirettamente alterando la struttura dei siti catalitici, sia direttamente per competizione con il potassio.

STRATEGIE DI DIFESA E TATTICHE DI RESISTENZA DELLE PIANTE

Non è facile riconoscere il grado di resistenza di una pianta allo stress in quanto la resistenza dipende da molteplici fattori: individuo, specie, varietà, durata e velocità dello stress. Tuttavia possiamo considerare i seguenti aspetti:

1)   Elusione dello stress – necessita di meccanismi capaci di evitare un deficit idrico interno.
Il flusso di Na+ dal mezzo esterno verso le cellule avviene per mezzo di movimento passivo lungo un gradiente elettrochimico e lo stress da sale può essere evitato con i seguenti meccanismi:

a)   Esclusione passiva – la resistenza dipende dalla capacità della pianta di mantenere l’impermeabilità al sale esterno quando questo è ad alti livelli. Nelle glicofite l’esclusione rappresenta la strategia dominante;
b)   Estrusione attiva, escrezione, secrezione (ghiandole del sale);
c)   Diluizione – La diluizione del succo cellulare dovuta all’assorbimento di acqua può prevenire l’aumento della concentrazione dei sali nei tessuti, mentre la chiusura stomatica che può avvenire in condizioni di salinità può contribuire all’effetto diluizione.

2)  Tolleranza allo stress – richiede lo sviluppo di specifici adattamenti fisiologici ed è considerato un meccanismo più evoluto del precedente.
Le piante riescono a tollerare i danni primari della salinità, attuando delle strategie di difesa:

a)   per escrezione dei sali nel vacuolo, analogo a quello della tolleranza allo stress osmotico;
b)   tolleranza dell’alterazione del bilancio ionico: richiede che composti e organelli siano capaci di mantenere le normali proprietà anche nella situazione alterata; tolleranza indiretta: si verifica per mezzo di un rapido cambiamento nel metabolismo della pianta, tolleranza diretta: coinvolge le proprietà delle membrane, in particolare dei lipidi e proteine.   La proprietà più caratteristica è la permeabilità cellulare.
Analogamente le piante possono intervenire nei confronti dei danni secondari, attuando ad esempio l’osmoregolazione.

La parziale disidratazione è considerata il primo meccanismo messo in atto dalla pianta in risposta a un improvviso aumento della salinità nel mezzo.   Tuttavia affinché le piante possano considerarsi tolleranti, è richiesto un aumento netto nella quantità dei soluti cellulari per la crescita in ambiente salino.   Tale aumento deve essere sufficiente a ridurre il potenziale osmotico del tessuto sotto il valore del mezzo di crescita, così si verifica una riduzione di potenziale idrico nella cellula favorendo l’assorbimento idrico .   Questo processo è chiamato “osmoregolazione” o “aggiustamento osmotico”, dovuto ad un assorbimento attivo di sali o ioni inorganici con un accumulo preferenziale nei vacuoli per preservare il citoplasma e gli enzimi, per sintetizzare soluti organici (“soluti compatibili”) o entrambe le possibilità.

Molte piante superiori in grado di sopportare lo stress salino, hanno la capacità di accumulare vari composti azotati solubili.   L’azoto, infatti, ha un ruolo importante nel limitare gli effetti dello stress salino sulla crescita delle piante.
Le alofite sotto lo stress salino, accumulano sostanze in grado di limitarne i danni: amminoacidi e poliammine come putrescina, spermidina e spermina.    Si pensa che il principale ruolo delle poliammine sia di mantenere un corretto bilancio cationi-anioni nei tessuti delle foglie.
Studi condotti sulle alofite indicano che i composti accumulati, in particolare l’amminoacido prolina, sono sostanze osmocompatibili.    Generalmente le alofite presentano concentrazioni di prolina crescenti con l’aumentare della salinità nel fusto, in radici, rizomi ed infiorescenze.
Le glicofite hanno una differente capacità di accumulare questi composti.   Infatti, alcune specie accumulano prolina, altre glicina-betaina, altre ancora entrambi i composti, altre accumulano zuccheri.   In ogni caso, il quantitativo di prolina prodotto nelle glicofite è sempre minore di quello misurato nelle alofite.   La prolina, oltre ad essere un costituente fondamentale per la sintesi delle proteine, fa parte di un numero relativamente ristretto di composti naturali che hanno azione di soluti osmocompatibili poiché svolgono un ruolo importante nell’adattamento delle piante a stress idrici e salini.   Questi composti compatibili tendono a non avere carica netta a pH neutro, risultano molto solubili e stabilizzano la struttura terziaria e quaternaria delle proteine.   I soluti compatibili hanno il vantaggio di poter essere utilizzati e poi degradati quando non più richiesti. In particolare, la glicina betaina è molto efficace poiché è altamente solubile in acqua e non ha una carica netta, per cui non influenza né il bilancio delle cariche nel citoplasma, né inibisce le attività enzimatiche.

In piante transgeniche, in cui era stato introdotto il gene per la sintesi della glicina betaina, aumenta la capacità di tollerare diversi stress così come alte concentrazioni di sale ed alte e basse temperature. In particolare, è stato dimostrato che il livello di accumulo della glicina betaina è proporzionale al grado di tolleranza al sale. La stessa risposta può essere indotta con l’aggiunta esogena di glicina betaina a piante normalmente incapaci di produrla.

Gli amminoacidi, le betaine, gli zuccheri, acidi organici, rendono possibili le funzioni metaboliche dei componenti inorganici. In molti cereali la tolleranza al sale dipende dalla capacità di escludere Na+ e Cl- mantenendo alti livelli di K+; ciò risulta accompagnato da aumento di glicina-betaina e prolina.    Si evita così la disidratazione tollerando nelle cellule gli stessi bassi valori del potenziale idrico del mezzo esterno.    Alcune piante sono capaci di adattarsi alle condizioni alterate sostituendo Na+ a K+ in funzioni non specifiche, il Na+ può agire come attivatore enzimatico, contribuire alla neutralizzazione degli acidi nel vacuolo, può mantenere il pH cellulare sostituendo K+ in modo da ridurre i sintomi del suo deficit.
Nelle piante sottoposte a stress salino, generalmente, diminuisce la biosintesi delle proteine, ma in molte specie vegetali sono state identificate proteine indotte dallo stesso stress.    Gli autori differenziano queste proteine in due tipi: quelle accumulate in risposta allo stress salino (stress salt proteins) e quelle accumulate in risposta ad un numero differente di stress biotici e abiotici (stress-associated proteins).

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Vi è mai capitato di seguire una lezione all’università o un seminario o una conferenza stando seduti ad una di quelle comunissime sedie con tavoletta scrittoio?
Di recente ho partecipato ad una conferenza molto interessante, talmente interessante che in molti abbiamo iniziato a prendere degli appunti ed è stato proprio in quel momento che mi sono distratta.   Una ragazza seduta alla sedia davanti a me, per prendere appunti appoggiandosi sulla sua tavoletta, ha assunto una posizione davvero scomoda e strana. Mi sono incuriosita e ho continuato ad osservarla e mi sono accorta che era mancina!   Non ci avevo mai pensato…che ingiustizia!   Se una persona scrive con la mano sinistra, come fa a prendere appunti se la tavoletta è a destra?
Non conoscendo da vicino delle persone mancine non mi sono mai accorta di alcune particolarità, fermando sempre il tutto alla sola considerazione che i mancini scrivono con la sinistra, che per un occidentale che scrive da sinistra a destra questo può risultare particolarmente scomodo, e che mangiare la pizza affianco ad un mancino porta ad uno scontro tra gomiti.   Questo episodio, invece, mi ha fatto riflettere e scoprire quanti oggetti risultano tanto comodi e utili per i destrimani quanto inutilizzabili per i mancini.   Anche le forbici (almeno le più comuni) sono fatte per essere utilizzate con la mano destra, se uno le utilizza con la mano sinistra al momento del taglio, le lame si allontanano; anche alcuni coltelli sono difficili da utilizzare per i mancini o anche l’apriscatole oppure il cavatappi che costringono i mancini a fare forza sulla mano destra che per loro è la più debole.
È un’ingiustizia!
Bisognerebbe costruire l’equivalente di questi oggetti per i mancini.   Già, ma come si può esprimere la relazione tra l’oggetto che più di frequente incontriamo e l’equivalente per mancini?    Mi concentro un attimo sul cavatappi.   L’elica è destrogira, cioè si avvolge in modo tale che imprimendo un moto rotatorio orario al cavatappi, questa riesce ad entrare nel turacciolo.   Dunque per i mancini servirebbe un cavatappi identico, ma con l’elica avvolta nell’altro senso in modo tale che la rotazione efficace sia quella in verso antiorario da poter comodamente effettuare con la mano sinistra.   A questo punto bisogna stabilire che relazione c’è tra le due eliche.   Sono l’una l’immagine speculare dell’altra!
Se pensiamo alla sedia con la tavoletta probabilmente risulta più semplice cogliere la relazione.   Supponiamo di mettere uno specchio al fianco della sedia con la tavoletta a destra: l’immagine che otteniamo è la sedia che sarebbe ottimale per i mancini.  Quindi le due sedie, quella per destrimani e quella per mancini, sono l’una l’immagine speculare dell’altra ed inoltre non sono sovrapponibili.   Gli oggetti che hanno questa proprietà, per i quali, cioè, può esistere un’immagine speculare non sovrapponibile, sono chirali; dati due oggetti che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro e non sono tra loro sovrapponibili si chiamano enantiomeri.   Per rendere giustizia ai mancini dovremmo costruire di molti oggetti il corrispondente enantiomero.
Al di là del caso dei mancini il concetto di chiralità è molto importante perché su di esso si basano molte reazioni biochimiche e anche per esempio il riconoscimento degli odori, quindi vale la pena addentrarci un po’ di più nell’argomento.
La parola “chiralità” deriva dal greco e vuol dire mano ed infatti a questo punto abbiamo abbastanza dimestichezza con lo specchio e ci accorgiamo facilmente che le mani sono l’una l’immagine speculare dell’altra e non sono sovrapponibili, quindi sono un esempio perfetto per spiegare il concetto.   Guardando le due sedie o i due cavatappi ci accorgiamo che per molti versi i due elementi della coppia sono simili; ciò che principalmente li differenzia è l’organizzazione dello spazio di alcuni elementi costituenti.
In chimica, le strutture che si differenziano “soltanto” per l’orientazione nello spazio degli atomi che le costituiscono si chiamano stereoisomeri e quindi gli enantiomeri sono una classe particolare che rientra nella grande categoria degli stereoisomeri.   Altra classe di composti anch’essi in generale stereoisomeri, sono i diastereoisomeri; in questo caso i due composti che hanno diversa organizzazione degli atomi nello spazio, non sono l’uno l’immagine speculare dell’altro.

Data una struttura è molto importante stabilire se è caratteristica di un composto chirale oppure no; quindi diventa fondamentale avere delle indicazioni su cosa andare a guardare nella struttura per fare le nostre valutazioni.   In generale, la condizione necessaria affinché un composto sia chirale è che abbia un elemento, sia esso un atomo, un asse o un piano “portatore di chiralità”.    In termini tecnici per dire “portatore di chiralità” si dice stereogenico o asimmetrico.   Andando con ordine la chiralità più diffusa è sicuramente quella che vede come “portatore di chiralità” un atomo di carbonio.   Un carbonio è stereogenico quando è legato a quattro gruppi differenti.   Ogni qualvolta una molecola contiene un solo carbonio di questa natura posso ottenere la sua immagine speculare e le due molecole non sono sovrapponibili: la molecola è chirale e le due molecole, l’una l’immagine speculare dell’altra, sono due enantiomeri.   Su carta, possiamo trasformare un enantiomero nell’altro invertendo la posizione di due dei quattro sostituenti diversi presenti al carbonio asimmetrico.   Le cose cambiano se consideriamo una molecola con due atomi di carbonio stereogenici (o asimmetrici): in questo caso posso invertire due dei sostituenti di entrambi i carboni asimmetrici ed ottenere come prima l’enantiomero corrispondente, oppure posso invertire due dei sostituenti di un solo carbonio “portatore di chiralità” ed in questo caso non ottengo un enantiomero, ma un diastereoisomero.   In generale data una molecola con “n” carboni asimmetrici possiede 2 elevato alla “n” stereoisomeri in cui includiamo enantiomeri e diastereoisomeri.In generale bisogna ricordarsi che un atomo è solo uno dei possibili centri di chiralità: esistono molecole che non hanno carboni asimmetrici, però sono chirali.   Sicuramente allora, hanno un altro elemento di chiralità che può essere un asse oppure un piano.

Esiste anche una prova sperimentale per avere conferma della chiralità di un composto: un composto è chirale quando è in grado di ruotare il piano della luce polarizzata.   Attraverso l’uso del polarimetro è possibile valutare ciò.   La luce, viene emessa da una lampada ed a questo punto è polarizzata in tutte le direzioni, passa attraverso un polarizzatore che permette l’uscita solo della luce polarizzata in un piano ben preciso.   A questo punto la luce passa attraverso una cella (di lunghezza nota e ben definita) contenente una soluzione della molecola in esame (con concentrazione nota).   Se nella molecola sono presenti elementi di chiralità il piano della luce viene ruotato di un certo angolo.   Ogni molecola chirale ha sulla sua “carta d’identità” anche un valore di potere ottico specifico; si tratta di un numero ottenuto dal rapporto tra il valore dell’angolo di rotazione del piano della luce polarizzato, la lunghezza della cella in cui è contenuto il campione e la concentrazione dello stesso.    Per una data molecola, il valore letto sullo strumento è fortemente dipendente dal numero di centri chirali che la radiazione ha incontrato, quindi dalla concentrazione della soluzione e dallalunghezza della cella.   Una molecola fissate le condizioni sperimentali avrà sempre lo stesso valore di potere ottico rotatorio specifico.  Vale la pena sottolineare che sebbene il valore di potere ottico rotatorio specifico, come detto, tiene conto della concentrazione della soluzione è buona norma confrontare valori di potere ottico rotatorio solo se effettuati alla stessa concentrazione (o molto simile) poiché è stato dimostrato che il potere ottico rotatorio non ha un andamento lineare al variare della concentrazione.    Questo vuol dire che, noto il valore di potere attico rotatorio specifico ad una certa concentrazione per una molecola, non posso calcolare matematicamente il valore che assumerà per un diverso valore di concentrazione.

Ora consideriamo due enantiomeri, quindi due molecole che sono l’una l’immagine speculare dell’altra e li analizziamo al polarimetro, scopriremo che gli angoli di deviazione del piano della luce polarizzata, nei due casi, sono uguali e contrari.   Da ciò possiamo estrapolare un altro punto importante e cioè che se abbiamo una miscela in cui gli enantiomeri sono presenti in rapporto di 1/1 allora il piano della luce polarizzata risulterà non deviato.   Possiamo immaginare che ogni qualvolta la luce incontri una molecola, il suo piano di polarizzazione venga deviato, e quando incontra una

molecola dell’enantiomero venga deviato di un angolo uguale e contrario ritornando così a zero.   Una miscela in cui sono presenti in rapporto 1/1 entrambi gli enantiomeri di un molecola parliamo di una miscela racemica.   Possiamo trovarci dinanzi ad un caso particolare; un caso in cui abbiamo una soluzione di una molecola in cui sono presenti carboni asimmetrici eppure il piano della luce polarizzata non viene deviato: niente paura, se ci pensiamo bene in una molecola può essere racchiuso lo stesso discorso fatto per la miscela racemica.   Sto parlando dei composti chiamati meso; in questi composti si ha una configurazione di simmetria particolare: sono presenti ad esempio due carboni asimmetrici che possiamo immaginare come l’uno l’enantiomero dell’altro; la luce polarizzata verrà deviata di un certo angolo e subito dopo di un angolo uguale e contrario esattamente come abbiamo immaginato nel caso della miscela racemica.   In quest’ultimo caso si ha “l’annullamento” dell’angolo di deviazione della luce dopo ogni molecola.

Ma cerchiamo di andare ancora un po’ avanti e chiediamoci se questi due enantiomeri oltre che per la rotazione del piano della luce polarizzata si differenziano per qualcos’altro.
Ritorniamo per un attimo al macroscopico e parliamo di guanti.   Osserviamo un paio di guanti e possiamo subito notare come tutto sommato siano abbastanza simili tra loro.   Sono realizzati con gli stessi materiali, hanno stessi colori e stessa dimensione ed entrambi hanno la stessa funzione e cioè quella di proteggere da un agente esterno le nostre mani.
Abbiamo già detto che le mani sono chirali, dunque anche i guanti, se consideriamo quelli che sagomano perfettamente le mani, lo sono.   Questo significa che possiamo individuare il guanto destro e il guanto sinistro prima di infilarli alle mani corrispondenti e ancora questo significa che se proviamo ad invertire le posizioni noteremo qualcosa di strano. In alcuni casi, dipende dal materiale di cui è fatto il guanto, non sarà possibile infilare il guanto destro alla mano sinistra e viceversa.
Questa semplice considerazione ha dei risvolti davvero molto importanti nel campo microscopico e di rimbalzo nuovamente nel mondo macroscopico: gli enantiomeri reagiscono esattamente allo stesso modo, hanno stesse proprietà fisiche e chimiche tranne che in un caso.   Si differenziano quando reagiscono con un’altra molecola chirale (nel nostro caso la mano) o in generale in un ambiente chirale.   Detta così può sembrare davvero un dettaglio, una di quelle cose che uno dice proprio per essere precisi, ma in realtà ci renderemo subito conto che non si tratta di un dettaglio, ma di una differenza sostanziale.

Scommetto che il naso della maggior parte di noi riesce a distinguere facilmente l’odore della menta dall’odore del cumino: riuscireste a credere che le due molecole responsabili dei diversi odori sono tra di loro enantiomeri? Già, sono due molecole, rispettivamente l’enantiomero R e l’enantiomero S del carvone, che contengono un carbonio asimmetrico e scambiando la posizione di due dei suoi sostituenti trasformiamo una molecola nell’altra, l’odore di menta nell’odore di cumino.
Ma come fa il nostro naso a cogliere una differenza così particolare tra due molecole da ricondurle ad odori così diversi?   Per sentire un odore è necessario che avvenga un riconoscimento molecolare tra il composto “portatore dell’odore” e una molecola che evidentemente è presente nel nostro naso (molecola recettore).   La caratteristica di questo recettore è che esso stesso è chirale e dunque interagisce in modo diverso con i due enantiomeri e da qui l’associazione ad odori differenti.
Quello che succede nel nostro naso non è molto diverso da quello che succede in molte altre reazioni biochimiche.

Molte trasformazioni che avvengono all’interno del nostro organismo sono mediate da particolari proteine dette enzimi che hanno il compito di favorire certe reazioni agendo da catalizzatori.   Molti di questi enzimi grazie alla particolare forma che acquisiscono in certe condizioni sono in grado di discriminare un enantiomero rispetto ad un altro.   Questo ha grandi risvolti, per esempio in campo farmaceutico.   Un caso molto noto è quello del Talidomide.   Si tratta di un farmaco venduto prevalentemente negli anni cinquanta in molti paesi sotto diversi nomi commerciali; il farmaco risultava molto più efficace rispetto agli altri presenti sul mercato e agiva come sedativo e antinausea.   Era rivolto, dunque, tra gli altri, alle donne in gravidanza.   Nel 1961 fu ritirato dal commercio poiché ci si accorse che le donne che in gravidanza avevano fatto uso di tale farmaco mettevano al mondo bambini con gravi problematiche congenite.   Andando al di là della polemica sulla sicurezza dei farmaci, quello che in questa sede più ci interessa sono gli studi successivi che hanno evidenziato come un enantiomero della molecola può essere utilizzato senza rischi anche dalle donne incinta, mentre l’altro enantiomero ha un effetto teratogenico.
Un esempio questo che più di ogni altro mette in evidenza l’importanza della chiralità e dei suoi effetti: molecole che si presentano come l’una l’immagine speculare dell’altra riescono ad avere effetti enormemente ed in questo caso drammaticamente diversi.
A questo punto potremmo pensare che il chimico che deve sintetizzare un composto chirale possa mettere a punto una sintesi che consente la preparazione di entrambi gli enantiomeri e alla fine separare i due.   Questo tipo di approccio presenta due grosse difficoltà: una di natura chimica, l’altra di natura economica.
Separare due enantiomeri, non è cosa semplice: si tratta di due molecole che hanno stesse proprietà fisiche e chimiche e dunque non possono essere separate mediante una distillazione o una cristallizzazione; inoltre se si preparano due enantiomeri e soltanto uno è il prodotto desiderato vuol dire che l’altro sarà buttato il che significa grosso spreco di reattivi, solventi, quindi soldi.    Allo stesso tempo è bene sapere che esistono tecniche che consentono la separazione degli enantiomeri; ciò che accomuna tutte le tecniche è l’interazione tra gli enantiomeri da separare ed un’altra specie chirale sfruttando così la caratteristica che differenzia gli enantiomeri.   Può essere, per esempio effettuata una cromatografia con fase fissa chirale, oppure può essere effettuata una vera reazione tra i due enantiomeri e un’altra sostanza chirale e poi separarli con tecniche comuni.
Da questa considerazione nasce la necessità di mettere a punto una serie di metodologie che consentano la sintesi selettiva di uno solo dei possibili enantiomeri: nasce così la sintesi asimmetrica.

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E’ ormai un dato di fatto: siamo ciò che mangiamo.   La qualità dell’alimentazione rappresenta un aspetto importantissimo per la salute, per l’organismo, per noi.   Quante volte ci siamo trovati davanti ad un piatto pieno di broccoli, sentendoci dire che “fanno bene”, o davanti ad una bella coppa di verdure miste con l’obbligo di finirla tutta  …sicuramente meno invitante di una torta al cioccolato, ma è inutile negarlo, è tutta salute!  Chi di noi non si è chiesto cos’è a rendere quelle grandi foglie verdi di insalata così benefiche, o così salutari quei maledetti ortaggi che una volta cotti emanano odori ben poco invitanti.   La maggior parte dei cibi come vegetali, frutti e spezie costituiscono una fonte inestimabile di sostanze ad attività prevalentemente antiossidante, antiipertensiva e antitumorale. Se pensiamo che il National Cancer Insitute ha identificato circa 35 tipi di alimenti di tipo vegetale che possiedono attività preventiva nell’insorgenza del cancro, tra i quali spiccano aglio, soya, zenzero e broccoli, ci rendiamo conto di come sia consigliabile, se non d’obbligo, includere nella nostra dieta abbondanti quantità di tutti questi alimenti. Un’alimentazione variegata e bilanciata, infatti, offre la possibilità di fornire sostanze e nutrienti preziosi in quantità sufficienti a far fronte a tutte le attività che il nostro organismo ogni giorno compie.
E’ importante precisare, tuttavia, che la presenza di determinate sostanze che vengono presentate come benefiche non rende tali alimenti “terapeutici”: pertanto assumerne grandi quantità come se si trattasse di farmaci non annulla gli effetti dell’assunzione di cibi ad altissimo contenuto calorico, o particolarmente ricchi di grassi o di altre cattive abitudini alimentari.   Inoltre, è altrettanto erroneo pensare che la natura abbia appositamente dotato di proprietà benefiche e miracolose alcune specie vegetali che noi includiamo nella nostra dieta; nella maggior parte dei casi si tratta di sostanze che la pianta o il frutto usano come difesa verso attacchi da animali erbivori o come protezione verso condizioni atmosferiche avverse!   Stupiti? Non credo.   In tavola e nei nostri piatti sono comunque a noi graditi!

La varietà è enorme, se proviamo a guardare uno per uno le verdure, gli ortaggi e le spezie che si trovano nelle nostre cucine e che probabilmente abbiamo sempre utilizzato ignorandone le proprietà benefiche, ci si apre davanti un mondo nuovo, fatto di molecole più o meno complesse, pensate e create dalla natura per dare un bel colore spiccante, un aroma inconfondibile, un sapore più o meno gradevole; se poi sono anche dotate di proprietà terapeutiche ancora meglio!  Questo non dovrebbe nemmeno stupirci se pensiamo che sin dall’antichità piante, radici e spezie venivano usate per curare malattie, alleviare dolori, prevenire ogni sorta di disgrazia, dal malocchio al raffreddore.   Oggi non dovrebbe essere diverso, abbiamo a disposizione innumerevoli tipi di rimedi contro la maggior parte delle malattie, ma vale la pena di considerare il grande potenziale che la natura ci offre da sempre e farne tesoro.

Curcuma longa: tavola botanica, rizoma e spezia

Diamo uno sguardo alla mensola delle spezie di casa nostra, dove di sicuro non mancano peperoncino, origano, rosmarino, curry, salvia e altri ancora.   Soffermiamoci sul curry, miscela di aromi e spezie di  origine indiana tostate e finemente tritate i cui ingredienti principali sono zenzero, coriandolo, noce moscata, chiodi di garofano, zafferano, peperoncino e curcuma, sicuramente la più caratteristica.  Originaria dell’India e del Nepal, comunemente chiamata anche zafferano d’India o curcumina, la Curcuma longa fa parte della famiglia delle zimberacee e il suo nome deriva dal sanscrito Kum-kuma.   Si presenta come pianta arbustiva, sempreverde e perenne che può raggiungere il metro d’altezza.   Sopravvive in un ambiente prettamente tropicale ed è originaria di Asia, Australia, India e Indonesia.   L’estratto grezzo del rizoma seccato e macinato viene utilizzato come colorante in cucina e viene catalogato con la sigla E100 con la specifica “Turmerico”; il curcumino quale composto isolato viene impiegato, sempre nel campo alimentare, con la sigla E100 con la specifica “Curcumino”.   Il rizoma può anche essere utilizzato direttamente come spezia in forma di polvere.   Nel turmerico sono stati trovati composti fenolici chiamati curcuminoidi.   Comunemente, con curcumino si intende un miscuglio di 3 curcuminoidi: il composto curcumino vero e proprio è il composto dotato di due gruppi metossilici, mentre il demetossicurcumino e il bis-demetossicurcumino sono normalmente presenti in minor quantità (tipicamente 15-30%).

la molecola del curcumino: il 5-Hydroxy-1,7-bis-(4-hydroxy-3-methoxy-phenyl)-1,4,6-heptatrien-3-on

Commercialmente quello che viene venduto con il nome di curcumino è in realtà la miscela dei tre curcuminoidi con il curcumino che rappresenta il principale costituente (circa 77%).   I curcuminoidi sono responsabili dell’attività biologica della pianta nonostante siano presenti nel rizoma in misura limitata (0.3-0.6 della massa fresca, 2-5 % della massa secca.   La composizione quantitativa del miscuglio di curcuminoidi varia a seconda della specie di Curcuma.
Da sempre viene utilizzata, grazie al suo principale componente, la curcumina, come rimedio casalingo per diversi tipi di disturbi che coinvolgono da stomaco, fegato e pancreas a pelle, reumatismi e sinusite, coprendo un ampio raggio d’azione.   La sua fama, tuttavia, è dovuta a scoperte effettuate negli ultimi decenni in merito alle spiccate attività antiossidante e antinfiammatoria e alla capacità di contrastare l’angiogenesi, ovvero lo sviluppo di nuovi vasi sanguigni a partire da altri già esistenti, processo di fondamentale importanza nella formazione e nella crescita tumorale.   Tutto ciò ha suggerito un suo potenziale utilizzo come lead per lo sviluppo di nuovi farmaci antitumorali.   Avreste mai pensato che il vostro pollo al curry contenesse una sostanza dotata di una spiccata attività antiossidante e potenzialmente utile nei confronti del cancro e della Malattia di Alzheimer?    Nell’ambito di diversi studi a livello internazionale i ricercatori hanno individuato nel curcumino, il pigmento giallo contenuto del curry indiano, un potente rimedio contro la morte neuronale e l’invecchiamento cerebrale (vedi studio).

Gli esperti spiegano che a livello scientifico sono note da anni le sue proprietà antinfiammatorie e antiossidanti, e recentemente il curcumino ha ricevuto una notevole attenzione da parte della ricerca scientifica oncologica per le sue spiccate attività antineoplastiche.   I ricercatori italiani hanno voluto sperimentare se la sua efficacia antiossidante fosse veramente valida anche nella prevenzione delle malattie neurodegenerative, in particolare dell’Alzheimer.

Le promettenti proprietà terapeutiche si aggiungono alla grande versatilità che la curcuma riscontra in ambito culinario: intensamente profumata, si scioglie con facilità nei grassi e viene utilizzata nella preparazione di molteplici piatti esotici, si sposa mirabilmente anche a patate, uova e molti piatti a base di riso.   La polvere di curcuma è uno degli ingredienti del masala (che coincide all’incirca con ciò che in Occidente viene chiamato curry), a cui dà il colore giallo intenso e caratteristico.   Oltre che in molte altre ricette indiane, la curcuma è un ingrediente fondamentale di altre numerosissime ricette asiatiche, come il piatto nepalese chiamato momos (gnocchi nepalesi a base di carne) o il piatto thailandese chiamato kaeng tai pla (curry con gamberi e pesce).   Sembra che in paesi in cui la povertà ha tassi elevati e il cibo scarseggia l’uso delle spezie, in particolare del curry, sia una sorta di espediente, per cercare di sentire meno il senso di fame nel momento in cui il pasto è scarso.   Ciò è dovuto al fatto che, soprattutto miscele di più spezie, sono in grado di attivare molti dei recettori presenti sulla lingua in grado di riconoscere i diversi tipi di gusto e dando in questo modo una sorta di sensazione a tutto tondo e l’illusione di avere in bocca diversi tipi di cibo in elevate quantità.   Nel caso del curry, oltre alla curcuma sono presenti molte altre spezie che conferiscono, oltre a sapore decisamente ricco, un aroma forte e caratteristico.   Ciò è dovuto alla presenza di molecole sesquiterpeniche, tra cui in misura maggiore troviamo turmerone e ar-turmerone, due specie chetoniche presenti nel residuo oleoso ottenuto dalla radice in rapporto variabile tra 60:40 e 80:20, alle quali sono da aggiungere numerose altre molecole.

sesquiterpeni che contribuiscono all'aroma della curcuma

La curcuma, oltre che dare sapore, è, come lo zafferano, un colorante alimentare.   Oltre che in varie ricette, essa ha applicazione in bevande, prodotti da forno, prodotti lattiero-caseari, gelati, yogurt, biscotti, popcorn, dolci, cereali, salse, gelatine, ecc.   Tra gli additivi alimentari codificati dall’Unione Europea, la curcumina, per una serie di circostanze, occupa il primo posto: E100.   La colorazione giallo vivo è dovuta alla presenza dei tre curcuminoidi già menzionati e di altre tre specie che sembrano essere loro isomeri geometrici.   Oltre ad assorbire a lunghezze d’onda pressoché simili tra loro attorno ai 420 nm, nel campo del visibile, emmettono fluorescenza a circa 350 nm nell’ultravioletto (UV), rendendo semplice la loro identificazione a livello analitico. Facile immaginare allora come l’industria alimentare sia strettamente coinvolta in tutti quei processi che ne riguardano la lavorazione, dalla pianta al confezionamento.  Per preparazioni nutraceutiche è di assoluta importanza ottenere curcumino esente nella massima misura da impurezze non curcuminoidi: in questa forma potrebbe essere aggiunto ad altri principi attivi o a integratori specifici favorendo la funzionalità del prodotto.  Per preparati farmaceutici può essere necessaria anche una purificazione dei singoli curcuminoidi per i quali possono essere necessari singoli precisi dosaggi.   Risulta quindi fondamentale trovare delle vie che permettano di estrarre il curcumino grezzo e di purificarlo in seguito a costo economicamente sostenibile, salvaguardandone la naturalezza.   E’ importante considerare che in tutte le fasi, dall’estrazione alla purificazione deve esservi una valida procedura, che preveda possibilmente l’utilizzo di solventi non dannosi per la salute e di metodiche che portino ad una resa accettabile.   La purificazione del curcumino rispetto all’insieme dei 3 curcuminoidi rappresenta una tappa molto onerosa che determina un aumento del prezzo di 50 volte.   Infatti, rimuovere totalmente i solventi usati per l’estrazione cercando di non lasciare quantitativi che possano risultare nocivi comporta una serie di passaggi complessi e costosi, pertanto è consigliabile in questo senso sopprimere l’impiego di solventi non compatibili con la salute evitando nel contempo durante il processo estrattivo procedimenti che potrebbero modificare la struttura molecolare del composto con la produzione di derivati e sottoprodotti potenzialmente pericolosi o inattivi.   Proprio a questo proposito la sintesi chimica, presa anch’essa in considerazione come alternativa all’estrazione, pone problemi come la presenza di coprodotti di reazione estranei al prodotto naturale, risultando un’alternativa poco vantaggiosa. Le tecniche di utilizzabili per estrarre il curcumino dalla pianta sono diverse prevedono l’utilizzo di metodologie diverse, anche sulla base del quantitativo di materiale che si vuole trattare.   La sperimentazione e la messa a punto dei vari metodi e la valutazione della loro fattibilità viene solitamente eseguita su piccoli quantitativi in laboratorio.   Per esempio si può effettuare un’estrazione con acqua ed etanolo a caldo, in cui la curcuma viene sgrassata con acqua bollente a riflusso e il prodotto sgrassato viene sottoposto ad estrazione con etanolo a caldo si basa su una precipitazione del curcumino in forma di complesso del piombo; il piombo verrà poi separato per reazione con l’acido solfidrico.   Vi è poi l’isolamento dal turmerico tramite trattamento con acetato di piombo di un estratto alcolico: qui per essiccazione all’ariaprecipitano cristalli di curcumino con una resa è piuttosto bassa rispetto alla polvere iniziale di turmerico.   In alternativa si può eseguire una estrazione con esano utilizzando un’apparecchiatura chiamata estrattore Soxhlet per circa 30 minuti; l’estratto in esano viene scaricato e il residuo solido riestratto sempre con metanolo per 2 ore.   Il tutto viene poi purificato tramite cromatografia e si

particolare di estrattore a CO2 supercritica

ottengono i tre composti separati in seguito ad evaporazione del solvente.    Sembra evidente che l’estrazione del curcumino o dei curcuminoidi debba avvenire con unsolvente specifico dopo un’azione sgrassante effettuata da acqua bollente o da unsolvente apolare come esano: infatti devono dapprima essere rimosse delle barriere cellulari o intracellulari oppure degli strati cerosi protettivi prima che il solvente specifico (etanolo, metanolo) possa avere accesso ai depositi di curcumino.   Oppure devono essere rimossi composti che verrebbero altrimenti coestratti con il curcumino rendendo in seguito difficile o impossibile la cristallizzazione del composto. L’esano sembra essere un solvente sgrassante più efficace dell’acqua bollente (infatti l’azione dell’acqua come sgrassante è molto debole, però è uno solventi che possono essere usati e in alcuni casi funziona); tuttavia si tratta di un solvente infiammabile e non compatibile con la salute.   Un’alternativa all’utilizzo di questo solvente è l’anidride carbonica supercritica, che a determinati valori di temperatura e pressione ha una apolarità molto simile all’esano: il suo impiego è più costoso a livello di impiantistica poiché è necessario mantenere alti livelli di pressione ma è più sicuro per le sue proprietà non infiammabili e atossiche.   Sembra infatti che a livello industriale sia la tecnica favorita, grazie alle rese decisamente soddisfacenti e alla possibilità di sopprimete l’uso di sostanze difficili da rimuovere.

Sembra che la bisdemetossicurcumina, contenuta anch’essa nella curcuma, possieda proprietà antiossidanti e antinfiammatorie in grado di attivare il sistema immunitario contro le placche che devastano il cervello dei malati di Alzheimer.   Numerosi studi che ne evidenziano i benefici non solo in malattie come l’Alzheimer ma anche contro i tumori.   L’azione terapeutica della curcuma si aggiunge così a quella protettiva, già ipotizzata perché in India il tumore della prostata è molto meno frequente che in occidente.   Alcuni studi hanno dimostrato che la curcuma ha il potere di rallentare la crescita di tale tumore, un effetto benefico che viene accentuato se alla sostanza si associano il fenetil isotiocianato, presente in verdure come cavoli, broccoli e cavolini di Bruxelles.    Proprio queste specie, gli isotiocianati, rappresentano un’altra classe importantissima di principi attivi, se così possono essere definiti, profondamente studiata negli ultimi tempi per l’interessante profilo di attività mostrato: sembra infatti che la capacità di prevenire la formazione dei tumori nelle fasi iniziali e contrastarne la diffusione renda gli alimenti che li contengono assolutamente indispensabili nella dieta.   Parliamo quindi di alimenti funzionali, ovvero “qualsiasi alimento o ingrediente che possa conferire un beneficio alla salute al di là del suo valore tradizionale”.   Tra gli alimenti più studiati, figurano ortaggi di stagione appartenenti alla famiglia delle Crucifere (genere Brassica) come i broccoli, che oltre ad essere alimenti ricchi di vitamine, minerali ed antiossidanti contengono grandi quantità di glucosinolati.

I broccoli, tra tutti i membri della famiglia della Crucifere, mostrano i livelli più alti di isotiocianati, metaboliti attivi dei glucosinolati.   Questi composti sono generalmente presenti in tutte le parti della pianta ma con differenze sia quantitative sia qualitative; ad esempio nei fiori e nei semi la quantità totale può essere molto più elevata rispetto a quella di altri tessuti.   I broccoli appartengono al genere delle Crucifere, famiglia delle brassicacee, costituito da piante erbacee o piccoli arbusti.   La specie Brassica oleracea è selvatica e costituita a sua volta da numerose varietà, a cui si annoverano i comuni cavolfiori e broccoli (B. oleracea var. botrytis), i cavolini di bruxellels (B. oleracea var. gommifera), le rape (B. oleracea var. gongylodes o B. caulirapa).   Queste piante crescono comunemente nelle nostre regioni e sono assai diffuse in tutto il globo, sono tra le prime piante raccolte e coltivate dall’uomo.   Il cavolo è stato un fondamento dell’alimentazione in Europa per oltre 4mila anni!   Possono avere ciclo annuale, bienne o perenne e vengono comunemente coltivate e raccolte a scopo alimentare, ma di recente è nato l´interesse nei loro confronti anche in merito ad un potenziale utilizzo in fitoterapia.

In particolare sono stati studiati i broccoli e, di questi, i germogli di pianta giovane (3 giorni) sono ritenuti i più ricchi di sostanze attive da cui si preparano appunto polveri ed estratti standardizzati.   L’isotiocianato più rappresentato nei broccoli è il sulforafane scoperto negli anni ’90 e oggetto di numerosi studi finalizzati a comprenderne i ruoli fisiologici nell’organismo umano.

sulforafano, un isotiocianato derivante dai broccoli

Si tratta di una piccola molecola alifatica caratterizzata da una catena alifatica recante alle due estremità un gruppo solfossido e un gruppo isotiocianato.    La caratteristica peculiare di questo gruppo funzionale risiede nella spiccata reattività del carbonio centrale legato con due doppi legami agli atomi di azoto e zolfo laterali; trattandosi di atomi più elettronegativi rispetto al carbonio, su quest’ultimo si crea una parziale carica positiva che lo rende estremamente reattivo e in grado di interagire con numerose specie, in particolare con le funzioni amminiche –NH2 .

glucorafanina, il precursore del solforafane nei broccol

Gli isotiocianati sono prodotti e immagazzinati dalla pianta sotto forma di glucosinolati; in particolare la glucorafanina rappresenta il glucosinolato precursore del sulforafane.   Gli isotiocianati vengono rilasciati a seguito di un danno degli ortaggi, ad esempio dopo cottura o in conseguenza della masticazione.   L’enzima coinvolto nella idrolisi dei glucosinolati è la mirosinasi, una glucosidasi presente sia nelle cellule vegetali sia nei batteri che compongono la flora batterica dell’intestino umano.   L’azione della mirosinasi fa si che il precursore si scinda in glucosio e un aglicone labile, il quale viene trasformato in isotiocianato, detto anche olio di mostarda per il suo odore tipico.   Proprio questa è la causa della liberazione di composti solforati, che in genere hanno soglie di percezione organolettica molto basse e sono caratterizzati da un odore molto forte e sgradevole, motivo per cui in cucina vengono spesso evitati.   Consiglio: basta un pizzico di aceto di vino o di succo di limone per diminuire notevolmente lo scomodo inconveniente!

L’assorbimento e la biodisponibilità del sulforafane dipendono da diversi fattori; per esempio la biodisponibilità, ovvero la quantità di sostanza che arriva nel nostro organismo da broccoli crudi è maggiore rispetto a quelli cotti, in quanto l’enzima mirosinasi è sensibile al calore.   Per contrastare l’inattivazione enzimatica occorre preferire quindi brevi cotture a vapore (5 minuti circa), che risultano meno dannose rispetto alla bollitura.   Inoltre, la biodisponibilità dei glucosinolati è molto inferiore quando la loro idrolisi non avviene prima dell’ingestione.   Infatti anche se la flora microbica intestinale possiede attività mirosinasica, l’enzima batterico agisce solo su una piccola quota dei glucosinolati complessivamente ingeriti.   Il sulforafane è molto più potente del rispettivo glucosinolato e si forma all´interno della stessa pianta; approfondendo gli studi è stato evidenziato che i germogli dei broccoli contengono una concentrazione di glucorafanina sino a 50 volte maggiore rispetto ai broccoli maturi e di vitamina C anche 200 volte superiore rispetto al seme.   Nei broccoli maturi vi sono concentrazioni più elevate di derivati indolici, di cui l´indol-3-carbinolo è il rappresentante più conosciuto, dotati anch’essi di forte attività antiossidante e chemiopreventiva.

Ma non è solo in broccoli e cavoli che possiamo trovare gli isotiocianati.   Anche la senape, la classica salsa da hot-dog, ne contiene; essa infatti si ottiene dai semi di una pianta appartenente alla stessa famiglia dei broccoli e contiene una sostanza che noi tutti, almeno per esperienza conosciamo.

rafano: radice, trito e salsa wasabi

La salsa wasabi con cui si accompagna il sushi, la mostarda e la senape hanno in comune un sapore e un odore piccantino, quasi pungente, che spesso ci fa storgere il naso, a seconda dei gusti; ebbene, il responsabile è proprio lui, l’isotiocianato di allile.   Il piccante di per sè è una percezione sensoriale, simile ad un bruciore ma non associato all’alta temperatura.   La sensazione è causata da alcune sostanze chimiche in grado di stimolare direttamente i recettori del calore presenti sulla cute e sulle mucose con cui entrano in contatto.   La sensazione piccante non è uniforme, dipende dalla sostanza che la induce; le principali sostanze sono la capsaicina, presente nei peperoncini, la piperina, presente i tutti i tipi di pepe, ma anche vari tipi di isosolfocianato e isotiocianato, contenuti nel rafano, senape, wasabi e in alcune rape o rapanelli.   Anche nel caso della pianta di senape la molecola di isotiocianato viene sintetizzata dalle cellule vegetali a partire da un glucoside presente nella pianta ad opera dell’ enzima mirosinasi che si trova per l’appunto nei semi. Quando questi vengono rotti l’enzima che vi è contenuto induce la produzione della molecola urticante allo scopo di difendere la pianta dagli erbivori.

E’ possibile estrarre l’isotiocianato di allile sottoforma di olio tramite distillazione in corrente di vapore dai semi di Brassica Juncea: all’interno di essi vi è il glucosinolato, il glucoside precursore della sinigrina che, grazie all’azione della mirosinasi viene convertita in isotiocianato di allile.

Perché ciò avvenga è necessario che i semi vengano fatti fermentare con acqua ed enzima al fine di ottenere il derivato desiderato.   Può accadere che nella reazione possa essere presente insieme all’isotiocianato di allile anche il suo isomero, specialmente se la reazione viene condotta a basse temperature, come richiesto per evitare la denaturazione della mirosinasi; infatti la temperatura della fermentazione non deve superare i 70°C, in quanto già a 75°C la mirosinasi inizia a perdere la sua funzionalità.   Anche il tempo gioca un ruolo molto importante: è necessario che l’operazione non duri più di due ore.  La resa di questa operazione, seppur bassa in confronto al peso iniziale della matrice estratta, varia molto in base alla provenienza dei semi, con consistenti differenze a seconda che si tratti di semi indiani, italiani, olandesi o russi.   L’olio estratto si presenta come un liquido che passa dall’incolore al giallo, dall’odore pungente e irritante per gli occhi e per le vie respiratorie, motivo per cui è fortemente sconsigliata l’inalazione.   A livello industriale viene utilizzato in piccole quantità come additivo alimentare, dalle salse ai condimenti alle carni insaccate; nell’ambito farmaceutico viene usato in alcune formulazioni per uso esterno come i cerotti per il suo potere rubefacente, in modo da aumentare il flusso sanguigno in corrispondenza dell’applicazione cutanea.

estratti di broccoli ad alto contenuto in sulforafano

Le numerose proprietà benefiche nei confronti dell’organismo costituiscono una valida motivazione per l’introduzione degli isotiocianati, sottoforma di estratti di piante come broccoli, rafano e crescione, come integratori nella vita quotidiana, in aggiunta ad un consigliato largo consumo di alimenti che ne contengono grandi quantità.   Si tratta per lo più di fitoterapici, piuttosto che di farmaci veri e propri, la cui produzione viene affidata a tecniche prevalentemente legate ai preparati erboristici.   Radici, foglie e germogli vengono tritati, essiccati e “titolati”, ovvero caratterizzati analiticamente con la determinazione dell’esatta concentrazione di principi attivi (sulforafane e di glucosinolato) espressi come percentuale sul peso del prodotto.  Troviamo sul mercato miscele contenenti numerose varietà di piante del genere delle Crucifere, associate o meno ad altre sostanze come vitamine, antiossidanti e così via.

Ma perché rinunciare all’inimitabile aroma del curry e alla bontà dei broccoli?
Ecco uno spunto per una sfiziosa ricetta che unisce gusto e salute: la crema di broccolo al curry.
Servono: 1kg di broccoli,1 scalogno tritato, 3 cucchiai di olio,1 litro di acqua bollente, 1 cucchiaino di curry, sale e pepe.
Si fa bollire l’acqua salata in una pentola, si versano i broccoli lasciandoli cuocere per circa 1 minuto, poi si scolano e si mettono in una ciotola con acqua fredda, che serve a fissare il colore.    Rosolare nell’olio lo scalogno tritato, unire i broccoli, il curry e un pò di sale, poi unire l’acqua bollente e fate cuocere per 30 minuti. Lasciare intiepidire e passare tutto al robot, aggiungendo pepe a piacere.
Buon appetito!

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Fu il chimico francese Louis Camille Maillard a descrivere per primo nel 1910 una curiosa reazione che, coinvolgendo due delle principali classi di costituenti più diffusi nei prodotti di origine naturale, gli aminoacidi (mattoncini di base che a loro volta costituiscono le proteine) e gli zuccheri semplici (che possono a loro volta liberarsi dai carboidrati complessi), era in grado di portare alla formazione di alcuni prodotti di reazione fino ad allora sconosciuti.

Louis Camille Maillard (Francia, 1878-1936)

Suppongo che il dottor Maillard fu probabilmente un pò infastidito, almeno in un primo momento, da questa sorta di reazione collaterale, in quanto lo scopo iniziale del suo lavoro era semplicemente quello di giungere alla sintesi in laboratorio delle proteine di interesse biologico, una cosa detto fra noi tutt’altro che semplice.   Con tutta probabilità egli dovette notare, durante i suoi tentativi di sintesi, che quando degli aminoacidi non completamente depurati dagli zuccheri riducenti (quasi sempre presenti almeno in tracce nei prodotti di origine naturale) venivano riscaldati, specie se in carenza di acqua, almeno una parte di questi aminoacidi si perdeva, trasformandosi in qualcos’altro, qualcosa di probabilmente di colore più scuro e sicuramente molto odoroso.
Da qui ad intuire che questo tipo di trasformazione poteva rivestire un ruolo fondamentale nello spiegare come si originano le molecole aromatiche durante la cottura degli alimenti il passo non fu enorme, non così grande almeno come il cercare in seguito di decifrare nei dettagli cosa effettivamente succedeva nel corso di queste reazioni, che si dimostrarono un rompicapo veramente al di sopra di ogni aspettativa.

Uso non a caso il plurale: quelle che infatti presero da allora il nome di “reazioni di Maillard” non sono semplicemente “una” ma una vera moltitudine di possibili reazioni che, partendo da un numero tutto sommato modesto di molecole fra loro diverse inizialmente presenti negli ingrediente (poco più di una ventina sono gli aminoacidi proteici, ancora meno quelli suscettibili di questo tipo di reazioni, e non più di mezza dozzina i più diffusi zuccheri semplici riducenti) sono in grado di generare una vera moltitudine di specie chimiche diversificate.   Come una piccolo ruscello di montagna che si tuffa su una scarpata ripida e pietrosa, le reazioni di Maillard possono seguire percorsi molteplici, spesso simultanei fra loro: lo stesso tipo di molecola può infatti andare incontro a destini diversificati, alcuni alternativi fra loro, altri paralleli.   Alcuni di questi percorsi reattivi convergono sullo stesso prodotto finale, altri divergono dando ragione della generazione di prodotti diversi, in parte specifici in relazione alle molecole di partenza, altri alle condizioni di reazione (temperatura, pH, umidità, catalizzatori, altre molecole presenti, ecc), fino alla generazione finale di un pool estremamente complesso di prodotti di reazione, costituito anche da diverse centinaia di molecole.    Un bel casino direbbe qualcuno, ma la cosa straordinaria è che nonostante questa elevata complessità, partendo dagli stessi ingredienti iniziali (quindi dalle stesse molecole ed in rapporti simili) e lavorando nelle stesse condizioni operative (es. temperatura, umidità, tecnica di cottura, acidità, ecc) si arriva ad ottenere un insieme di molecole-prodotto che, per quanto molto complicato, è comunque piuttosto costante e riproducibile, tanto da consentirci di riconoscere con facilità a quale alimento appartiene.

La consapevolezza da un lato dell’importanza, dall’altro della complessità dell’argomento è cresciuta negli anni a tal punto da motivare la creazione di una società scientifica internazionale specificamente dedicata all’argomento, l’International Maillard Reaction Society (IMARS).
(citazione da Wikipedia): “Si tratta di un’ organizzazione internazionale senza fini di lucro fondata nel 1985 e che raggruppa ricercatori, accademici, medici, studenti, interessati al campo della Reazione di Maillard nel cibo, nella biologia e nella medicina.  La rete costituita dalla associazione IMARS mira a favorire il trasferimento di conoscenze tra scienziati che operano in campi completamente diversi, scienziati che non si incontrerebberoche non si incontrano mai nel corso di riunioni scuentifiche convenzionali.  La missione fondamentale della associazione è quella di promuovere la ricerca di alta qualità per la Reazione di Maillard. L’IMARS organizza ogni 3 anni un “Simposio Internazionale sulla Reazione di Maillard”.  Il prossimo Simposio si terrà nel 2012, a 100 anni dal principale lavoro sulla Reazione di Maillard.  Il Simposio si terrà a Nancy, la città di Louis Camille Maillard.”

AROMI DA COTTURA …SENZA MAILLARD

A dire il vero si commetterebbe un errore se a questo punto si affermasse che tutte le molecole che contribuiscono all’aroma che un alimento sviluppa durante da cottura si originano a partire dalla combinazione di uno zucchero riducente e di un aminoacido o di loro derivati.
In realtà una grande quantità di molecole fra le quali zuccheri semplici, acidi grassi insaturi, nucleotidi derivanti dall’RNA, composti solforati, vitamine, aminoacidi possono trasformarsi singolarmente o reagendo fra loro secondo una successione di reazioni diverse da quelle dette appunto di Maillard.

inulina, il polisaccaride più abbondante nella cipolla - si notino le unità di fruttosio costituenti la catena

L’esempio più banale che possa venirmi in mente riguardante la trasformazione di molecole inizialmente presenti negli ingredienti, con la formazione di prodotti in grado di incidere sulle qualità organolettiche del prodotto è quella dell’idrolisi dell’amido e dei polisaccaridi in generale.     Dalla pasta al riso alle patate, è noto che una cottura sufficientemente prolungata in presenza di acqua “intacca” almeno in parte la struttura dell’amido, modificandone in parte la conformazione tridimensionale e quindi la consistenza del prodotto, ma liberando anche mono- e oligosaccaridi che contribuiscono all’accrescimento della nota naturalmente dolce degli alimenti amidacei cotti, come ad esempio la pasta e le patate.   Il fenomeno è favorito da un pH acido, per cui se si desidera incrementare la dolcezza di un prodotto amidaceo durante la cottura, anche se questo con tutta probabilità andrà un po’ a scapito della sua struttura, si può acidificare leggermente l’acqua di cottura, ad esempio con succo di limone, aceto o sughetti di verdure acide con quello di pomodoro.    E’ vero che nel prodotto finito l’acidità potrebbe coprire un po’ la percezione del dolce, ma basterà aggiungere una minima quantità di bicarbonato per annullare la prima e di conseguenza permettere agli zuccheri liberati di farsi apprezzare in tutta la loro dolcezza.   Diverse verdure contengono polisaccaridi diversi dall’amido, come ad esempio l’inulina, presente nelle cipolle, nell’aglio e nel topinambur, costituita da catene di fruttosio: l’idrolisi di questo polisaccaride genera fruttosio libero, di dolcezza specifica ancora più elevata rispetto a quella del glucosio.

Un altro esempio.    La degradazione al quale va incontro il comune zucchero domestico (saccarosio) quando è fatto fondere, eventualmente con una traccia di succo di limone per abbassare il pH, per formare caramello: questo è un esempio di reazione di pirolisi terribilmente complicata ma che riguarda solo e soltanto una tipologia di molecola di partenza, il saccarosio appunto, e per quanto origini un prodotto multi-componente dotato di aroma, colore e consistenza caratteristici, il caramello, non può essere annoverata fra le reazioni di Maillard.
Da notare che alcuni prodotti tipici della disidratazione degli zuccheri caratteristi dell’aroma di caramello, come ad esempio il furfurale ed il 5-idrossimetilfurfurale possono derivare sia dai monosaccaridi in modo diretto (senza la partecipazione di aminoacidi), a patto che il pH sia acido, che a pH neutro o basico seguendo un percorso classificabile come reazioni di Maillard, in presenza di aminoacidi e con una resa più elevata. Nel caso del decorso diretto, quello che non comporta la partecipazione di aminoacidi, risultano favoriti gli zuccheri cosiddetti “pentosi”, ovvero a 5 atomi di carbonio, come lo xilosio, molto diffuso negli ingredienti di origine vegetale specie in quelli “integrali”, con la formazione del furfurale (che oltre che a contribuire all’aroma è però penalizzato per ragioni tossicologiche che possono subentrare ad elevate concentrazioni della molecola).
Da qui si comprenderà come non sia facile in taluni contesti “raccontare” l’origine di una molecola, che può derivare da scenari reattivi e da composizioni iniziali anche molto differenti.

Altri importanti casi, questi sì più complessi e diffusi in natura anche a prescindere dalla mano del cuoco, riguardano la degradazione di acidi grassi mono- o polinsaturi, attraverso meccanismi che prevedono l’ossidazione, la rottura della catena dell’acido grasso in frammenti più piccoli ed eventualmente trasformazione di questi frammenti in molecole più volatili ed intensamente odorose (aldeidi e chetoni).   Anche se con decorsi diversi, questa classe di reazioni avviene in tutti gli esseri viventi, uomo compreso, e trova fra i suoi promotori tanto enzimi naturalmente presenti negli organismi (le lipoossigenasi) che i famigerati radicali liberi (che in fondo sono una forma attiva dell’ossigeno, attraverso la quale quello gassoso dell’atmosfera riesce ad entrare in molte molecole biologiche, con i noti danni che ne conseguono) che eventuali tracce di metalli pesanti, come ad esempio il rame ed il nichel.

In molti vegetali, già in campo ma soprattutto durante la loro preparazione in cucina, la presenza di aria, dalla luce e del calore, nonché di tracce di metalli quasi sempre presenti negli attrezzi di cucina, favorisce questo tipo di reazioni, spingendole fino all’estrema conseguenza della formazione di aldeidi volatili ed intensamente profumate, il cui odore caratteristico ci ricorda appunto quello delle verdure tagliate, o dei chetoni dall’odore un po’ meno gradevole, che spesso richiama quello dei grassi un po’ irranciditi.
I due fattori esterni maggiormente incidenti nella generazione di queste molecole, l’ossigeno dell’aria ed i metalli pesanti, possono accentuarsi in modo particolare nella preparazione degli alimenti rispettivamente da un taglio in porzioni particolarmente ridotte del vegetale, eventualmente con superfici frangiate ed irregolari, che accrescono la superficie di contatto fra le cellule e l’aria, e per quanto riguarda i metalli dall’impiego di utensili come coltelli e pentole che rilascino seppur piccole tracce di metalli ferro, cromo o rame.

Nel seguente diagramma sono schematizzati in 3 step i passaggi che portano “già in vivo” alla formazione di tre aldeidi leggere ed intensamente aromatiche che contribuiscono in modo significativo al profumo del pomodoro fresco, a partire dai trigliceridi insaturi di cui è ricca la sua fase lipidica (goccioline oleose che si vedono galleggiare sul succo acquoso di pomodoro appena tagliato).

formazione di aldeidi volatili dai lipidi del pomodoro

Al di là dei pochi esempi riportati, le reazioni “extra-Maillard” che possono contribuire alla formazione di molecole organoletticamente rilevanti durante la cottura degli alimenti sono effettivamente un numero piuttosto elevato.
A titolo di esempio nel seguente diagramma sono schematizzati i possibili precursori e le tipologie di trasformazioni che portano alla formazione delle molecole che a vario titolo contribuiscono all’aroma della carne cotta.

vie di formazione di aromi durante la cottura della carne

Come si vede, le reazioni di Maillard sarebbero solo “uno” dei possibili percorsi, anche se, come vedremo nei prossimi paragrafi, esse racchiudono al loro interno un tale ventaglio di percorsi reattivi ed una diversificazione tale di molecole prodotte che bastano da sole a giustificare la parte preponderante del bouquet aromatico di moltissimi prodotti alimentari cucinati.

LE REAZIONI DI MAILLARD: I PRIMI PASSAGGI…

Ma torniamo a bomba sul mondo di molecole che possono generarsi in seguito alle trasformazioni complesse che vanno sotto il nome generico di reazioni di Maillard.
Come anticipato dalla scoperta iniziale del dottor Luise Camille, sono due le classi di molecole che devono essere presenti e, seppur in momenti e con modalità variabili, reagire fra loro: gli zuccheri (meglio detti carboidrati o glucidi) e gli aminoacidi.   Ancora più precisamente gli zuccheri devono essere tali da manifestare proprietà riducenti (quindi vanno bene i cosiddetti “esosi” come il glucosio, il mannosio, lo xilosio, il galattosio), mentre i chetosi non contenendo un gruppo funzionale con proprietà riducenti (come ad esempio il fruttosio) risultano un pò meno attivi e danno ragione di un meccanismo e di prodotti di reazione un po’ differenti.
Fra gli aminoacidi una particolare (ma non esclusiva) reattività è stata osservata sui cosiddetti “aminoacidi basici”, ovvero in quelli che oltre al gruppo –NH2 che li caratterizza in quanto aminoacidi, anche un altro gruppo aminico che ne determini una certa basicità caratteristica: sono aminoacidi di questo tipo arginina, asparagina, glutamina, istidina, lisina, prolina.
In fin dei conti quindi pochi tipi diversi di aminoacidi di partenza ed ancora meno carboidrati, a fronte della generazione di bouquet aromatici costituiti da diverse decine, spesso centinaia di molecole differenti.

Ed ora un po’ di chimica organica!
Non spaventatevi se vi sembra di non capire niente: stringete i denti, provate a leggere comunque e vi prometto che alla fine del capitolo avrete compreso molto più di quello che avreste creduto all’inizio.   E ricordatevi sempre che la rappresentazione della struttura delle molecole, le cosiddette “formule”, sono un aiuto fondamentale per seguire con gli occhi un discorso che, se fatto solo a parole, allora sì che diventerebbe davvero ingarbugliato!
Se non comprendete una formula di struttura non preoccupatevi eccessivamente: forse in fondo non c’è proprio nulla di recondito da “comprendere” in essa.   Le formule di struttura in fondo sono semplici rappresentazioni, come se fossero un ritratto schematico della molecola: osservatele e guardate come esse si trasformano di passaggio in passaggio, in accordo con quanto viene descritto nel testo.

Il primo passaggio, che accomuna tutte le reazioni che prendono il nome da Maillard, prevede la reazione fra il gruppo aldeidico -CHO dello zucchero (l’ossidrile -OH anomerico, quello più attivo se si considera la forma chiusa dello zucchero) ed il gruppo –NH2 alfa-aminico dell’aminoacido, con elimazione di acqua e la formazione di un composto ibrido zucchero-aminoacido, detto glicosamina (ricordare che gli zuccheri sono detti più correttamente gucidi o glicidi).
I non-chimici non diano troppo peso a questi termini di nomenclatura specialistica: nella figura qui sotto ho riportato tutto, perché questo è proprio un chiaro esempio, fra l’altro, di come l’utilizzo delle formule di struttura delle molecole a ‘mo di pittogrammi possa aiutare anche a livello intuitivo la comprensione di un fenomeno chimico molto meglio di tante parole.
Ho anche utilizzato colori differenti, rispettivamente verde e viola, per indicare lo zucchero e l’aminoacido, in modo tale da evidenziare a colpo d’occhio “dove vadano a finire” nella molecola.   Parallelamente si vede, tramite una freccia laterale, l’acqua che viene eliminata: è proprio tramite l’eliminazione di questa molecola di acqua che le due porzioni di molecole possono unirsi insieme in una vera e propria sintesi.

i primi stadi delle reazioni di maillard

Con il cerchio azzurro ho quindi evidenziato sulla struttura della glicosamina quella porzione di molecola che sarà successivamente eliminata, nella reazione successiva, sotto forma di anidride carbonica, CO2.
La nuova molecola che si forma è dal punto di vista chimico definita come una immina secondaria, ma nel linguaggio comune la si indica abitualmente come “base di Schiff”.   Notate l’ovale in colore arancione?   Esso cerchia una porzione della parte di base di Schiff che deriva dall’aminoacido di partenza e che varia di fatto in relazione al tipo specifico di aminoacido che è stato coinvolto nella reazione, nel caso della figura l’asparagina.   Per consentire di fare un discorso generale, valido per tutti gli aminoacidi, oltre che per ragioni di spazio nelle figure, tutta questa porzione variabile della molecola sarà da adesso in avanti sostituita da un gruppo “R”.

Già a questo punto, prima ancora che qualsiasi molecola aromaticamente rilevante si sia formata (sia le glicosamine che le basi di Schiff non sono affatto volatili, quindi non possono contribuire al profumo di un cibo), possiamo però avanzare una considerazione molto importante “per il consumatore”: parte degli aminoacidi inizialmente contenuti nelle materie prime alimentari hanno cessato di essere disponibili.   L’asparagina dell’esempio, dal momento che si lega a formare la glicosamina (e questa eventualmente prosegue il suo percorso reattivo) non è più asparagina e non può più essere assorbita e metabolizzata come tale dal nostro organismo. Considerando in particolare i cosiddetti “aminoacidi essenziali”, quelli cioè che l’uomo non è in grado di biosintetizzare con il proprio organismo partendo da altri materiali ma che devono essere necessariamente assunti con la dieta, al pari giusto per intenderci delle vitamine, questo significa un depauperamento parziale delle qualità nutritive dell’alimento.   Questi aminoacidi per la precisione sono: fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptofano e valina, ai quali si aggiungono, almeno nella fase di infanzia e sviluppo: arginina, cisterina, istidina e tirosina.
Come vedremo più avanti, a parte gli aspetti più strettamente organolettici, le reazioni di Maillard che avvengono durante la cottura dei cibi introducono dei beneifici che possono compensare in modo adeguato questo “piccolo” effetto collaterale.

I passaggi successivi sono reazioni di tipo reversibile, come indicato dalle doppie frecce, ovvero che possono procedere in un senso ma anche retrocedere in quello opposto, a seconda dell’ambiente e delle condizioni di trattamento, o meglio ancora possono assestarsi su un equilibrio più o meno ripartito tra le tre diverse specie chimiche riportate in figura: la base di Schiff (che abbiamo visto originarsi dalle reazioni precedenti, queste sì irreversibili), l’1,2-enamminolo, quello che viene definito il “composto di Amadori” ed infine il 2,3-enamminolo (detto anche “riduttone”).

I cambiamenti fra le tre strutture molecolari potrebbero sfuggire ad un’occhiata superficiale: quello che cambia è un doppio legame, che sembra spostarsi da una coppia di atomi all’altro, e che ho quindi colorato di rosso in figura per consentirvi di seguirlo meglio.   Nelle tre molecole esso si sposta dalla posizione iniziale sulla coppia azoto N dell’aminoacido-carbonio C dello zucchero, a due atomi di C adiacenti dello zucchero, passando nel composto di Amadori a caratterizzare il legame fra un C dello zucchero e l’ossigeno O ad esso legato, per assestarsi infine nel riduttone sempre fra due diversi C adiacenti ma “più interni” alla molecola, che legano entrambe un –OH.

N.B.   Ricordatevi sempre che nelle formule di struttura organiche quando c’è uno spigolo senza riportata nessun simbolo di elemento in modo esplicito, su quello spigolo ci sta un C, ovvero un atomo di carbonio, e la maggior parte degli atomi di idrogeno, quando sono legati direttamente al carbonio, non sono neppure evidenziati come H, anche per non affollare troppo le formule di struttura.

LE REAZIONI DI MAILLARD: L’ORIGINE NEL MICRO-COSMO DEGLI AROMI

Fin qui nulla di terribilmente complicato: abbiamo tre tipi di molecole, quelle in equilibrio nell’ultima figura, che vanno però moltiplicate per il numero di diversi aminoacidi potenzialmente presenti negli ingredienti e per il numero di zuccheri riducenti.   Moltiplicando 4 molecole x 20 aminoacidi (quelli che compongono le proteine) per x 6 zuccheri semplici (alcuni fra monoasaccaridi più diffusi: glucosio, ribosio, desossiribosio, xilosio, mannosio, galattosio) arriveremmo già ad un teorico di 480 diverse molecole, ma è ancora presto per sorprendersi.

Nessuna di queste molecole contribuisce ancora alla componente volatile dell’aroma dell’alimento, in quanto si tratta di composti troppo “pesanti” (leggasi: ad elevato peso molecolare) ed anche troppo polari in ragione del gran numero di –OH liberi, derivanti dallo zucchero di partenza ed ancora presenti nella molecola.
Alcune di queste molecole manifestano però importanti valenze funzionali nel contesto dell’alimento: circa i 2,3-enedioli o riduttoni, per esempio, possono essere dette cose parecchio interessanti. Si tratta di una classe di molecole che godono di proprietà fortemente riducenti, e la loro presenza può pertanto costituire una sorta di barriera contro l’ossidazione di altri componenti all’interno dell’alimento.     Giusto per citare un esempio, ovviamente estraneo all’argomento Maillard, l’acido ascorbico (vitamina C) ha la struttura di un riduttone e gode delle ben note proprietà antiossidanti.   Questo almeno in parte spiega la ragione per la quale in seguito alla cottura molti alimenti risultano più stabili nel tempo, non soltanto dal punto di vista microbiologico ma anche da quello composizionale ed organolettico.

La vera complessità subentra tuttavia solo dal momento che ciascuna delle quattro tipologie di molecole riportate (basi di Schiff, 1,2-enaminoli, composti di Amadori e riduttoni) “si libera” di quel residuo derivante dall’aminoacido di partenza, quello che negli ultimi passaggi avevamo per semplicità identificato in formula come N-R, per semplicità collocato sempre nella parte alta delle strutture molecolari.   Il primo elemento di complessità deriva dal fatto che sia il pezzo azotato N-R che si stacca che la parte più grande della molecola che resta sono entrambe a loro modo “interessanti” dal momento che possono generare a loro modo classi diverse di molecole di interesse organolettico.

Come si può vedere in figura, la molecola che si forma dopo l’eliminazione del frammento R-NH2 può isomerizzare in modo reversibile in un’altra molecola, una di quelle ritenute “chiave” per la generazione di intere nuove famiglie di molecole: l’ 1-desossi-2,3-dichetoso.

Per quanto riguarda la parte R-NH2 liberata, essa dipende nella struttura dall’aminoacido che aveva partecipato alla reazione con il carboidrato.    Di fatto R-NH2 è sempre un’amina che coincide con la struttura dell’aminoacido di partenza se si elimina da esso il gruppo carbossilico –COOH che come si ricorderà era stato perso nei primi step della reazione sotto forma di CO2.
Nella seguente figura ho riportato quattro esempi di composti di natura aminica liberati rispettivamente da quattro diversi aminoacidi in seguito ai processi finora descritti.    Si tratta spesso di molecole molto volatili fortemente maleodoranti, la cui presenza allo stato libero nei cibi dovrebbe essere il più possibile limitata: esempi particolarmente significativi in questo senso sono quello derivante dalla cisteina e dalla lisina, visibili in figura, mentre altre come quella derivante dalla fenilalanina possono avere anche eventuali valenze positive in quanto possono migliorare il nostro stato d’umore e chissà…  magari migliorare anche il nostro rapporto con un determinato alimento!

Partendo da un’altra delle 4 molecole in equilibrio fra loro, quella del 1,2-enaminolo, attraverso una serie di passaggi che qui eviterei di descrivere nel dettaglio, si passa comunque dall’eliminazione dell’amina R-NH2 in perfetta analogia a quanto già descritto poco fa per il riduttone; quindi il composto così formato, detto 3-desossi-alochetoso può andare incontro ad una intensa disidratazione, con perdita di ben 3 molecole di acqua.     I “pezzi” per comporre queste molecole di acqua sono presi anche da parti distanti della molecola ed è per questa ragione che alla fine del processo di disidratazione la molecola stessa si trova richiusa ad anello, a formare un composto eterociclico ossigenato che avevamo già incontrato nel capitolo precedente dedicato alla formazione di aromi senza il ricordo alle reazioni di Maillard: è la 5-idrossimetil-furfurale, o in alternativa anche la semplice furfurale, in funzione del fatto che lo zucchero di partenza fosse un esoso (a 6 atomi di carbonio, come ad esempio il glucosio) o un pentoso (a 5 atomi di carbonio, come ad esempio lo xilosio).   L’odore del furfurale è stato descritto come di mandorla o legnoso.

Avevamo tralasciato per un momento la molecola-chiave del 1-desossi-2,3-dichestoso.   Questa come si potrà a questo punto intuire può andare incontro ad un ventaglio di destini diversificati: il più semplice probabilmente è quello di chiudersi ad anello con una sorte di reazione testa-coda che comporta l’eliminazione di molecole di acqua.    A seconda che gli atomi che vengono a legarsi fra loro siano l’ossigeno 10 ed il carbonio 2 oppure l’ossigeno 8 ed il carbonio 2 (la numerazione è stata introdotta in figura solo per consentire di seguire la dinamica della reazione), si formeranno il maltolo e l’isomaltolo.

Si tratta di molecole dal gradevole profumo, che ricorda quello del cioccolato e del malto.

Un’intera altra classe di molecole organiche, tutte di ridotto peso molecolare (hanno infatti da 2 a 4 atomi di C), ossigenate e volatili, deriva dalla cosiddetta “fissione”, ovvero dalla rottura realizzata secondo modalità ed in un punto variabile, della catena a 5 o atomi di carbonio C derivante dallo zucchero di partenza,ancora chiaramente visibile in tutte e 4 le molecole fra loro in equilibrio.
Piccole molecole organoletticamente rilevanti che possono essere formate in questo modo sono per esempio: piruvaldeide, gliceraldeide, gliossale, acetolo, idrossiacetone, diidrossiacetone, e diacetile (le cui strutture molecolari sono riportate in ordine di enunciazione nella figura qui sotto):

piccole molecole volatili prodotte dalla fissione di intermedi nelle reazioni di Maillard

Il punto di partenza può anch’esso costituire una variabile: per quanto si suggerisce che piccole quantità possano formarsi anche direttamente dagli zuccheri di partenza (come il furfurale, seguendo un percorso non-Maillard), si ritiene che la parte preponderante di queste piccole molecole si formino a partire dal composto di Amadori, dal 1,2-enaminolo o dal 1-desossi-2,3-dichestoso (lo stesso che può disidratarsi a maltolto ed isomaltolo).     Quando i prodotti di questa reazione si caratterizzano per la presenza di un gruppo aldeidico (simile a quello degli zuccheri di partenza, detti aldoli), questa reazione prende anche il nome di “retro-aldolizzazione”.

Il pH è uno dei fattori “controllabili” (anche da parte del cuoco) che incide maggiormente sull’orientamento delle reazioni di Maillard secondo un determinato decorso preferenziale piuttosto che secondo un altro ad esso alternativo.   Il composto di Amadori infatti segue preferenzialmente a pH sufficientemente acidi (<6) la via che porta alla formazione del furfurale ed idrossimetilfurfurale, mentre a pH più tendenti al neutro o al basico (in generale >6) sono favoriti i percorsi di formazione dei riduttoni e dei già descritti prodotti di fissione, fino a spingersi (a temperatura sufficientemente elevata) alla formazione dei noti composti eterociclici così importanti per descrivere la composizione di moltissimi aromi di cottura.

I COMPOSTI ETEROCICLICI DALLE REAZIONI DI MAILLARD

Inutile però girare ancora intorno a quello che per certi versi considero “il cuore” dell’aroma, nel senso del raggruppamento al tempo stesso più folto e in moltissimi casi maggiormente rilevante sul piano organolettico: quello dei composti eterociclici.   Ho già avuto modo di descrivere questa macro-categoria di molecole organiche nell’ultimo articolo sull’argomento (il sapore dei cibi: un micro-cosmo di molecole), senza tuttavia spendere una parola circa i loro meccanismi di formazione nell’ambito delle reazioni di Maillard.   Ora sulla base delle conoscenze acquisite avremo modo di descrivere l’origine di almeno un paio di queste, anche se come si ricorderà dall’articolo precedente le classi di composti eterociclici che entrano a far parte dell’aroma dei cibi sono un certo numero, e in questo intervento non potremo di certo esaminarle tutte.

Il discorso riprende dall’ultima molecola-chiave descritta, il 1-desossi-2,3-dichetoso.   Ricordate?   Quella che si era formata per perdita di un residuo di aminoacido.   Ecco, non credo che il difetto di essere “indecise” si possa applicare anche alle molecole, ma se me lo consentissero non esiterei a definire indeciso questa molecola di origine zuccherina: appena due passaggi dopo avere rinunciato alla sua parte di aminoacido, ed aver quindi perso anche lo stesso azoto N aminoacidico che se n’è andato insieme al frammento R-NH2 come descritto nel capitolo precedente, ecco che ora il 1-desossi-2,3-dichestoso torna a legarsi con un nuovo aminoacido, come mostrato in figura.

Si tratta di una reazione di condensazione, molto simile a quella calla quale era partito tutto il carosello di Maillard, quella di formazione della glicosilamina e da questa la base di Schiff.   Di fatto quello che va a formarsi ora è molto simile ad una base di Schiff, con la differenza però che ora la molecola contiene, subito sotto il C che lega il nuovo aminoacido, un gruppo che tonico C=O.    Sembrano inezie, ma come si vedrà sono sufficienti a far andare il processo di reazione completamente da un’altra parte rispetto a cos’era accaduto nei primi step del processo di Maillard.     Ancora una volta ho evidenziato con un colore diverso nelle strutture molecolari la parte che deriva dall’aminoacido (in questo caso abbiamo preso come esempio la valina).
Proprio com’era avvenuto con la glicosamina, anche in questo caso la molecola va incontro ad un riarrangiamento, che comporta lo spostamento di legami fino alla formazione della struttura più a destra, estremamente simile alle già descritte basi di Schiff.

A questo punto può avvenire una delle reazioni più importanti dell’intero processo, una reazione nota con il nome di “degradazione di Strecker”, che nel contesto delle preparazioni alimentari ricorre tipicamente a temperature elevate:

qui come si può vedere dalla figura sono eliminati contemporaneamente due frammenti: uno (cerchiato in azzurro) riguarda il gruppo carbossilico –COOH della parte della molecola che derivava dall’aminoacido, che viene perso sotto forma di anidride carbonica CO2.   L’altra eliminazione, ben più importante, è relativa ad un secondo frammento sempre del residuo di aminoacido: quello che si libera è essenzialmente quello che resta dell’aminoacido di partenza al netto del gruppo carbossilico –COOH e del gruppo amminico –NH2, che viene invece lasciato sulla parte “zuccherina” della molecola.
Nel punto di rottura del residuo di aminoacido si forma un gruppo aldeidico –CHO che attribuisce alla molecola una notevole reattività.   Di fatto quella che si forma è un’aldeide simile all’aminoacido di partenza, ma con un carbonio C in meno e senza il gruppo amminico.     Da qui si intuisce la ragione del nome “degradazione” di Strecker.
Queste aldeidi sono volatili e dotate di un proprio odore caratteristico, che assume caratteristiche particolarmente significative quando l’aminoacido di partenza è di tipo solforato, ma possono anche partecipare a nuove vie di reazione per la formazione di ulteriori molecole.

La parte più grossa della molecola, come si può vedere in figura, trattiene il gruppo amminico –NH2 (in colore rosso) e può convertirsi in una forma amminica dei già descritti “riduttori”, detta appunto aminoriduttone.

L’aminoriduttone, come il suo analogo riduttone, è una tipologia di molecola molto reattiva nei confronti di altre molecole. Due molecole di aminoriduttone, in particolare, possono reagire fra loro, come ho illustrato in questa figura.   Ho dovuto capovolgere una molecola e girarne speculaarmente un’altra, ma questo solo per consentirvi a livello visivo di poter intuire meglio come sia possibile che due di queste molecole si accoppino nel modo descritto.

Effettivamente quella che si realizza è come una doppia reazione di consesazione, dove ogni gruppo amminico –NH2 si lega ad carbonio enolico: questo fa sì che, con l’eliminazione di due molecole di acqua, si crei un anello chiuso contenente al suo interno due atomi di azoto.
Ecco così formato uno dei famigerati composti eterociclici, già descritti nell’articolo rpecedente, che così tanto incidono nelle qualità aromatiche dei cibi cotti sia in funzione della loro elevata percepibilità olfattiva anche a bassissime concentrazioni che in funzione delle tipologie di odori che esse rappresentano.   Con un successivo step di reazione di tipo ossidativo la molecola perde quei due idrogeni H che le consentiranno di assumere la forma tipica di una pirazina.   Step di reazioni successivi potranno portare all’eventuale perdita dei due residui di zuccheri ancora legati a questa molecola e la liberazione della parte che ho colorato in rosso, che corrisponde alla 2,5-dimetilpirazina, una molecola che ha un odore che a seconda delle concentrazioni e dei valutatori è stato descritto come di nocciolina, di carne o addirittura di legno.

PROSPETTIVE

Dall’esame di tutte le tipologie di reazioni finora esposte, ben lungi dal completare l’argomento, si osserva l’influenza più o meno esplicita di almeno 5 differenti fattori:

1) composizione degli ingredienti
2) temperatura
3) pH
4) umidità
5) azione di massa sui componenti rilasciati

E’ logico intuire che siano proprio questi i fattori sui quali il cuoco molecolare dovrebbe intervenire nel caso volesse pilotare l’andamento delle reazioni in una o più direzioni preferenziali, oppure inibire un certo decorso indesiderato con la formazione ad esempio di molecole aromatiche indesiderate.

La conoscenza ed il controllo, nei limiti delle tecniche e dei mezzi disponibili in cucina, di questi importanti fattori, fino ad una sorta di possibile “ingegnerizzazione del sapore” sarà oggetto di un successivo intervento.

TESTI SUGGERITI PER I CHIMICI

La letteratura scientifica italiana, ivi compresa quella straniera tradotta nella nostra lingua, non comprende ancora titoli significativi, in termini di sistematicità di approccio e di livello di approfondimento, dedicati specificamente all’argomento delle reazioni di Maillard.
Per quanti fossero interessati ad approfondire l’argomento in lingua inglese, ho selezionato 4 testi fra quelli che io stesso ho consultato anche durante l’estensione di questo intervento.

1) Un testo compatto, non eccessivamente complesso che contiene una introduzione a mio parere molto esplicativa sull’argomento delle reazioni di Maillard, con approfondimenti relativi alle implicazioni biochimiche e biomediche di queste molecole ed alla loro interazione con i radicali liberi.  Particolarmente consigliato:

The Maillard Reaction – Consequences for the Chemical and Life Sciences – edited by R. Ikan – Hebrew University of Jerusalem, Israel – 1996 – John Wiley & Sons – ISBN 0-471-96300-3

2) Un testo per certi versi trasversale, che descrive la formazione e le caratteristiche dei composti cosiddetti “eterociclici” (composti organici contenenti uno o più atomi fra ossigeno, azoto, zolfo, ecc, chiusi in una struttura ad mono- o policiclica, ovvero anello/i) nella trasformazione dei materiali biologici ed in particolare alimentari, indipendentemente dal fatto che questi si formino per reazioni di Maillard oppure attraverso altre tipologie di reazioni:

Chemistry of heterocyclic compounds in flavours and aromas – G. Vernin – 1982 – Ellis Horwood Limited – ISBN 0-85312-263-6

3) Un testo particolarmente dettagliato, tenuto conto della sua estensione limitata, che fornisce una visione globale delle vie di formazione delle principali classi e singole molecole attraverso le reazioni di Maillard ed affronta in seguito, sia in modo teorico che sperimentale, l’influenza esercitata dai diversi fattori chimici e fisici implicati.   Particolarmente consigliato:

The Maillard reaction: chemistry, biochemistry, and implication – H. E. Nurtsen – Royal Society of Chemistry (UK) – 2005 – ISBN 978-0-85404-964-6

4) Un testo breve (solo 120 pagine) che offre una visione generale anche se non particolarmente approfondita dell’argomento, relativamente al contesto alimentare: dalle reazioni di formazione alle simulazioni con modelli sperimentali, dall’effetto sull’aroma a quello sull’imbrunimento dei prodotti, con particolare approfondimento alle tecniche per l’estrazione e l’analisi delle molecole prodotte dalle reazioni di Maillard:

The Maillard Reaction – S. E. Fayle; J. A. Gerrard – editor Peter S. Belton – The Royal Society of Chemistry (UK) – 2002 – ISBN 0-85404-581-3

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Cuocere gli ingredienti in modo separato e poi unirli nel piatto non è la stessa cosa che metterli già insieme durante la cottura.   Ed allo stesso modo mescolare insieme gli ingredienti senza cuocerli, come in una sorta di insalata a freddo, da ragione di un gusto del nostro piatto che non ha nulla a che fare con quello che si raggiungerebbe in seguito alla cottura.
Mescolare e cuocere insieme: questo sembra essere il segreto per generare nuovi sapori, quelli che la tradizione e l’arte culinaria hanno saputo concepire negli anni, da un capo all’altro del mondo, attraverso infinite ricette.    Una grandissima ovvietà verrebbe da dire, senza alcun particolare stupore, come ci sembrano ovvi un pò tutti i fenomeni a fianco dei quali siamo cresciuti fin da piccoli, almeno fino al momento in cui proviamo a domandarci qualche perché.   Perchè perché fra gli ingredienti, con l’energia del calore, capita qualcosa, qualcosa come vedremo in realtà di estremamente complesso, talvolta a malapena decifrabile anche dagli stessi chimici, che porta come risultato finale quello della creazione di sapori e di profumi nuovi, dei quali gli ingredienti iniziali erano essenzialmente privi?

Anche senza essere uno scienziato, ciascuno di noi è ormai consapevole che ogni profumo ed ogni sapore che percepiamo è motivato e trova riscontro in qualche molecola, raramente di un tipo soltanto, nel più dei casi da molte, moltissime, anche centinaia di “specie chimiche” diverse naturalmente presenti e mescolate fra loro nei prodotti a formare una miscela avente una composizione qualitativa e quantitativa piuttosto definita e caratteristica di quel prodotto.     A molte di molecole i nostri recettori nervosi della bocca e soprattutto del naso risultano in qualche modo sensibili, dando la possibilità al cervello di elaborare l’insieme di tutti questi stimoli in realtà elementari in una percezione di gusto e di profumo (in una sola parola: organolettica) molto complessa, che ci consente di riconoscere un cibo dall’altro e di poterlo apprezzare in tutte le sue sfumature di sapore.
Questo vale ovviamente sia per i cibi crudi (ad esempio il sapore di una mela, del latte o della menta), sia per i cibi cotti singolarmente (es. la carne alla griglia o il caffè tostato) che infine per le pietanze composite cotte (ad esempio un arrosto, la pizza, ecc).

I grafici che seguono rappresentano un’analisi gas-cromatografica relativa ai componenti volatili (e quindi almeno potenzialmente responsabili di un contributo all’aroma del prodotto) prima di un caffè crudo, ovvero prima della tostatura, e poi dello stesso caffè in seguito alla tostatura:

comparazione profilo gas-cromatografico di caffè crudo (sopra) e tostato (sotto)

Come già descritto nel precedente post (come trasformare un profumo in una matrice numerica …e viceversa) in un cromatogramma ad ogni picco, in questo caso ad ogni impennata verso l’alto della linea di base, corrisponde in linea di massima un componente chimico della miscela analizzata, e la concentrazione di questo componente è proporzionale all’altezza del picco.
Nel caffè crudo si notano davvero pochi picchi, quindi pochissimi componenti volatili, ed in concentrazione molto bassa.     Nel secondo cromatogramma, relativo al caffè tostato, vediamo una miriade di picchi e di altezza tale che essi sono stati in buona parte tagliati per ragioni di spazio: è quindi evidente che in seguito alla tostatura siamo andati a creare qualcosa di ben più complesso del prodotto iniziale, qualcosa che percepito a naso ci farebbe affermare in un solo istante “questo è caffè”.

UNA VARIETA’ DI MOLECOLE

Volendo appena sgrossare l’interrogativo circa l’identità effettiva delle centinaia di molecole diverse che si intravedono, sotto forma dei loro corrispondenti picchi cromatografici, nel secondo grafico riportato, ci troveremmo al cospetto di un elenco di questo tipo, che ci consente per lo meno di identificare delle “classi” di molecole:

Sono state identificate 17 classi diverse di sostanze organiche volatili, oltre ad una generica classe “miscellanea”, per un totale di ben 791 diverse specie chimiche volatili ritrovate nell’aroma del caffè: non è detto necessariamente che queste diverse molecole siano state tutte descritte nei dettagli in modo certo ed univoco, ma ammettendo che sia pressappoco così, sarebbe necessario un fascicolo corposo anche solo per riportare nome e/o formula e concentrazione per ciascuna di queste!

Andando al di là dell’esempio finora riportato, a parità di ingredienti iniziali, passando dai cibi crudi a quelli cotti singolarmente a quelli cotti in miscela di ingredienti, si nota nella maggior parte dei casi un crescendo di intensità e di complessità organolettica, a cui corrisponde una crescente complessità nella composizione chimica del corrispondente aroma: è vero che il pomodoro, la mozzarella e la farina di frumento hanno già di per sé stessi un loro gusto gradevole, ma la cottura dei tre, miscelati sapientemente e distesi a formare una pizza, nelle condizioni di cottura più opportune, genera un sapore piuttosto diverso, quello della pizza appunto, sicuramente più complesso e per molti di noi anche più accattivante.

A livello molto generale possiamo fare alcune interessanti considerazioni sulle più importanti classi di molecole responsabili dell’aroma della maggior parte degli alimenti.
Si tratta sempre di molecole organiche, dotate di una certa volatilità e spesso di una certa fugacità.    La volatilità è un concetto leggermente diverso dal punto di ebollizione e potrebbe meglio essere descritto come la facilità con la quale una sostanza può liberare anche solo “alcune” delle sue molecole allo stato di vapore, al pari dell’acqua con la quale laviamo il pavimento di casa, che evapora anche a temperatura ambiente, ben al di sotto dei noti 100°C di ebollizione.     La volatilità dipende a sua volta sia dal peso molecolare della molecola (ovvero tanto più è leggera una molecola tanto più a parità di fattori essa sarà volatile) sia dalla sua polarità (più una molecola è polare, meno essa sarà volatile, sempre a parità di altre condizioni).   La fugacità è invece la capacità di una molecola a spostarsi velocemente, propagandosi nell’aria dal luogo di emissione in questo caso fino alle narici di chi la potrà percepire.
Già sulla base di queste considerazioni molto generali si comprenderà perché il sale da cucina non abbia un particolare odore (non è neppure una sostanza organica!), ma non lo abbia neppure il comune zucchero (il saccarosio è un composto estremamente polare), e neppure l’olio crudo, purchè sia ben depurato (le sue molecole di triglieridi sono troppo pesanti per poter essere volatili in condizioni ordinarie).

n-esanale, un'aldeide molto comune negli alimenti di origine vegetale

Più nel dettaglio però vediamo che fra le molecole dotate di un odore in assoluto più intenso e caratteristico vi sono quelle che corrispondono alle classi delle aldeidi (il gruppo funzionale aldeidico, evidenziato in colore rosso nella formula a lato, un tempo era chiamato anche “osmoforo”, ovvero “portatore di odore”) e dei chetoni, e soprattutto i composti organici volatili contenenti zolfo, alcuni dei quali detengono il record di sostanze maggiormente odorose anche a concentrazioni infinitesimali.
Più caratteristiche degli alimenti cotti e dei loro bouquet aromatici complessi sono invece tutte quelle classi di piccole molecole organiche volatili che vanno sotto il nome di furani, pirazine, piridine, pirroli, tiofeni, ossazoli e tiazoli: esse sono accomunate dal fatto di contenere nella propria struttura molecolare uno o più anelli chiusi di atomi, che inglobano a loro volta fra le loro maglie uno o più “eteroatomi”, ovvero atomi diversi dagli ubiquitari carbonio ed idrogeno, atomi come ossigeno, azoto, solfo, singolarmente o in combinazione fra loro.

composti eterociclici odorosi maggiormente diffusi negli alimenti in seguito a cottura (strutture generali)

Sopra a ciascuno scheletro molecolare, ad esempio sulla struttura di base del furano così come su quella della piraziona o del tiazolo, sono possibili numerose variazioni sul tema a secondo di quali atomi o raggruppamenti di atomi risultano legati alle posizioni libere, negli esempi descritte in modo generico come R1, R2, R3, ecc.   Si comprende così come limitando il discorso ai soli composti eterociclici, le specie chimiche che si possono ottenere sono potenzialmente centinaia, e non parliamo di come crescerebbe questo numero se volessimo includere le altre classi di molecole, non eterocicliche, come ad esempio gli esteri, i chetoni e gli alcoli.

confronto fra ricorrenza di alcune importanti molecole aromatiche in diverse tipologie di cibi cotti

Per quanto siano potenzialmente numerosissime, la maggior parte di queste molecole non risultano veramente specifiche per un determinato prodotto.
La maggior parte di loro risulta invece, se non proprio onnipresente, per lo meno “ricorrente” in un certo numero di alimenti fra loro differenti, come risulterà chiaro dalla tabella qui a lato, ingrandibile con un click del mouse.

Se le molecole che potenzialmente possono rientrare nella composizione degli aromi degli ingredienti e dei cibi finiti sono già moltissime, sull’ordine sicuramente delle migliaia di specie chimiche differenti, pressoché infiniti sono invece gli aromi che combinandosi in vari rapporti specifici esse sono in grado di generare, con il fondamentale intervento discriminatorio del nostro cervello e della sua memoria olfattiva che riconosce facilmente una sorta di “impronta digitale” aromatica, associandola a ciascun alimento conosciuto.

In conclusione, una variazione di gusto implica una variazione di composizione chimica, ed una variazione di composizione chimica, come sappiamo, è in ultima analisi l’effetto di reazioni chimiche.
Ma quali sono le reazioni chimiche che avvengono negli ingredienti alimentari durante la loro cottura e che giustificano la generazione di tutto questo micro-cosmo di molecole odorose?

Se la composizione finale dell’aroma di un alimento, per quanto estremamente complessa, risulta un dato tutto sommato univoco ed alla portata di studio della maggior parte dei chimici dotati di una strumentazione ormai del tutto convenzionale, i meccanismi che stanno alla base della generazione delle stesse molecole durante il processo di cottura dei cibi risultano ben più difficili da spiegare e soprattutto da dimostrare nei loro dettagli da parte di un laboratorio che non abbia in qualche modo scelto di dedicare appositamente la sua attività a questo genere di studi.
Come accade spesso nell’ambito delle scienze naturali, ci troviamo di fronte ad un caso dove risultano più facilmente indagabili (e non di poco) i prodotti che un processo complesso genera, piuttosto che il processo medesimo che ha generato i prodotti.

( Nell’intervento che seguirà sarà affrontato il grande capitolo delle cosiddette “reazioni di Maillard” che costituiscono nel loro insieme il fulcro dei meccanismi chimici di formazione delle più significative molecole odorose durante la cottura dei cibi.   La conoscenza di questi processi e la possibilità di controllarli e condizionarli in qualche modo sta alla base di molte tecniche di cucina molecolare e non solo ).
“Come si formano gli aromi durante la cottura degli alimenti?”

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