Chi di noi non si è mai chiesto, almeno da piccino, per quale strano motivo una mela affettata dopo qualche minuto comincia a imbrunire?  Oppure, per quale motivo il pesce assume quel tipico odore rancido dopo qualche giorno di conservazione?  Di esempi nella quotidianità se ne possono fare tanti, ma il fenomeno è molto semplice: si chiama ossidazione.  In natura tutte le sostanze nelle più svariate forme chimiche sono soggette ad un delicato equilibrio tra forma ossidata e forma ridotta, un equilibrio di straordinaria importanza per tutti gli organismi viventi che garantisce il normale svolgimento delle funzioni vitali.

Gli esseri umani sono organismi aerobi, ovvero sopravvivono in ambienti in cui vi è ossigeno.  La vita cellulare è possibile grazie al processo di respirazione cellulare, meccanismo attraverso cui, in presenza di ossigeno, si ricava dai legami chimici dei substrati a disposizione dell’organismo, l’energia necessaria ad espletare le funzioni vitali.  L’ossigeno quindi gioca un ruolo pressoché fondamentale all’interno di questo complesso meccanismo, che consta di diverse reazioni in cui i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti per lo step successivo.  Si tratta di reazioni di ossidazione progressiva dei substrati di natura organica, tra cui il glucosio rappresenta il principale “combustibile”: l’ossidazione di materiale organico è una reazione esotermica, ovvero rilascia una grande quantità di energia in tempi molto ristretti.  Tale energia viene incamerata sottoforma di ATP

C6H12O6 + 6O2  →  6CO2 + 6H2O + 36/38 molecole di ATP

Questa molecola può essere considerata la “moneta energetica” dell’organismo, per la sua posizione intermedia tra i composti donatori/accettori di gruppi fosfato: la conversione ADP->ATP e l’opposta reazione ATP->ADP possono avvenire entrambe facilmente nei diversi ambienti cellulari, con una liberazione di 30 kJ per ogni mole di legami.
I tipi di substrato che permettono una maggior resa energetica sono gli acidi grassi, metabolizzati attraverso vie come la beta ossidazione in tante molecole di acetil CoA che vengono poi internalizzati nel mitocondrio, dove viene ossidato completamente attraverso il ciclo di Krebs e rigenera molecole di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa.   La molecola d’elezione per le vie aerobiche è comunque di tipo glucidico ed è, appunto, il glucosio, specialmente in alcuni tessuti.   Esso viene dapprima degradato attraverso la glicolisi dando origine a piruvato, il quale viene decarbossilato ed internalizzato nella matrice mitocondriale, dove subisce un processo di decarbossilazione ossidativa e successivamente entra nel ciclo di Krebs.   L’ultimo step è rappresentato dalla produzione di un gradiente protonico attraverso la membrana dei mitocondri generato per trasporto di elettroni attraverso una catena enzimatica che porta alla riduzione O2 e alla sintesi di ATP.

schema semplificato di respirazione cellulare

La catena di trasporto degli elettroni è situata nella membrana interna dei mitocondri, all’interno dei quali accetta atomi di idrogeno da molecole donatrici e si occupa di separare gli elettroni dai protoni liberando questi ultimi all’interno dello spazio intermembrana e trasportando gli elettroni verso l’accettore finale, l’ossigeno.   I trasportatori sono disposti in modo da avere potenziali di riduzione crescenti, pertanto gli elettroni venendo trasportati passano da uno stato energetico maggiore ad uno minore con conseguente liberazione di energia, che verrà utilizzata in parte per la sintesi di ATP ed in parte dispersa come calore.

Le specie coinvolte in questa complessa catena di eventi sono numerose; oltre ai substrati che subiscono il processo di ossidazione, all’ossigeno e ai vari prodotti che si susseguono, vi è una lunga serie di molecole “coadiuvanti”, che giocano un ruolo cruciale nell’intero processo.   Si tratta di enzimi e coenzimi, i “catalizzatori” dei sistemi biologici.   Gli enzimi sono nella maggior parte dei casi proteine e agiscono accelerando la velocità di reazione portando in maniera più rapida al raggiungimento dello stato di equilibrio termodinamico.   Molti di essi contengono molecole non proteiche che partecipano alla funzione catalitica legandosi all’enzima nelle vicinanze del sito attivo e vengono definite cofattori.   Combinandosi con la forma non attiva dell’enzima, esse danno origine ad un enzima cataliticamente attivo.
Queste molecole possono essere distinte in base della natura chimica in metalli e coenzimi, di solito piccole molecole organiche, ma possono essere classificati anche in base al tipo di legame contratto con l’enzima stesso, il quale può essere più o meno forte.
La maggior parte delle vitamine, composti che gli esseri umani e altri animali non sono in grado di sintetizzare autonomamente, sono cofattori o precursori di cofattori.
La catena respiratoria è costituita da una serie di complessi proteici e composti lipo-solubili capaci di produrre un potenziale elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale mediante la creazione di un gradiente di concentrazione di ioni H+ tra i due lati della membrana.   In ogni tappa si ha un passaggio di elettroni da un complesso ad un altro, in particolare:
-  Complesso I – Coenzima Q reduttasi: questo complesso riceve due atomi di idrogeno dal coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo trasportatore della catena di trasporto degli elettroni, il Coenzima Q.
-  Complesso II – Succinato deidrogenasi
-  Complesso III – Citocromo c reduttasi: riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo c
-  Complesso IV – Citocromo c ossidasi: è l’ultimo complesso, che trasferisce gli elettroni direttamente all’ossigeno trasformandolo insieme agli ioni H+, in H2O.

In tutto questo però sorge un problema.   Se da una parte è vero che la maggior parte degli organismi complessi richiede ossigeno per la sua esistenza, è pur vero che l’ossigeno può anche essere una molecola altamente reattiva in grado di danneggiare gli organismi viventi stessi, producendo specie reattive dell’ossigeno, anche dette ROS (reactive oxygen species).  Sopresi?  Il nostro organismo però non si lascia prendere alla sprovvista.

ROS - reactive oxygen species

Proprio per questo vi è una complessa rete di enzimi e sistemi antiossidanti che lavorano sinergicamente per prevenire il danno ossidativo a componenti cellulari di fondamentale importanza come DNA, proteine e lipidi.   In generale, i sistemi antiossidanti o prevengono la formazione di queste specie ossidanti o le rimuovono prima che possano danneggiare i componenti vitali delle cellule.   Cosa sono i ROS?  Sono specie radicaliche, ovvero specie chimiche molto reattive aventi vita media di norma brevissima, costituite da un atomo o una molecola formata da più atomi che presenta un elettrone spaiato: tale elettrone rende il radicale estremamente reattivo, in grado di legarsi ad altri radicali o di sottrarre un elettrone ad altre molecole vicine.

Le specie reattive dell’ossigeno prodotte nelle cellule includono perossido di idrogeno (H2O2), acido ipocloroso (HClO) e radicali liberi come il radicale idrossile (OH•) e l’anione superossido (O2−); il radicale idrossile, in particolare, è altamente instabile e reagisce rapidamente e non in maniera non selettiva con la maggior parte delle molecole biologiche, rappresentando una minaccia non indifferente per l’organismo.   Questi ossidanti possono danneggiare le cellule iniziando reazioni chimiche a catena come la perossidazione lipidica, oppure ossidando il DNA o le proteine; è facile immaginare come un danneggiamento del DNA possa avere risvolti decisamente gravi e causare mutazioni genetiche qualora non entrino in gioco meccanismi di riparazione specifici, mentre danni alle proteine possono portare a fenomeni come inibizione della funzione enzimatica, denaturazione e degradazione.   Lo stress ossidativo di cui tanto si sente parlare non è altro che una è una condizione causata da uno sbilanciamento nel delicato equilibrio fisiologico fra la produzione e l’eliminazione di specie chimiche ossidanti.   Infatti, è bene tenere presente che le specie ossidanti ed i radicali liberi svolgono importanti ruoli fisiologici, come la difesa nei confronti di microrganismi patogeni, la trasmissione dei segnali biochimici fra le cellule e addirittura il controllo della pressione arteriosa!   È il loro eccesso a causare una condizione di stress, alla quale è possibile ricondurre la causa di molte patologie umane e naturalmente il processo di invecchiamento.   Ovviamente anche agenti esterni, come la dieta e alcune abitudini dannose contribuiscono alla formazione di radicali liberi!
Un’azione collaterale della catena respiratoria è la produzione di anione superossido e da esso di altre specie reattive dell’ossigeno (ROS): in particolare i maggiori produttori di superossido sono il Complesso I (che lo rilascia nella matrice) e il III (che lo rilascia nello spazio tra le due membrane).  La produzione aumenta ad alto potenziale di membrana, quando il flusso di elettroni è lento e la catena più ridotta: in tali condizioni il superossido è soprattutto formato dal trasporto inverso di elettroni da succinato a NAD.   Qualsiasi danno alla catena respiratoria è potenzialmente in grado di rallentare il flusso di elettroni a monte facilitando la produzione di superossido, condizione riscontrabile in alcune patologie a livello mitocondriale, nella senescenza e in altre condizioni patologiche.
Se il problema è quindi limitare il più possibile i danni di un’eccessiva ossidazione, le nostre cellule sono tutte pronte e dotate di sistemi che fanno al caso nostro.   Antiossidanti, ecco la parola magica. Enzimi, vitamine, ioni, sono tutti agenti riducenti in grado di contrastare la formazione di specie ossidate.  Ne esistono diversi tipi, in svariate forme, ognuno con il suo compito specifico e la sua precisa ubicazione, la natura non lascia nulla al caso in queste circostanze.   Si distinguono in base al grado di solubilità nei fluidi corporei e nelle membrane e si distribuiscono a varie concentrazioni nei diversi comparti cellulari; la quantità di protezione fornita da un antiossidante dipende quindi dalla sua concentrazione, dalla sua reattività verso la particolare specie reattiva dell’ossigeno considerata e lo stato degli antiossidanti con cui interagisce.   Alcuni composti contribuiscono alla difesa fornita dagli antiossidanti chelando i metalli di transizione, prevenendo così l’effetto catalitico che questi forniscono nella produzione dei radicali liberi nella cellula.
Tra gli antiossidanti endogeni, ovvero quelli prodotti dal nostro organismo, si possono annoverare diversi sistemi enzimatici all’opera.   Le superossido dismutasi, ad esempio, sono una classe di enzimi strettamente correlati presenti in quasi tutte le cellule aerobiche che catalizzano la rottura dell’anione superossido in ossigeno e perossido di idrogeno.   Contengono come cofattori ioni metallici che possono essere rame, zinco, manganese o ferro. Le catalasi, a loro volta, catalizzano la conversione di perossido di idrogeno in acqua e ossigeno, usando come cofattori ferro e manganese.   La catalasi è un enzima inusuale poiché, anche se il perossido di idrogeno è il suo solo substrato, segue un meccanismo ping-pong: il suo cofattore viene ossidato da una molecola di perossido di idrogeno e poi rigenerato trasferendo l’ossigeno legato ad una seconda molecola del substrato.
Infine vi sono le perossidasi che catalizzano la riduzione di perossido di idrogeno, perossidi organici e perossinitriti. Sono divise in tre classi di enzimi che condividono lo stesso meccanismo catalitico di base, in cui la redox-attiva cisteina nel sito attivo è ossidata ad acido sulfenico dal substrato perossido.   Tali enzimi sembrano sembrano rivestire un ruolo molto importante, poiché una loro assenza o inefficienza è associata ad anemia emolitica, una patologia causata da basse concentrazioni di emoglobina nel sangue per rottura dei globuli rossi.

Un altro sistema molto importante è quello del glutatione, che comprende diversi enzimi come glutatione riduttasi, glutatione perossidasi e glutatione S-transferasi.   Il glutatione è un peptide contenente glutammato, cisteina e glicina reperibile ad alte concentrazioni in molte forme di vita aerobiche.   Esso mantiene le sue proprietà antiossidanti poichè il gruppo tiolo (-SH) presente nella cisteina è un agente riducente e può essere ossidato e ridotto in maniera reversibile.  Nelle cellule, il glutatione viene mantenuto in forma ridotta dall’enzima glutatione riduttasi e a sua volta riduce altri metaboliti e sistemi enzimatici reagendo direttamente con gli ossidanti.

conversione del glutatione tra forma ridotta a forma ossidata e viceversa

L’altra grande categoria di antiossidanti, sicuramente più conosciuta, è rappresentata dalla classe delle vitamine.   Una varietà enorme di molecole, ognuna con caratteristiche peculiari e sorprendenti, racchiude in sé un enorme potenziale in termini di prevenzione dei fenomeni di ossidazione. Si tratta di sostanze organiche, che devono essere introdotte con la dieta poiché non vengono sintetizzati dall’organismo umano e risultano indispensabili ad esso. Si può fare una prima distinzione classificandole in base alla loro natura chimica e a come, di conseguenza, si ripartiscono nei tessuti dell’organismo in idrosolubili e liposolubili.   Le vitamine idrosolubili non sono accumulate dall’organismo umano, una volta espletata la loro funzione, principalmente di coenzimi, vengono eliminate velocemente, motivo per cui vanno assunte con maggiore regolarità.   Al contrario, le vitamine liposolubili, data la loro maggiore affinità con membrane e tessuti adiposi tendono ad essere accumulate nell’organismo e necessitano pertanto di un’assunzione meno assidua.   Non tutte le vitamine vengono assunte nella loro forma biologicamente utilizzabile ma piuttosto come precursori che, una volta assunti, vengono trasformati da specifici enzimi metabolici nella loro forma attiva e utilizzabile.
Tra le vitamine idrosolubili più conosciute vi è l’acido L-ascorbico, più noto come vitamina C.   La prima immagine che questo nome rievoca è senz’altro una bella spremuta di agrumi fatta e bevuta, per evitare che le prodigiose proprietà benefiche si volatilizzino nel giro di qualche istante.

trasformazioni dell'acido ascorbico

Ma cosa rende questa molecola così importante e potente?
La vitamina C, corrispondente all’enantiomero L, il solo ad essere biologicamente attivo, deve la sua forte azione riducente alla presenza di un gruppo enediolico.   In presenza di ossigeno e metalli l’acido ascorbico tende ad ossidarsi ed a formare acido deidroascorbico ed acqua ossigenata.   Grazie alla forte azione riducente, la vitamina C è coinvolta in molte reazioni di ossidoriduzione; essa, infatti, donando un elettrone forma l’acido semideidroascorbico, il quale può donare un secondo elettrone generando così l’acido deidroascorbico.   Quest’ultimo può essere ridotto ad opera di un enzima dipendente dal glutatione, la deidroascorbato reduttasi, rigenerando, così, l’acido ascorbico. La spiccata azione antiossidante della vitamina C e la sua capacità di mantenere stabili altre vitamine fa sì che essa venga utilizzata dalle industrie come additivo nei cibi.
Uno degli errori più comuni quando si pensa a ciò che riguarda antiossidanti e vitamine in genere consiste nel pensare che una ingente assunzione di vitamine possa solo giovare, qualunque sia l’entità. Se pensiamo però alla premessa iniziale, ovvero al fatto che l’organismo necessita di un equilibrio ossidoriduttivo per espletare al meglio le proprie funzioni ci rendiamo conto facilmente di come uno sbilanciamento a favore di sostanze riducenti sia altrettanto dannoso.   Per quanto riguarda le vitamine vi sono stretti intervalli di concentrazioni all’interno dei quali esse producono un’azione benefica, l’importante è non scendere al di sotto o non superare tali limiti.
Altri nomi importanti tra le idrosolubili rientrano nel gruppo delle vitamine B: tiamina, riboflavina, acido folico e pantotenico, biotina sono solo alcune.   Esse rivestono notevole importanza perché agiscono da cofattori “aiutando” gli enzimi coinvolti nei processi di respirazione cellulare e metabolismo, scambi elettronici, processi di sintesi e ossidazione e innumerevoli altre attività a livello dell’organismo.   A differenza dei substrati, che vengono modificati e trasformati durante una reazione enzimatica, i cofattori ritornano al loro stato iniziale.   Eccezioni sono i cofattori impiegati nella catalisi delle reazioni di ossidoriduzione; una molecola che funziona cedendo elettroni al substrato deve poi riacquistarli, in una reazione a parte, per essere nuovamente funzionale.   Dal punto di vista chimico i cofattori sono, per la maggior parte, ricchi di elettroni π, che conferiscono loro le proprietà catalitiche e reagiscono stechiometricamente alla reazione enzimatica.
Molti coenzimi sono coinvolti nel trasporto di gruppi chimici: ad esempio, il NAD+ , o nicotinammide-adenina-di nucleotide, è un carrier di elettroni in reazioni di ossidoriduzione, in grado di accettare un protone e due elettroni da un substrato, a formare il NADH.   NADH è in grado di donare questi elettroni ad un secondo substrato, rigenerandosi a NAD+.   Il piridossalfosfato, derivato della vitamina B6, è un coenzima utilizzato dalle amminotransferasi e dalle carbossilasi.   La catalisi avviene in due passaggi: nel primo viene catalizzata, ad esempio, la deaminazione degli amminoacidi ad alfa-chetoacidi. Nel secondo passaggio il gruppo amminico estratto viene trasferito ad un altro alfa-chetoacido che diventa così un amminoacido.   Il piridossalfosfato viene rigenerato in questo caso sullo stesso enzima, anche in questo caso in due passaggi. Considerazioni analoghe valgono anche per la reazione di decarbossilazione, che prevede l’idrolisi dell’intermedio legato all’enzima.

struttura generale di un tocoferolo

Altra categoria è quella delle vitamine liposolubili.   Qui l’azione esercitata è diversa, in quanto esse, ad eccezione della vitamina K, non agiscono da coenzimi, bensì partecipano singolarmente a reazioni in cui subiscono una trasformazione a carico della propria struttura molecolare.   Se l’acido ascorbico rappresenta l’antiossidante per eccellenza tra le vitamine idrosolubili, qui è la vitamina E, che conta otto tipi diversi, a primeggiare.  Tocoferoli e tocotrienoli sono i vari costituenti di questo gruppo di molecole, che presentano una struttura di base comune e sostituenti che li differenziano nelle diverse forme, fra cui l’alfa tocoferolo è la forma vitaminica biologicamente più potente ed attiva.
Essa, infatti, è conosciuta per il suo straordinario ruolo nella prevenzione dell’ossidazione degli acidi grassi polinsaturi, evento chiave nello sviluppo del processo di perossidazione lipidica, la quale, scatenata dall’azione di radicali liberi, si sviluppa attraverso reazioni a catena che perpetuano e alimentano il processo.   La vitamina E è in grado di bloccare questo fenomeno donando un elettrone ai radicali perossilipidici, rendendoli in tal modo meno reattivi e bloccando di fatto la perossidazione lipidica.   In questa reazione la vitamina E si trasforma in un radicale α-tocoferossilico, piuttosto stabile grazie allo sviluppo di fenomeni di risonanza, e che può reagire poi con composti come vitamina C, glutatione o coenzima Q10 per tornare alla forma iniziale, l’α-tocoferolo.

Una volta ossidata, la vitamina E diviene teoricamente una molecola instabile suscettibile a reagire con le altre molecole neutre e può contribuire però alla propagazione della catena di ossidazione.   La sua affinità particolare per la vitamina C le permette di essere ridotta da quest’ultima e di tornare adatta a prevenire le altre reazioni di perossidazione.

rigenerazione tocoferoli ed acido ascorbico

La vitamina E ha una struttura tale da riuscire a incorporarsi in seno agli strati di fosfolipidi formanti le membrane cellulari con un rapporto di una molecola di vitamina E per 2 a 3000 molecole di fosfolipidi.   Ciò significa che per poter giocare efficacemente il suo ruolo protettivo nei confronti degli acidi grassi, essa deve essere rapidamente rigenerata, altrimenti le riserve si esauriscono.   Tale rigenerazione è possibile grazie alla presenza di vitamina C, che essendo idrosolubile, si trova nei fluidi intra ed extracellulari; la reazione è reversibile, permettendo alla vitamina C di essere a sua volta rigenerata.   Questo tipo di reazione si verifica in diverse cellule, tra cui globuli rossi, piastrine, lipoproteine plasmatiche, ecc.   Dal momento che la perossidazione lipidica può determinare profonde alterazioni a livello delle membrane cellulari, alla vitamina E è riconosciuto un ruolo di grande rilievo nel mantenere tali strutture inalterate.

via di formazione del monossido di azoto

L’importanza dell’equilibrio redox all’interno della cellula è notevole; come già accennato a concentrazioni moderate, i ROS partecipano attivamente ad una varietà di processi biologici complessi, implicati nella normale crescita cellulare quali la trasduzione del segnale, il controllo dell’espressione genica, la senescenza cellulare, l’apoptosi; i radicali più rilevanti nelle funzioni biologiche sono il superossido e il monossido di azoto (NO), formati da due gruppi di enzimi, le isoforme della NAD(P)H ossidasi (6), e le isoforme della ossido nitrico sintasi(NOS), rispettivamente.   Quest’ultimo enzima, in particolare, è distribuito in maniera ubiquitaria nei tessuti e nei viventi in generale; esso provvede a produrre NO a partire da arginina, che viene poi trasformata in citrullina (metabolita intermedio del ciclo dell’urea).   L’enzima necessita di ossigeno e di altri per cofattori come FAD, FMN e NADPH.   Si  tratta di una reazione multifasica, ovvero costituita da diversi passaggi.   Nel primo un atomo di ossigeno viene inserito sull’azoto terminale del gruppo guanidinico dell’arginina formando un gruppo N-OH; su quest’ossigeno vengono poi portati 2 elettroni forniti dal NADPH e trasportati dagli altri cofattori fino ad ottenere acqua per eliminazione di 2 atomi di idrogeno e di un intermedio instabile che si libera e forma NO.

Questa sostanza riveste particolare importanza poiché agisce sulla muscolatura liscia dei vasi sanguigni provocando vasodilatazione con conseguente aumento del flusso ematico; inoltre risulta essere un potente vasodilatatore nonchè inibitore di adesione e aggregazione piastrinica.

I meccanismi di difesa sono fondamentali per l’omeostasi redox cellulare che dipende dal bilancio tra generazione dei ROS e sistemi antiossidanti. Quando l’equilibrio si sposta a favore dei primi oppure la cellula si trova in uno stato di carenza di difese antiossidanti si crea la condizione di stress ossidativo.   I principali enzimi responsabili dell’omeostasi redox cellulare funzionano come “spazzini” dei ROS, ma non possono intervenire direttamente sulle macromolecole biologiche a rimuovere un danno già avvenuto.   Per non rischiare, buona spremuta!

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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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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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Leggendo argomenti attinenti alla microbiologia spesso sorge quasi spontanea una domanda: quando inizia la storia dei microrganismi e quali erano le loro caratteristiche principali nelle lontane era geologiche?
Per rispondere brevemente  ricorderemo innanzitutto che lo sviluppo di tecniche analitiche sempre più valide ed affinate quali l’impiego di isotopi radioattivi e di procedure biotecnologiche hanno permesso di fissare (almeno per ora e fino all’acquisizione di nuove conoscenze) a circa tre miliardi di anni addietro la comparsa delle prime forme di vita sul nostro pianeta.   Esse traggono origine da un comune progenitore ancestrale in grado di riprodursi e di svolgere un proprio metabolismo, e si è potuto vedere come esse si siano adattati nel corso dell’evoluzione differenziandosi in tre compartimenti diversi.

Il primo comprende gli Archea o Archeobatteri o Archibatteri ovvero batteri primordiali che, come indica il termine, rappresentano l’archetipo di cellula in grado di vivere nelle particolari condizioni esistenti sulla terra nei millenni passati – il secondo comprende i Batteri o Eubatteri  che costituiscono la forma diffusasi sul pianeta nelle nuove condizioni chimico-fisiche che si stabilirono nei millenni successivi – mentre nel terzo compartimento possiamo collocare gli Eucarioti frutto  dell’evoluzione che, sempre nel lento scorrere dei millenni, ha successivamente portato alle cellule eucariotiche che compongono, oltre alle alghe ed ai protozoi, anche le piante e gli animali quali oggi li conosciamo.

Le prime forme di vita comparse sul pianeta terra, ascrivibili al citato gruppo degli Archeobatteri, differivano notevolmente da quelle odierne anche per la necessità di adattarsi a condizioni ambientali con elevate concentrazioni di sali, temperature elevate che raggiungevano anche i 100 °C e oltre, atmosfera quasi priva di ossigeno ma ricca di ammoniaca, anidride carbonica, azoto, solfuri vari.    La capacità di adattamento di questi batteri primordiali è certamente sorprendente, ma un altro notevole aspetto di questa affascinante tematica è costituito dal fatto che numerosi germi appartenenti agli Archea o archeobatteri che dir si voglia, sono ancora presenti tra noi, e sono reperibili negli ecosistemi più disparati.    Quanto sopra, denota l’incredibile capacità di adattamento, che è dovuta al fatto che alcuni componenti del gruppo possono trarre l’energia da sostanze inorganiche e, come i loro antichi antenati, crescere a temperature, pressioni, concentrazioni di sali molto elevate, mentre altri componenti crescono agevolmente a livelli normali dei predetti parametri così come si trovano oggi nel nostro pianeta.   Abbiamo ricordato come gli archeobatteri siano in grado di crescere in condizioni ambientali estreme quali temperature di 70°C e oltre che, come è noto, eliminano larga parte dei comuni batteri. Nella tabella seguente vengono riassunte le differenze principali che caratterizzano gli eubatteri dagli archeobatteri.

La possibilità di crescere nell’ambiente marino, sia esso ad alta temperatura o meno, può richiedere un’altra proprietà in relazione alla profondità delle acque; si tratta della barofilia ovvero della capacità di sviluppo ad alte pressioni.    Nel mare la pressione aumenta di circa una atmosfera ogni 100 metri; ebbene negli oceani sono presenti microrganismi iperbarofili in grado di crescere anche a profondità di circa 7000 metri e oltre e quindi a pressioni di oltre 70 atmosfere.   Poiché la temperatura del mare decresce con l’aumento della profondità, i microrganismi barofili sono anche psicrofili ovvero capaci di crescere a basse temperature.    E’ evidente che tali organismi devono essere in grado di elaborare idonei sistemi di adattamento che come già accennato sono molteplici: tra questi notevole importanza rivestono le modifiche di composizione e conformazione della membrana cellulare e quelli a livello della struttura spaziale delle proteine e degli enzimi che costituiscono i punti chiave delle biochimica e della fisiologia di qualsiasi cellula vivente.
Lo studio di germi estremofili  risulta di grande interesse anche sotto un profilo applicativo ad esempio per la produzione di enzimi come amilasi, cellulasi, proteasi elaborati dagli Archea e da altri germi estremofili.    In particolare la loro resistenza ai trattamenti termici, apre interessanti prospettive sia all’industria alimentare che a quella farmaceutica che necessitano di biocatalizzatori in grado di agire anche ad temperature di 60°C ed oltre che generalmente inattivano gli enzimi analoghi prodotti dai germi comuni.    Quanto sopra promette sviluppi ancora più interessanti grazie alle biotecnologie che consentono la clonazione dei geni che codificano la produzione di questi enzimi anche in normali germi mesofili (che crescono cioè a temperature ambientali medie di circa 20-40°C). Infatti questi ultimi organismi sono i più diffusi, meglio conosciuti e più facilmente coltivabili in laboratorio degli archeobatteri e dei batteri estremofili in genere.

Classificazione dei batteri

Nello schema di classificazione dei viventi in cinque regni, i batteri costituiscono il regno dei procarioti e si differenziano dalle cellule di tutti gli altri organismi viventi, chiamati eucarioti, per l’assenza di un nucleo delimitato dalla membrana nucleare.
Classificazione dei batteri secondo la forma

Classificazione secondo il livello di temperatura e possibilità di crescita

Classificazione secondo la modalità di respirazione.

Classificazione secondo la modalità di nutrizione.

Classificazione secondo la colorazione di Gram

E’ una tecnica di colorazione artificiale introdotta da C. Gram nel 1884 e tutt’oggi praticata con le stesse modalità. E’ anche detta differenziale, perché impiega più di un colorante a differenza delle colorazioni semplici. I batteri per effetto della colorazione di Gram vengono divisi in: Gram + , conservano la colorazione viola inizialmente impartita, Gram – perdono questa colorazione viola e si colorano con il successivo colorante, la safranina, in rosso. In questo modo sono distinguibili per mezzo di un comune microscopio ottico.
La differenza fra i due tipi di batteri, che giustifica la differenza nel supportare le due tipologie di colorazione, risiede a livello della struttura esterna della cellula batterica, ed in particolare della parete cellulare come sarà meglio descritto nel prossimo capitolo.

Funzione della parete e cenni sulla membrana plasmatica

La parete cellulare è una delle strutture caratteristiche dei procarioti; essa non trova alcun riscontro nelle cellule animali. E’ una struttura tipica anche dei funghi e delle cellule vegetali, ma in questi casi è diversa sia per la qualità dei costituenti che per il tipo di organizzazione. Le funzioni principali della parete sono quelle di mantenere la forma e la rigidità della cellula e proteggere questa dai danni meccanici e dalla lisi osmotica. L’osservazione al microscopio elettronico di sezioni sottili di cellule batteriche permette di distinguere due principali tipi di organizzazione della parete. Nei batteri Gram positivi essa appare come uno strato uniforme dello spessore di 100–800 Angstrom, al di sotto del quale si può vedere la caratteristica struttura a tre strati della membrana cellulare. Nei Gram negativi la parete, esterna alla membrana citoplasmatica, è più sottile , variando il suo spessore tra i 80 –100 Angstrom, e ha una struttura più complessa. In questo gruppo di batteri, gli strati più esterni della parete formano per la loro caratteristica organizzazione, una struttura simile alla membrana citoplasmatica. Lo strato superficiale viene appunto detto membrana esterna, e non trova riscontro nelle cellule dei batteri Gram positivi.

Al di sotto della parete abbiamo la membrana citoplasmatica batterica che presenta una struttura costante simile a quella degli eucarioti ma risulta  priva di steroli. La membrana è coinvolta nella replicazione del cromosoma pare che intervenga nella fase di segregazione cromosomica. A livello funzionale la membrana è sito attivo di scambio  di sostanze, e la presenza di numerosi complessi enzimatici si realizza una notevole economia del bilancio energetico del sistema metabolico e nella sua funzionalità. Al microscopio elettronico la membrana si presenta come un multistrato di tre foglietti di cui i più esterni sono opachi (e corrispondono alle teste polari dei fosfolipidi) e quello centrale è trasparente (e rappresenta l’accoppiamento coda-coda delle catene alchiliche apolari degli stessi fosfolipidi).
La membrana cellulare può essere interpretata come un aggregato supramolecolare di fosfolipidi disposti secondo un doppio strato laminare, al quale si associano diverse proteine inacastonate su di esso, o che lo attraversano da parte a parte. A livello di membrana si esplicano molte funzioni metaboliche che negli eucarioti sono svolte da organuli citoplasmatici. Negli archebatteri si manifestano considerevoli differenze a livello di membrana ma in questa sede risulterebbe oltremodo dispersiva una loro trattazione sia in termini funzionali che strutturali.

La differenza nella capacità di trattenere il colorante basico violetto, già accennato a proposito del procedimento della colorazione differenziale secondo Gram, è data dalla quantità di peptidoglicano (detto anche “mureina”) contenuto nella parete cellulare: i gram-positivi presentano una grande quantità di questa sostanza, variamente organizzata secondo almeno 100 modelli strutturali differenti, mentre i gram-negativi presentano invece una parete più sottile, ricca di lipopolisaccaridi e lipoproteine.

La natura chimica di questa sostanza è riconducibile al nome stesso: pepti (parte proteica) + glicano (parte glicidica).    La parte glicanica è un polisaccaride lineare costituito dall’alternanza regolare di due carboidrati dotati di un gruppo amminico acetilato: l’N-acetil-glucosammina  (NAG), e l’acido N- acetil-muramico (NAM), legati tra loro con un legame beta–1,4-glicosidico.    Tale legame è il bersaglio del lisozima, un enzima presente in varie secrezioni animali ed anche umane quali le lacrime e la saliva, che esplica la sua attività sui batteri Gram +, idrolizzando appunto il peptidoglicano in unità monometriche.   A ciascuna unità di NAM è legata una breve catena peptidica, per la precisione un tetrapeptide, fra i cui quattro aminoacidi costituenti possono figurare anche casi la cui configurazione è di tipo D: un caso più unico che raro, dal momento che tanto nelle piante quanto negli animali di aminoacidi risultando rappresentati unicamente con configurazione L sull’atomo di carbonio chirale aminoacidico.Le varie catene di peptidoglicano, detto anche “mureina”, sono tenuti insieme dalla parte proteica, attraverso legami diretti (nei Gram+, con legame fra il gruppo amminico di un aminoacido biasico di un’unità ed il gruppo carbossilico di un’altra unità) o indiretti (nei Gram-, tramite un ponte mediato da un pentasaccaride costituito da 5 unità di glicina) fra gli aminoacidi delle catene tetrapeptidiche appartenenti a strati diversi di peptidoglicano.
Nei batteri Gram + la struttura della parete cellulare è solitamente attraversata da parte a parte  da molecole polimeriche di tipo del tutto differente e per certi versi davvero inconsuete, che ne determinano fino al 10-15% del peso, gli acidi teicoici.    Si tratta di polimeri di alcoli polialcoli (principalmente glicerolo o ribitolo, fino a 30 unità), alternati da un’unità di acido fosforico; gli ossidrili del ribitolo o glicerolo possono essere legati zuccheri (glucosio, galattosio) o ad aminoacidi (D-alanina) facenti parte della catena tetrapetidica del peptidoglicano.    Le peculiarità degli acidi teicoici e di quelli lipoteicoici (associazioni degli acidi teicoici con i lipidi della membrana citoplasmatica) sono sostanzialmente quattro: 1. Facilitano l’assunzione dei cationi; 2. Funzione strutturale contribuendo alla forza ed elasticità della parete; 3. Sono fortemente immunogenici; 4. Intervengono nei meccanismi di patogenicità del batterio.

Le appendici cellulari e il movimento dei batteri

Numerosi microrganismi sono dotati di veri e propri organi di locomozione, ovvero i flagelli; si tratta di lunghe  appendici filiformi disposte alla superficie della cellula alla quale, con i loro movimenti, imprimono spostamenti anche molto veloci.
Un tipico esempio viene dato dal vibrione del colera (Vibrio cholerae) che possiede un unico, lungo flagello posto all’estremità della cellula.   I flagelli possono essere molteplici, disposti in eleganti ciuffi posti ai poli della cellula come nello Spirillum minus germe responsabile del “sodoku”, malattia presente in Giappone ma anche in altri Paesi e provocata da morsi di topo, oppure disposti tutto intorno al germe, come in Escherichia coli, germe normalmente presente nell’intestino e quindi nelle feci umane ed animali.   Queste lunghe propaggini traggono origine dal corpo basale, piccola formazione rotondeggiante posta sotto la membrana cellulare e formata da catene proteiche a forma di anello; esse possono ruotare in senso orario o antiorario trasmettendo così il moto al batterio come l’elica di un natante.   Va notato che questo moto é molto rapido e consente al germe spostamenti anche dell’ordine di millimetri per minuto: può sembrare una piccola distanza ma essa,al contrario, è veramente elevata se si considera la ridottissima lunghezza della cellula batterica!  Grazie ai flagelli i batteri possono avvicinarsi con movimenti propri a sostanze favorevoli , quali nutrienti vari come aminoacidi, zuccheri ecc.  che vengono definite “attraenti”.    Il contrario avviene in presenza di sostanze tossiche o comunque nocive per il germe quali alcuni sali minerali, antibatterici ecc.  definite “ repellenti”.    Come si vede i flagelli consentono ai batteri una mobilità che solo fino a pochi anni addietro risultava in buona parte inspiegabile sia per i fini meccanismi coinvolti, sia per le finalità strettamente legate alla stessa capacità di sopravvivenza del germe a disparate situazioni esterne.

In relazione a quanto sopra si ricorda che i movimenti sopra accennati avvengono in seguito a stimoli esterni rilevati da una serie di trasduttori, ovvero veri e propri sensori costituiti da particolari proteine chemiotattiche disposte alla superficie del batterio.   Esse combinandosi con i vari gruppi di sostanze che vengono a contatto con il germe danno luogo a processi chimici, fondamentalmente di metilazione e demetilazione (ovvero di aggiunta o sottrazione di gruppi metilici – CH3 – ): questo processo prende il nome di chemiotassi che, come si é visto, può essere positiva o negativa. La chemiotassi è quindi definita come il fenomeno con cui i batteri (ma anche altri copri multi- o monocellulari non batterici, fra i quali gli spermatozoi) direzionano i loro movimenti a seconda della presenza di alcune sostanze chimiche nel loro ambiente
Processi di chemiotassi si possono manifestare nei confronti dell’ossigeno: si parlerà allora di aerotassi come è dato rilevare nei batteri aerobi la cui crescita è più rigogliosa nelle zone di un determinato substrato nelle quali la concentrazione o disponibilità di ossigeno è più elevata.   Parleremo invece di fototassi nel caso di batteri provvisti di pigmenti fotosensibili quali la batterioclorofilla A e B ed i carotenoidi rossi presenti nei “batteri rossi” ai quali appartengono batteri del genere Rhodobacter.   La batterioclorofilla B e C ed i carotenoidi gialli sono invece presenti nei “batteri verdi” tra i quali ricordiamo organismi appartenenti al genere Chlorobium : tutti questi germi traggono l’energia necessaria al loro metabolismo dalla luce.   Questi germi vengono definiti autotrofi in quanto sono in grado,così come le piante,di sintetizzare la materia organica a partire dall’anidride carbonica presente nell’atmosfera a differenza degli organismi eterotrofi che , come molti batteri e come gli animali , per il loro metabolismo e la loro formazione e crescita hanno bisogno di molecole organiche preformate.
Tornando per un istante ai flagelli che fanno parte del complesso sistema sopra accennato facciamo presente che i batteri sono… affezionati ad essi: infatti se mediante agitazione di una sospensione di batteri in mezzo liquido stacchiamo queste propaggini dalla cellula, i germi riescono a ricostituirle nel breve tempo di appena 15 – 30 minuti!   Ma come si comportano i germi naturalmente privi di flagelli immersi in un mezzo liquido? sia pure meno velocemente anch’essi si spostano grazie ai noti moti “browniani” dovuti ad effetti di scattering (leggasi “urti”) da parte delle molecole del fluido circostante, che portano in questo caso la cellula a muoversi lungo un percorso essenzialmente casuale che differisce da una semplice vibrazione su una posizione di equilibrio, proporzionale alla temperatura, per una particella in condizioni di equilibrio termodinamico.
Tornando alle appendici esterne, ricordiamo che alcuni batteri ne posseggono altre di diversa costruzione ma altrettanto importanti.   Si tratta dei pili o fimbrie che sono più sottili dei flagelli e facilitano l’adesione del batterio alle cellule-tessuti dell’ospite; per questo motivo vengono anche denominati aggressine.   Infine particolari pili, denominati pili F consentono il trasferimento di segmenti di cromosoma tra una cellula donatrice (F+) ad una ricevente (F-); per questo motivi i pili F vengono indicati come “pili del sesso”.   Anche se non si tratta di una struttura morfologicamente definita va qui ricordato che alla superficie di molti batteri é evidenziabile anche uno strato gelatinoso, denominato glicocalice (o slime ovvero fanghiglia per gli autori anglosassoni per il suo aspetto gelatinoso) che può conglomerare tra loro cellule batteriche formando una sorta di pellicola di protezione verso agenti esterni.   Esso, ostacolando il contatto dei germi con prodotti disinfettanti, può complicare o addirittura vanificare i processi di bonifica igienica in diversi settori come, ad esempio, nell’industria alimentare.   Il significato del glicocalice va oltre agli aspetti pratici indicati, dal momento che in esso, parzialmente isolate dall’esterno, possono formarsi comunità di miliardi di cellule batteriche anche appartenenti alle specie più diverse le quali, mediante specifici mediatori biochimici, possono “comunicare” tra essi e “adottare” determinati atteggiamenti.

Approvvigionamento energetico

Le esigenze nutrizionali dei microrganismi sono molto diversificate e in base ad esse possiamo individuare tre grandi gruppi:
1) nel primo si collocano i meno esigenti, indicati come autotrofi chemiosintetici quali alghe ed alcuni batteri dotati di pigmenti fotosintetici: essi sono in grado di costruire le molecole organiche necessarie alla loro crescita utilizzando la luce quale sorgente di energia e l’anidride carbonica quale sorgente di carbonio;
2) nel secondo troviamo gli autotrofi chemiolitotrofi quali ad esempio solfobatteri e batteri nitrificanti (preziosi per l’agricoltura): hanno esigenze intermedie accontentandosi ancora di anidride carbonica quale sorgente di carbonio ma richiedono anche energia proveniente non più dalla luce ma da composti inorganici;
3) nel terzo gruppo vengono inquadrati microrganismi definiti eterotrofi chemiorganotrofi già ricordati in precedenza; essi comprendono la maggior parte dei batteri che, per le loro esigenze vitali, richiedono la disponibilità sia di fonti di carbonio che di energia di origine  organica.

Il gruppo dei microrganismi eterotrofi si biforca a sua volta in due grandi linee principali: quella dei saprofiti e quella dei parassiti. Gli organismi saprofiti per soddisfare le loro esigenze nutrizionali utilizzano il materiale organico di varia origine e natura ovunque presente nell’ambiente. Quelli parassiti, invece, non hanno questa autonomia e pertanto parassitano esseri viventi (vegetali od animali) ai quali con modalità e meccanismi diversi arrecano danno. In quest’ultimo gruppo pertanto rientrano i germi patogeni (dal greco pathos = dolore e gheno = generare). In precedenza abbiamo accennato ai binari del metabolismo sui quali scorrono i due processi biochimici fondamentali per ogni organismo vivente compresi i batteri: un binario, quello dell’anabolismo sul quale si svolgono i processi di sintesi delle molecole che costituiscono le cellule; questi processi richiedono energia proveniente dal secondo binario ove avviene la demolizione delle predette molecole. Tutti i processi di cui sopra, siano essi di sintesi o di scissione, sono accelerati ovvero catalizzati dagli enzimi, numerosa categoria di proteine – ne esistono oltre 2000 – ciascuno dei quali, come accennato in precedenza, catalizza con elevatissima specificità un diverso tipo di reazione chimica.

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La mia mamma è una gran chiacchierona: parla sempre di qualsiasi cosa le accada nella sua giornata, ma soprattutto adora parlare di tutta la sua vita di bambina con annessi e connessi.   Così un suo ricordo molto frequente è quello della preparazione dei matrimoni dal punto di vista culinario e nello specifico dolciario.    La zia pasticciera era infatti l’addetta alla preparazione dei dolci che servivano per il banchetto e di quelli che venivano regalatiagli invitati (usanza ancora viva in alcuni paesi, almeno in Basilicata).    Non era un lavoro banale soprattutto perché le quantità erano abbastanza grandi e il lavoro non poteva essere organizzato diluendolo nei giorni perché altrimenti i dolci si sarebbero “guastati”.   Un problema che, sicuramente, oggi si è sensibilmente semplificato.
Per allungare la vita di molti prodotti, e non parliamo solo di prodotti alimentari, ma anche di cosmetici, di farmaci e di altre categorie di beni di consumo, utilizziamo i conservanti.   Ecco, questa è una parola che nel tempo ha assunto ormai una connotazione negativa per cui allo stato attuale, un prodotto sul quale viene indicata a caratteri cubitali l’assenza di conservanti ci fa pensare ad una qualità superiore rispetto a tutti quelli che invece utilizzano conservanti.

Ma da cosa i conservanti devono proteggere il cosmetico o l’alimento?

Ogni molecola ha una sua stabilità che dipende da tantissimi fattori ciascuno dei quali va considerato insieme con tutti gli altri; tra questi troviamo la temperatura, la presenza di ossigeno, il pH del prodotto e tantissimi altri. In determinate condizioni i legami chimici che caratterizzano una certa molecola possono indebolirsi fino a spezzarsi e formare dei legami diversi che quindi evidentemente significano una sostanza diversa.   Molto spesso queste nuove molecole non hanno “proprietà benefiche” rispetto al prodotto e di fatto rappresentano una degradazione da evitare.   Per capire meglio pensiamo ad un cosmetico; sappiamo che una categoria di molecole presente in molti prodotti di questo genere è costituita dagli oli, molti dei quali presentano delle insaturazioni (i famosi grassi insaturi); i grassi insaturi in presenza di ossigeno subiscono più o meno facilmente (dipende dalle caratteristiche strutturali) una reazione di degradazione che procede attraverso dei radicali liberi portando a molecole dall’odore e sapore (nel caso di alimenti) caratteristici.   Il fatto che ogni molecola abbia una propria stabilità ci fornisce una prima risposta alla nostra domanda: ogni molecola ha un suo tempo di vita che dipende da un insieme di fattori, ma prima o poi (dipende dalle condizioni di conservazione) la nostra molecola tenderà a degradarsi.   I conservanti, specie la categoria degli antiossidanti, hanno la funzione di allungare la vita delle molecole cercando di evitare che si verifichino le condizioni ideali per l’irrancidimento.
Oltre alla stabilità di ciascuno degli ingredienti del nostro cosmetico, bisogna valutare tutto l’insieme.

Periodicamente rimbalzano sui media le notizie in cui si annuncia la presenza di vita nell’universo e spesso il tutto nasce dalla frase “scoperta la presenza di acqua….”  Già, proprio l’acqua, pare che abbia fornito l’ambiente necessario alla nascita della vita.    Questo significa che ogni qual volta abbiamo “acqua” (ovviamente in opportune condizioni di temperatura e pressione) siamo nelle condizioni favorevoli per la vita di qualsiasi esserevivente che ci sia simpatico o meno; batteri, spore trovano un ambiente favorevole per la loro vita.    Inoltre non ci dimentichiamo che per quanto siamo enormemente diversi dai batteri abbiamo necessità simili; tranne alcune tipologie, anche i batteri come noi hanno bisogno degli stessi elementi per poter vivere e riprodursi.    Il nostro organismo ha bisogno di proteine, di zuccheri e per i batteri non è diverso.    Questo vuol dire che prodotti come i cosmetici in cui il primo ingrediente è l’acqua o prodotti alimentari o farmaceutici in cui ritroviamo proteine o altro solo luogo ideale per la vita dei batteri. Nel corso della storia abbiamo imparato che i batteri non sono sempre nostri alleati e molto spesso risultano aggressivi verso l’uomo e quindi ovviamente abbiamo iniziato a combatterli.     La pericolosità dei batteri, tra l’altro, è da collegare anche alla produzione di tossine; i batteri infatti producono sostanze che servono per la loro vita, ma che sono tossiche rispetto all’organismo umano (per questo vengono chiamate tossine). L’utilizzo dei conservanti, rispetto a questo problema, mira quindi a minimizzare quanto più possibile la proliferazioni di batteri e anche la produzione di tossine.    Altro elemento di difesa deve essere posto contro le muffe: anche in questo caso l’acqua ha un ruolo importante; per convincercene basta pensare che spesso si trova la muffa vicino ad una parete se c’è un’infiltrazione di acqua e comunque si è in posti molto umidi.    Le muffe, che in alcuni prodotti sono molto apprezzate, pensiamo ad esempio al gorgonzola, in altri non sono proprio segno di grande conservazione: pensiamo se una mattina aprissimo il barattolino di crema idratatane  …e trovassimo la muffa!!!
Data l’importanza dell’acqua rispetto al problema della conservazione vale la pena fare una precisazione.    Molti prodotti contengono l’acqua come ingrediente principale o comunque in percentuali elevate, tuttavia non tutti sono suscettibili nella stessa misura all’attacco di batteri o muffe.    Perché?

apparecchio elettronico per la misura dell'attività dell'acqua

Più che la concentrazione di acqua, per valutare la possibilità di attacco da parte di batteri e muffe occorre valutare la cosiddetta “attività” dell’acqua.    Al di là di formule e definizioni, il concetto di attività dell’acqua non è molto complicato.    Proviamo a guardare al problema dal punto di vista dei piccoli batteri o delle muffe.    Affinché questi si accorgano della presenza di acqua, questa deve essere perfettamente riconoscibile e diciamo che l’acqua perfettamente riconoscibile è quella che determina l’attività dell’acqua e quindi potremmo dire la reale concentrazione di essa.    Insieme con quest’acqua ci saranno altre molecole sempre di acqua che però interagiscono direttamente con altre sostanze presenti nel prodotto in esame. In questo caso l’acqua non è perfettamente disponibile e quindi non potrà essere luogo ospitale per batteri e muffe.    Da ciò si capisce che anche molecole in grado di ridurre l’attività dell’acqua possono essere considerati conservanti.

Molti sistemi conservanti sono utilizzati da tantissimi anni ed in molti di questi casi solo recentemente se ne sono scoperte le ragioni.    Prendiamo il caso della carne (o anche del pesce) essiccata e conservata o del prosciutto: il sistema più antico di conservazione prevede l’utilizzo di cloruro di sodio (NaCl) il comune sale da cucina e di nitrato di sodio (NaNO3).    Il primo, serve per abbassare l’attività dell’acqua (in un certo senso è come se ne riducesse la quantità presente) mentre il secondo, divenuto pressoché indispensabile nell’industria delle carni in scatola e dei wurstel, attraverso una serie di reazioni è responsabile del colore rosso brillante e soprattutto impedisce la proliferazione di tossine e batteri anerobi tra cui il famoso C. Botulinum.

Consideriamo più da vicino i cosmetici.    Abbiamo detto che la presenza dell’acqua ci deve far pensare immediatamente alla possibilità di presenza dei batteri, muffe e tossine correlate; inoltre se escludiamo i saponi solidi che hanno un pH decisamente alcalino, la maggior parte dei prodotti cosmetici ha un pH compatibile con quello della pelle il che è sicuramente uno svantaggio rispetto all’abbattimento della carica batterica; altro dato da non dimenticare è la possibilità di irrancidimento di oli e burri.
A questo punto risulta ovvia la conclusione secondo la quale è necessario proteggere i cosmetici al fine di allungarne la vita ed utilizzarli in sicurezza.    Le idee si diversificano quando si cerca di arrivare alla soluzione del problema, vale a dire l’utilizzo dei conservanti.    I motivi per i quali intorno a questa categoria di sostanze c’è sempre un gran discutere sono diversi.
Si è scoperto come da taluni conservanti possano originarsi molecole di provata cancerogenità, oppure possano essere causa di allergie ed intolleranze o ancora possano essere sostanze potenzialmente tossiche.    Tutto questo non deve spaventarci perché l’utilizzo dei conservanti è regolamentato dalla legge in continua evoluzione; ogni settore in cui è contemplato l’uso di conservanti ha la sua giurisprudenza che dà indicazioni sull’uso di tali molecole sia rispetto al tipo da poter utilizzare e sia rispetto all’intervallo di concentrazione che deve essere presente in un certo prodotto.    Inoltre è molto importante pensare all’esposizione che abbiamo a certe sostanze; voglio dire che giustamente tutti test di tollerabilità, tossicità, cancerogenità vengono effettuati utilizzando dosi largamente superiori rispetto a quelle che poi vengono indicate sulla legge come limiti massimi di esposizione.    Inoltre la ricerca è continua per l’aggiornamento degli elenchi delle sostanze permesse o vietate per un certo utilizzo.

Sicuramente bisogna prestare particolare attenzione a quei prodotti che sembrano molto convenienti; se il prezzo è molto basso probabilmente il produttore ha utilizzato materie prime di bassa qualità e quindi anche conservanti di scarsa qualità a cui si associa spesso una maggiore probabilità di allergie o intolleranze.    Diffidiamo inoltre dei prodotti pubblicizzati come privi di conservanti: è soltanto uno specchietto per le allodole; facile che scorrendo lungo la lista degli ingredienti ritroviamo l’acido ascorbico, i tocoferoli o altri prodotti che vengono utilizzati “anche” come conservanti!
Normalmente in un cosmetico, ma in generale in un qualsiasi prodotto si utilizza più di un conservante, infatti nella categoria dei conservanti rientrano una serie di sostanze con attività diverse.
Ci sono alcuni conservanti che hanno la funzione di antiossidanti; con la loro attività evitano l’ossidazione di sostanze funzionali presenti nel prodotto in questione, evitano la degradazione di molecole, ancora possiamo dire evitano che il nostro prodotto “vada a male”.    Ci sono poi gli antimicrobici e qui dobbiamo considerare che un antimicrobico non è attivo allo stesso modo verso tutti i batteri; verso alcuni sarà più efficace, verso altri meno; l’utilizzo di più conservanti contemporaneamente allarga lo spettro di attività facendo in modo che non ci siano, nel prodotto, alterazioni di qualsiasi genere.    Un conservante antimicrobico mantiene bassa la carica batterica: l’obiettivo può essere raggiunto in modi diversi; alcuni conservanti hanno un meccanismo di azione noto, altri no.   In generale per distruggere ad esempio un batterio ci sono diverse strategie: si può distruggere la membrana cellulare, oppure si possono denaturare le proteine responsabili dello sviluppo e della replicazione delle cellule o bloccare i sistemi enzimatici necessari alla vita delle cellule.

colture batteriche in capsule Petri usate per alcuni challange test

Affinché una molecola sia classificata conservante, per un cosmetico, questa deve superare un test detto “challenge test” .   Con questo test il cosmetico a cui è stato aggiunto il sistema conservante, viene prima contaminato con una serie di batteri e funghi, quindi viene valutata la carica batterica al tempo di contaminazione; ad intervalli fissati e regolamentati viene effettuata nuovamente la conta batterica e lo si fa per 28 giorni.   Vengono valutati i risultati nel corso dei 28 giorni e alla fine si valuta la carica batterica in Unità Formanti Colonia al grammo (UFC/g) ed esistono precisi intervalli numerici in base ai quali ad un cosmetico viene associato da un basso ad un alto rischio.
Un conservante molto utilizzato è l’acido benzoico; normalmente viene immesso nella formulazione come sale corrispondente, cioè benzoato di sodio o di potassio (sodium benzoate/ potassium benzoate) ma è attivo solo ad un pH pari a 5; la molecola attiva non è infatti il benzoato, ma l’acido benzoico: fino a pH 5 troviamo l’acido benzoico, quando il pH a un valore più alto è prevalente la forma di benzoato.   L’acido benzoico è presente in molti prodotti naturali come ad esempio i mirtilli, ma quello che normalmente viene utilizzato è un prodotto di sintesi derivato dal toluene.   Il suo uso è indicato come sicuro alle concentrazioni previste dalla legge e può essere utilizzato come conservante alimentare, cosmetico e come eccipiente nei farmaci.    Per diverso tempo è stato oggetto di una polemica in quanto in presenza di acido ascorbico ed in determinate condizioni può dare una reazione che porta alla formazione di benzene.   In senso lato non si tratta di una bufala, nel senso che effettivamente la reazione può avvenire, ma come al solito bisogna osservare le condizioni in cui questa reazione può avvenire e le quantità di benzene prodotto.   Normalmente i prodotto contenenti acido ascorbico (vitamina C) vengono staccati in confezioni opache, che non lasciano passare i raggi solari e in questo modo viene meno la condizione principale affinché si abbia la reazione dell’acido ascorbico e l’acido benzoico.   Inoltre le quantità di conservante utilizzato sono davvero minime quindi si svilupperebbe una quantità di benzene davvero minima e non giudicata tossica, pericolosa o peggio ancora cancerogena.   Molto spesso l’acido benzoico viene utilizzato in maniera combinata con l’acido sorbico.   Anche in questo caso nella formulazione è presente uno dei suoi sali quindi è presente come sorbato di sodio o di potassio (sodium sorbate o potassium sorbate); il pH di azione è anche in questo caso acido (per questo si possono utilizzare contemporaneamente all’acido benzoico) quindi la forma attiva è quella acida.   Inoltre altro motivo che spiega l’uso concomitante dei due acidi è che quello benzoico è attivo contro i batteri (sia Gram + che Gram -) invece quello sorbico è attivo contro i funghi.   Anche l’acido sorbico è utilizzato come conservante alimentare e cosmetico e come eccipiente nei farmaci.   L’acido benzoico ha uno svantaggio; il suo potere di conservante non è altissimo quindi logica vuole che la ricerca abbia cercato di lavorare sulla sua struttura pensando che piccole modifiche potessero portare ad

fusti di metil-parabene stoccati in un magazzino

un aumento della capacità conservante mantenendo la sicurezza del prodotto stesso.   Sono nati così i parabeni.   Strutturalmente sono esteri dell’acido paraidrossibenzoico ed in particolare tra i più diffusi ci sono il metilparabene, l’etil parabene, il propil parabene e il butil parabene.   Sono conservanti utilizzati principalmente nei cosmetici ed in maniera ridotta nei cosmetici e nei farmaci; da lungo tempo sono molto attive polemiche su questa classe di composti e sono stati compiuti molti studi al fine di valutare la tossicità e soprattutto la cancerogenità.    L’ipotesi è che i parabeni possano penetrare attraverso la cute ed interferire con il nostro sistema endocrino.    Allo stato attuale diventa difficile avere dei dati certi rispetto a tale pericolo; il metil parabene e l’etil parabene sembra che non abbiano alcun effetto.   Sono stati, invece, messi in evidenza dei rischi tossici associati all’uso del propil parabene e del butil parabene.    Sicuramente i parabeni riescono a penetrare attraverso gli strati più interni della pelle e la loro azione dannosa è legata al fatto che probabilmente riescono a mimare gli estrogeni e quindi essere potenzialmente attivi nei riguardi dei tumori al seno; attualmente non sono però disponibili studi che accertino tale pericolo anche perché non sono mai stati effettuati studi per un periodo di tempo sufficientemente lungo da permettere conclusioni definitive in questo senso.

parabeni e congetture sulla loro eventuale attività "xeno-estrogenica"

Altri studi hanno verificato il coinvolgimento dei parabeni nelle irritazioni cutanee specie se associati all’esposizione solare; molti studi hanno evidenziato un’elevata percentuale di soggetti che sottoposti contemporaneamente a parabeni ed esposizioni solari (nelle dosi comuni di creme ed esposizioni solari estive) mostravano irritazioni cutanee.    Questo è uno dei casi in cui allo stato attuale ci sono solo dubbi; si parla di possibili danni, possibili rischi, ma poiché non c’è nulla di scientificamente dimostrato l’industria cosmetica può continuare a farne uso.    Resta sempre il diritto di scelta che il consumatore può esercitare nel momento in cui è informato.    Attualmente ci sono delle aziende di prodotti cosmetici che formula prodotti senza parabeni; sulle confezioni troviamo l’indicazione “paraben free”; sottolineo come al solito che non basta l’indicazione di naturale, verde per essere certi che non ci siano parabeni.    La prova “certissima” resta sempre l’INCI.

Oltre a queste caratteristiche proprie del cosmetico c’è da considerare un altro punto importante e cioè quello che succede una volta che la confezione è stata aperta.    A ben pensarci anche il tipo di confezionamento gioca un ruolo importante nella conservazione di un cosmetico.    Pensiamo per esempio ad una crema che è confezionata in un barattolo classico e quindi ogni volta che ne prendiamo un po’, stiamo “inquinando” il prodotto, anche se abbiamo le mani pulite (non sono sterilizzate); una crema che invece sia munita di dispenser ovvia a questo problema e quindi non c’è contaminazione dovuta all’utilizzo.   Inoltre in quest’ultimo caso, sarà molto limitata anche la quantità di ossigeno che entra in contatto con il cosmetico e abbiamo detto come questo sia un fattore da tener presente.   Anche in questo caso, il discorso dei costi è da tenere in considerazione.   Molto spesso siamo portati a pensare che il confezionamento di un prodotto sia soltanto il risultato di indagini di mercato volte a capire quale possa essere quello più comodo o quello più di moda in un particolare momento.   A volte è così, ma non sempre.   Il confezionamento e anche la modalità nella quale viene effettuato può aiutare nella conservazione di un prodotto e in generale nell’utilizzo dello stesso.   Anche in questo caso un basso costo può essere sintomatico di una bassa qualità e non solo di scarsa attenzione alla “bellezza” di una confezione.

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Il processo che porta alla nascita di un nuovo farmaco è qualcosa di straordinariamente complesso e articolato anche solo da immaginare.
La necessità di ottenere composti sempre più efficaci e, soprattutto selettivi nei confronti di un determinato bersaglio e, di conseguenza, con un minor numero di effetti collaterali fa si che gli sforzi per fare arrivare nei cassetti delle farmacie nuovi principi attivi siano decisamente accresciuti negli ultimi tempi. La sfida oggi consiste nel progettare farmaci in grado di agire esclusivamente, o quasi, nei confronti di un bersaglio specifico e, possibilmente, caratterizzati da una elevata potenza a basse concentrazioni Dentro ad una piccola scatola ci sono anni e anni di ricerca, di prove sperimentali, di studi clinici e un enorme capitale: un investimento non da poco.   In genere sono necessari almeno 10-12 anni prima che sia possibile disporre di un nuovo principio attivo sul mercato.
Come nasce un farmaco?

PRIMI PASSI ATTRAVERSO IL DRUG DISCOVERY

fasi di sviluppo di un farmaco

L’ideazione di un nuovo composto è uno step fondamentale, consiste nell’individuare l’area terapeutica di interesse, la patologia specifica verso cui agire e, nella maggior parte dei casi, il “target”, ovvero l’elemento o il meccanismo biologico su cui intervenire per modificare il percorso di una malattia.   Ciò risulta non sempre facile; molto spesso può esservi una serie di cause concomitanti all’origine di una patologia, oppure, è possibile che non sia ancora conosciuto del tutto, o comunque in maniera sufficiente, il meccanismo che ne causa l’insorgenza.   Determinare quali siano le caratteristiche necessarie perché una nuova molecola sia attiva rappresenta un processo molto delicato, che può essere condotto seguendo diversi iter. In questo modo si arriva ad ottenere una serie di possibili candidati, i cosiddetti lead compounds, o composti guida, precursori del futuro principio attivo: una serie di sostanze presumibilmente in grado di influenzare un determinato meccanismo e di ottenere un effetto terapeutico.
Una metodologia molto utilizzata dalle industrie farmaceutiche per identificare nuovi lead consiste nell’High Throughput Screening, che permette di effettuare uno screening random , ovvero di passare al setaccio un gran numero di sostanze biologiche allo scopo di individuare le molecole che possiedono le potenzialità terapeutiche desiderate.   Si tratta di un’operazione vantaggiosa che permette di saggiare migliaia di composti scartando a priori quelli non interessanti e riducendo in questo modo il numero di possibili candidati.   Tali sostanze possono essere molecole precedentemente sintetizzate e usate anche ad altri scopi terapeutici, principi attivi scartati in altri screenings perché non dotati del profilo ricercato, oppure sostanze di origine naturale estratte da piante.
Nella ricerca di nuove sostanze attive anche la fortuna gioca la sua carta.   Basti pensare che alcuni farmaci presenti sul mercato con determinate indicazioni terapeutiche erano stati inizialmente concepiti per tutt’altro motivo; non è raro che effetti secondari provocati da un farmaco vengano sfruttati a vantaggio dello stesso e rivalorizzati come effetti terapeutici.   Non molto diverso è il caso di molecole scoperte casualmente o, come si dice in gergo, per serendipity: la penicillina per le infezioni, la levo-dopa per la malattia di Parkinson, alcuni chemioterapici per i tumori, e più recentemente il Viagra.
Nella ricerca di base in chimica farmaceutica un approccio sperimentale molto importante è lo studio della relazione struttura-attività (SAR), ovvero la relazione esistente fra la struttura tridimensionale di una molecola e la sua bioattività.    Individuando i gruppi funzionali responsabili di evocare un certo effetto su un bersaglio biologico dell’organismo, al fine di migliorarne l’interazione, è possibile apportare modifiche strutturali a molecole dotate di attività farmacologica, tenendo sempre presente la regola di Lipinski: un algoritmo contenente semplici regole che consentono, almeno sulla carta, l’efficacia del farmaco.   Come già introdotto in precedenti articoli, esistono al giorno d’oggi tecnologie informatiche che permettono di ideare la struttura di un composto mediante calcoli che coinvolgono una serie di descrittori molecolari, i quali rappresentano le proprietà chimico-fisiche e biologiche e che permettono di creare un modello più o meno conforme alle caratteristiche richieste: il metodo QSAR (Quantitative structure-activity relationship).   Infatti, l’attività di una molecola a livello dell’organismo è profondamente influenzata dalle caratteristiche molecolari, dall’orientazione nello spazio degli atomi, dalla solubilità e dalla capacità di oltrepassare le membrane biologiche.   Inoltre, grazie anche al progresso nelle conoscenze della farmacologia molecolare, è possibile utilizzare un nuovo approccio alla progettazione di nuovi farmaci, che si basa su simulazioni di interazione farmaco-recettore.   Tale metodo di indagine è noto come molecular modelling, e prevede comunque la conoscenza molecolare del bersaglio del farmaco che si vuole progettare; in questo modo è possibile quindi ideare il nuovo composto in base alla struttura del proprio target, alla sua composizione chimica e alla sua orientazione nello spazio. In alcuni casi non si hanno informazioni a sufficienza circa la struttura del target o circa la sua identità, pertanto si ricorre alla progettazione di nuove molecole sulla base di composti precedentemente studiati per lo stesso scopo e dotati di profili di attività favorevoli.
Tramite queste diverse modalità è possibile ottenere una serie, più o meno consistente, di possibili candidati farmaci. Ma siamo solo all’inizio, il percorso è ancora lungo.

DALLA TEORIA ALLA PRATICA: LA SINTESI DEI “LEAD COMPOUNDS”

[  Un "lead compound" (letteralmente "composto primario" o anche "composto guida") nella ricerca farmaceutica di base è un composto chimico che ha attività farmacologica o biologica e la cui struttura chimica è usata come punto di partenza per modifiche chimiche volte ad incrementarne potenza, selettività e parametri farmacocinetici" (da Wikipedia, versione in lingua inglese).  ]

Vedere una molecola roteare sullo schermo di un PC o disegnata su un foglio e “crearla” non è la stessa cosa.   Nei laboratori di ricerca si tenta di progettare per ogni molecola una serie di vie sintetiche possibili e, soprattutto fattibili, tenendo conto di tutte le variabili coinvolte: reperibilità, costi e condizioni di utilizzo dei reagenti chimici sono solo alcune delle cose da considerare.   A questo proposito è utile ricordare come sta prendendo sempre più piede la green chemistry, la chimica eco-sostenibile, una vera e propria filosofia di ricerca mirata alla messa a punto di processi di produzione che riducano al minimo l’uso e la formazione di sostanze pericolose e nocive, per l’ambiente e per la salute.
L’approccio consueto consiste nello studiare una via di sintesi che permetta di trovare un compromesso sia a livello economico che di complessità. Un altro aspetto importante da considerare è la scala di grandezza su cui si effettuano le prime prove di sintesi: il range di produzione va di solito dai 100 mg ai 2 g di prodotto finale, pertanto la resa delle varie reazioni viene calcolata su quantità relativamente piccole.   Questo serve a verificare se la metodica che si sta seguendo sia compatibile o meno con i substrati coinvolti ed, eventualmente, ad ottimizzare le condizioni di reazione.
A questo proposito, sono sempre di più le industrie farmaceutiche o i dipartimenti universitari del settore bio-medico che si affidano ad aziende “terziste”, le quali mettono a disposizione macchinari e tecnologie avanzate per la produzione di prodotti finali o intermedi anche in grandi quantità. L’arco di tempo all’interno del quale si articola tutto il processo di drug discovery, ovvero la scoperta di una nuova molecola, e sintesi varia dai 2 ai 3 anni, a seconda delle difficoltà che si possono incontrare nelle suddette fasi .

LA SPERIMENTAZIONE: LE DODICI FATICHE DEL FARMACO

Ora spostiamo l’attenzione dall’ambito prettamente chimico-tecnologico a quello farmacologico: qui inizia la vera sfida: verificare se i pronostici sulle potenziali proprietà biologiche si avvereranno oppure no.   Non è scontato che ciò che viene calcolato, seppur finemente, tramite le tecniche computazionali abbia un riscontro positivo.
Comincia così la sperimentazione su cellule, animali e uomo, che si articola in 4 fasi, condotte secondo precise linee guida e caratterizzate altissimi costi e tempi lunghi.   Tutta la sperimentazione viene accuratamente documentata al fine di costituire un “dossier”: questo deve essere studiato e approvato dal Ministero della Sanità e, in alcuni casi, dall’Istituto Superiore di Sanità che devono dare l’autorizzazione a procedere ad ogni fase della sperimentazione.

coltura batterica in capsula Petri

La fase più critica, che nella maggior parte dei casi stronca sul nascere il futuro dei numerosi candidati, è rappresentata dalla fase 0, la sperimentazione preclinica, caratterizzata da una durata di circa 2 a 3 anni.   I composti qui vengono testati in vitro e/o in vivo su un modello sperimentale della patologia, un sistema che esibisce lo stesso bersaglio farmacologico per cui si studia il farmaco, che può essere rappresentato da una coltura cellulare, da animali di laboratorio o da sistemi artificiali che riproducono determinate caratteristiche dell’organismo umano.   Infatti, mentre alcuni esperimenti possono essere condotti tramite test in vitro, quindi su cellule isolate, per altri è necessario utilizzare animali sperimentali poiché solo in un organismo “completo” si può osservare la complessa interazione tra metabolismo ed esposizione al farmaco al fine di rilevarne la tossicità.   Durante questa fase si iniziano a valutare i rischi e la potenziale tossicità per l’uomo, oltre alle proprietà chimico fisiche come la stabilità e la solubilità, cercando di determinare quali modifiche debbano essere apportate alla composizione chimica del composto-guida, in vista della formulazione prevalente che si prevede verrà usata negli studi clinici sull’uomo.   Lo scopo principale è quello di determinare le concentrazioni relative all’attività e alla tossicità dei vari composti e di confrontarne la potenza in modo da scegliere quelli dotati di un profilo migliore.   E’ necessario, inoltre, determinare la dose e la modalità di somministrazione che verrà utilizzata per la prima volta nel trial clinico.   Una volta accertati sia l’efficacia desiderata dei composti in esame sul bersaglio farmacologico sia un accettabile grado di sicurezza per l’utilizzo, è necessario verificarne la reale tollerabilità ed efficacia sull’uomo.   Il numero di molecole che “sopravvivono” a questa durissima selezione è decisamente limitato.

Inizia qui la sperimentazione clinica, che si articola in tre fasi distinte e successive: fase I, farmacologia clinica, fase II, studio di efficacia e fase III, studio multicentrico.   I trials clinici sono strettamente supervisionati da una appropriata autorità regolatoria. Tutti gli studi che interessano un intervento medico o terapeutico su un paziente devono essere supervisionati da un comitato etico, prima che venga fornito il permesso di procedere con lo studio clinico.   Il comitato etico è un organismo indipendente, presente nelle strutture sanitarie pubbliche e negli istituti di ricovero e cura a carattere scientifico privati, composto da personale sanitario e non, incaricato di garantire la tutela dei diritti, della sicurezza e del benessere dei soggetti della sperimentazione e di fornire pubblica garanzia di questa tutela, emettendo, ad esempio, pareri sul protocollo di sperimentazione, sull’idoneità dello o degli sperimentatori, sulle strutture e sui metodi e documenti da impiegare per informare i soggetti della sperimentazione prima di ottenere il consenso informato locale.

Fase 1.  - Lo scopo di questa fase della sperimentazione, la cui durata è in genere di 1-2 anni, è quello di fornire preliminari elementi per una valutazione della sicurezza del principio attivo per accertare la tolleranza dell’organismo rispetto ad esso. Si seleziona un limitato numero di volontari sani (60 – 80), che sotto rigoroso controllo medico assumono dosi sempre più alte del farmaco in sperimentazione per testarne la tollerabilità.   In questa fase vengono avviati gli studi di farmacocinetica, relativi ad assorbimento, distribuzione, metabolismo ed eliminazione (ADME) in cui viene coinvolto il farmaco; la farmacocinetica, pertanto, studia gli effetti dell’organismo sul farmaco, i processi che condizionano il raggiungimento ed il mantenimento di un’adeguata concentrazione dei farmaci nei vari compartimenti.
Inoltre, si valutano i possibili effetti a carico di altri organi e altre funzioni dell’organismo, i cosiddetti effetti collaterali: capita spesso infatti che un dato principio attivo agisca su più organi, a volte in modi diversi e inaspettati.
In questo stadio è possibile apportare gli ultimi ritocchi alla molecola del principio attivo, sia in termini di composizione chimica che di processo di produzione al fine di migliorarne le caratteristiche e il profilo.   Solitamente, a causa di sfavorevoli aspetti farmacocinetici, il 70% delle molecole sottoposte a tale fase viene eliminato.

Fase 2.  - In questo step la sperimentazione è rivolta al paziente affetto dalla patologia nei confronti della quale il farmaco è stato ideato; si passa quindi a determinare l’efficacia terapeutica cercando di individuare la dose in grado di dare l’effetto terapeutico nell’uomo.   In genere la scrematura che si riscontra a questo livello è decisamente minore, pari circa al 30%.   In alcuni selezionati centri ospedalieri dotati di comitati etici di controllo, che devono autorizzare sia il protocollo generale di sperimentazione che ogni singolo passo della sperimentazione stessa, si realizza una serie di studi sul campo, che comprendono sia un ulteriore affinamento dell’analisi sulla tossicità e sugli effetti collaterali, sia studi che permettono di determinare in maniera più approfondita l’efficacia del farmaco usando come riferimento un placebo, il quale rappresenta una specie di “zero farmaceutico”.   Le modalità secondo cui possono essere condotti tali studi sono, di solito, “in cieco” o in “doppio cieco” e sono mirate a valutare l’effetto del farmaco eliminando tutte le influenze psicologiche soggettive che possano alterare la risposta farmacologica.   In entrambi i casi si hanno a disposizione due formulazioni identiche nell’aspetto e nella composizione, una contenente il principio attivo, l’altra, corrispondente al placebo, priva.   Nel caso dello studio “in cieco” il paziente non sa se ciò che sta assumendo corrisponda alla formulazione contenente il principio attivo o al placebo, mentre il medico ne è al corrente, nel secondo caso, invece, il “doppio cieco”, né medico né paziente sanno cosa quest’ultimo abbia assunto; lo scopo di tale metodo è quello di evitare che i risultati della ricerca vengano influenzati a priori non solo dal condizionamento del paziente ma da quello dello stesso medico che sta effettuando la ricerca.

Fase 3. – La sperimentazione continua allargando il numero di centri coinvolti con l’obiettivo di confermare l’efficacia, affinare i dosaggi e la formulazione scelta, ma soprattutto di valutare la sicurezza a lungo termine e la variabilità individuale, cioè il problema delle possibili diverse reazioni su pazienti diversi. Si studiano a questo livello anche gli effetti collaterali a incidenza relativamente bassa, poiché il numero dei pazienti coinvolti è decisamente maggiore, anche fino a 3000.   Anche se non sempre viene richiesto, è consuetudine ottenere almeno due trials, ovvero due studi in fase III con successo, a dimostrare la efficacia e la sicurezza del farmaco, per ottenere l’approvazione dalle appropriate agenzie regolatorie (FDA (USA), TGA (Australia), EMEA (European Union), etc.). Esse sottoporranno a revisione il documento ed sosterranno l’approvazione per l’immissione in commercio.

Terminata questa fase di sperimentazione si fa domanda di registrazione presso il Ministero della Sanità, per ottenere l’Autorizzazione all’Immissione in Commercio della nuova specialità farmaceutica (AIC).
Infatti, durante le prime fasi della sperimentazione clinica (fase III compresa), il farmaco non è ancora in vendita ma può essere usato soltanto negli ospedali e soltanto sui pazienti che partecipano allo studio.   Questa autorizzazione deve essere richiesta all’EMA, European Medicines Agency, o all’AIFA, Agenzia Italiana del Farmaco.   La procedura per l’AIC presso l’EMA è detta centralizzata e permette di vendere il prodotto medicinale in tutta l’area economica europea.   In alternativa il produttore può avviare una procedura di autorizzazione nazionale o decentralizzata: in questo caso, la valutazione avviene a livello nazionale (in Italia presso l’AIFA) e il produttore può chiedere, contemporaneamente o in seguito, il mutuo riconoscimento dell’approvazione dell’AIC da parte di altri Stati membro per poter vendere il farmaco anche in queste nazioni.
Entrambe le procedure sono costituite da più fasi di valutazione e possono durare, al massimo 210 giorni, al termine dei quali la richiesta può essere accolta o respinta.
L’AIC vale per 5 anni, ad eccezione delle autorizzazioni subordinate a condizioni; al termine dei 5 anni può essere rinnovata dietro richiesta del titolare.   In seguito al rinnovo dell’AIC in base alla rivalutazione del rapporto rischio/beneficio del prodotto da parte dell’EMA e del comitato, essa ha una durata illimitata nel tempo.
Qualsiasi AIC di un medicinale decade se non è seguita dall’effettiva commercializzazione sul territorio entro 3 anni dal rilascio.   Allo stesso modo, quando un prodotto precedentemente commercializzato nella comunità non è più effettivamente presente sul mercato per 3 anni consecutivi, l’autorizzazione cessa di essere valida.
Anche dopo la commercializzazione il nuovo farmaco viene tenuto sotto controllo per rilevare effetti collaterali e/o problemi eventualmente sfuggiti ai test clinici precedenti, poiché si manifestano molto raramente o a lungo/lunghissimo termine, o solo in condizioni particolari.
Questo monitoraggio è effettuato dall’attività di farmacovigilanza, introdotta nel 1970 in Francia da un gruppo di tossicologi, ed accettata a livello mondiale negli anni ottanta. L’obiettivo soprattutto è quello di rilevare eventuali condizioni avverse al farmaco (ADR) per determinare se il suo utilizzo su grande scala possa evidenziare ulteriori aspetti importanti.   A questo scopo sono importantissime le segnalazioni di medici che riscontrano nei pazienti effetti avversi sconosciuti e ne mettono a conoscenza gli organi di competenza.
Dal 2002 il Ministero della Salute ha regolamentato gli studi condotti dopo la commercializzazione del farmaco costituendo nuove entità denominate Studi Osservazionali.   Si tratta di studi nei quali i farmaci vengono utilizzati secondo consuetudine ed acquistati dai Centri che partecipano alla sperimentazione e dove vengono registrati alcuni parametri di particolare interesse per valutare meglio la tollerabilità, e in alcuni casi l’efficacia, del farmaco su grandi numeri di pazienti.

E adesso? L’autorizzazione a procedere rappresenta un traguardo importantissimo per un’azienda che abbia investito milioni di risorse, in termini economici e non solo.   Basti pensare che i costi di una casa farmaceutica per effettuare i trials in fase III e fase IV vengono sostenuti per diversi anni e includono voci come costi di produzione del farmaco in fase di studio, salari di progettisti e amministratori, pagamenti alle organizzazioni di ricerca con cui si è effettuato un contratto, pagamento ai pazienti arruolati nel trial e tanto altro ancora.   Non stupisce che la decisione di intraprendere un iter così dispendioso in termini di tempo e denaro debba essere basata su congetture alquanto ponderate.   Proprio per questa ragione negli ultimi anni le industrie tendono a investire maggiormente nello studio di nuove formulazioni farmaceutiche per principi attivi già presenti sul mercato e collaudati dal punto di vista dell’efficacia e della sicurezza per il paziente; ciò comporta, ovviamente, un notevole risparmio e la possibilità di mantenere costante la proposta di “nuovi” prodotti sul mercato.   Accade spesso che un principio attivo possa essere disponibile in più “forme”: se pensiamo alla stessa Aspirina®, il cui principio attivo, l’acido acetilsalicilico è disponibile in svariate modalità, dalla compressa effervescente ai granuli da sciogliere in bocca, o ad alcuni antidolorifici, presenti sottoforma di compressa, pomata o soluzione iniettabile ci rendiamo conto di come siano numerose le soluzioni da proporre.   Cambiare la composizione a livello degli eccipienti, proporre una via di somministrazione o una modalità di applicazione di un farmaco diverse comporta sicuamente tempi molto più brevi e costi molto più contenuti.

LA PRODUZIONE INDUSTRIALE E IL CONTROLLO DI QUALITA’

Una fase non meno importante è costituita dalla produzione a livello industriale dei nuovi futuri farmaci.   Oltre ad individuare la formulazione adatta, una volta decisa la via di somministrazione, è necessario mettere a punto, ottimizzare il processo di produzione: sintetizzare tonnellate piuttosto che grammi di principio attivo non è la stessa cosa!

La procedura che permette di passare dalla produzione nell’ordine di milligrammi o grammi a kilogrammi o tonnellate è chiamata scale-up: si tratta di una fase estremamente importante a livello industriale e i chimici ogni giorno si scontrano con le difficoltà che essa presenta.   Il nodo della questione è rappresentato dalla necessità di ottimizzare tutti i parametri coinvolti nel processo di sintesi del principio attivo (temperatura, tipo di solvente, reagenti, tempi di reazione, formazione di sottoprodotti e loro eventuale allontanamento, ecc) in modo da avere una buona resa e, soprattutto, una buona riproducibilità del processo; trattandosi di operazioni spesso eseguite in automatico, è necessario che ogni singolo step sia esattamente controllato e validato.   La messa a punto di tutti i parametri e della procedura da utilizzare è condotta a partire da milligrammi fino ad arrivare gradualmente a quantità maggiori, controllando come le condizioni di reazione variano al crescere delle quantità.   Al contrario di quanto si può pensare, non basta mescolare il tutto in una pentola più grande!   Ad un aumento delle quantità spesso corrispondono variazioni anche consistenti nelle condizioni di reazione, con la possibilità, che si abbiano tempi più lunghi per avere la formazione del prodotto desiderato o che si possano formare sottoprodotti non visibili nella reazione condotta “in piccolo”.   Proprio a questo scopo, un eccellente processo di sintesi richiede anche un eccellente analisi ed un adeguato controllo di qualità, fondamentale per capire cosa avviene durante una reazione, durante la lavorazione e la purificazione e, una volta ottenuto il prodotto isolato, quale sia effettivamente il suo grado di purezza; in questo modo è possibile arrivare ad ottenere percentuali di purezza fino a quasi 100%, garantendo una qualità non da poco.   Inutile dire che questo rappresenta ormai un “must” affinchè un’azienda possa essere competitiva sul mercato.   Non solo, l’industria farmaceutica è sottoposta ad una regolamentazione tra le più severe, poiché vi sono numerosissime linee guida da seguire per poter immettere sul mercato un prodotto per la salute; tra queste quelle correntemente utilizzate sono le GMP (Good Manufacturing Practices), definite appunto per fornire un’evidenza documentata garantendo, con un alto grado di sicurezza, che uno specifico processo (o sottoprocesso) sia in grado di rendere in maniera ripetibile un prodotto conforme alle specifiche registrate ed agli standard di qualità predeterminati a priori.   La necessità di svolgere un’accurata analisi di processo e sul prodotto finale deriva anche dal fatto che, come accennato poco fa, in alcuni procedimenti di sintesi, a causa dei reagenti usati, dei solventi o delle condizioni operative, può accadere che oltre al prodotto finale si formino sottoprodotti, o che nonostante il prodotto venga purificato rimangano tracce di solventi o di altre specie che possono talvolta risultare dannose.   Esistono delle direttive ben precise in merito alle quantità di sostanze “contaminanti” tollerate, per evitare reazioni avverse al farmaco.   La garanzia della purezza dei prodotti medicinali ha come caposaldo la determinazione delle impurezze i cui limiti sono imposti dalle farmacopee e dalle linee guida regolatorie.   In questi ultimi anni le autorità regolatorie (EMEA-FDA) hanno posto l’accento soprattutto sul problema della identificazione e del controllo delle impurezze potenzialmente genotossiche; ciò comporta la definizione di una strategia aziendale che copra tutte le fasi dello sviluppo del prodotto modulando nel contempo gli sforzi e l’impiego delle risorse. Le linee guida ad oggi esistenti definiscono in termini di percentuali i limiti massimi di tollerabilità delle impurezze, specificandoli caso per caso in base alla via di somministrazione.

Eccoci al termine, questo era un breve excursus sulla nascita di un farmaco e su tutte le sue vicissitudini; dentro ognuna di queste scatole c’è tutta la lunga e straordinaria storia vista finora.

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Diamo pure per scontato che ciascuno di noi, indipendentemente da chi è, come sta e cosa fa, abbia la reale necessità di ridurre la sua assunzione giornaliera di sodio.   Diamolo pure per scontato nonostante la situazione risulti di fatto ben più complessa e degna di essere considerata caso per caso, onde non vanificare quel fondo di verità pur sempre contenuto in questo genere di informazione in vero un po’ generalista, nella sua finalità di educare la popolazione ad abitudini più corrette.
Quindi ammettiamo pure liberamente, almeno per consentire il proseguimento di questo intervento, che ciascuno di noi dovrebbe fare quanto nelle sue possibilità per introdurre quanto meno sodio possibile nella sua alimentazione quotidiana.

Ecco, partendo da questo assunto, non sarò certo io il primo a richiamare l’attenzione sul fatto che il “vantaggio” ottenuto dall’assunzione quotidiana di acque a ridottissimo contenuto in sodio, qualora di un vantaggio effettivamente si tratti, viene di fatto ampiamente vanificato dalla prima insalata regolarmente condita o dal primo minimo sgarro alimentare al quale anche il più integerrimo seguace di una dieta iposodica rischia qualche volta di lasciarsi andare.
Quello nel quale vorrei brevemente condurvi in questa sede è un semplice calcolo per trasformare questo “vantaggio” (inteso come riduzione nell’apporto di sodio nella dieta) nel suo equivalente di sale.   In altre parole quanto, o meglio “quanto poco” sale, ovvero sodio cloruro, dovremmo introdurre nella nostra dieta per vanificare del tutto quella riduzione di apporto di sodio conseguita con il consumo quotidiano della più iposodica delle acque minerali in bottiglia.

Escludiamo da questa valutazione le acque definite “sodiche” già in etichetta, che contenendo una concentrazione di sodio superiore ai 200 mg/l sono destinate ad un consumo di nicchia in virtù di loro eventuali proprietà peculiari.
Fra le acque minerali in bottiglia disponibili sul mercato ho scelto un’acqua ad elevato contenuto in sodio (che qui chiamerò X, con 113.7 mg/l) ed una con ridottissimo contenuto in sodio (che qui chiamerò Y, con 1,3 mg/l).

A proposito di tutti quegli zeri che alcuni produttori vantano sull’etichette delle loro acque in bottiglia (es. 0,0001% di sodio), essi sono essenzialmente usati per far percepire come più piccolo il valore della concentrazione di sodio: qualunque chimico non si sognerebbe di esprimere la concentrazione di una specie chimica così diluita tramite una percentuale di abbondanza rispetto al solvente, ma sceglierebbe con tutta probabilità di esprimere la stessa concentrazione in termini di milligrammi per litro di soluzione (mg/l), scelta questa fra le più comunemente adottate per esprimere la concentrazione degli ioni in etichetta delle acque in bottiglia, o anche in termini di milligrammi per chilogrammo di prodotto (mg/kg), espressione questa equivalente ad esprimere la concentrazione in parti per milione (ppm), essendo il chilogrammo un’unità di misura esattamente un milione di volte più grande del milligrammo.
Il fattore di conversione per passare da % a mg/l (anche detti ppm) è 10000: percentuale per 10000 per avere lo stesso valore di concentrazione espresso in mg/l; mg/l diviso 10000 per trasformare questi ultimi in %.

Torniamo alle nostre acque X ed Y.  La differenza in sodio fra l’una e l’altra è di 112.4 mg per ogni litro di acqua bevuta.   Immaginando di bere mediamente 2 litri di acqua al giorno possiamo pensare di risparmiare al nostro organismo l’assunzione di 224.8 mg di sodio, con 3 litri il “risparmio” sarebbe di 337.2 mg e se qualcuno di voi mai riuscisse a trangugiare 4 litri di acqua “a ridottissimo contenuto in sodio” in una giornata, il suo guadagno in termini di riduzione dell’apporto in sodio rispetto all’assunzione della stessa quantità dell’acqua X sarebbe di 449.6 mg.

Ma a quanto sale, ovvero a quanto sodio cloruro, corrispondono queste riduzioni espresse in quantità in peso di sodio?

Il sodio cloruro è un sale, ovvero una specie chimica inorganica di tipo ionico, di formula NaCl.  Il suo peso formula è dato dalla sommatoria dei pesi atomici degli atomi che lo compongono, e nel caso specifico 22.989769 (unità di massa atomica) del sodio Na e 25.453 u.m.a. del cloro Cl.
Complessivamente il peso formula (FW) è di 58.442769.

Quanto sodio è contenuto quindi nel cloruro di sodio?
Confesso che non sono poche le persone, anche con una buona preparazione tecnica, che mi pongono ricorrentemente questo tipo di domanda: quanto di un certo elemento, espresso in percentuale, si trova all’interno di una sostanza pura della quale conosco la formula chimica?

Dunque, il primo passo è calcolare il peso formula, e questo lo abbiamo già fatto.   Più genericamente il peso formula lo si ottiene moltiplicando il peso atomico di ciascun atomo che compare nella formula bruta della sostanza per il suo coefficiente stechiometrico, ovvero per il numerino posto in basso a destra di ciascun simbolo atomico nella stessa formula, e sommando i valori ottenuti per ciascun elemento.
La percentuale in peso di un singolo elemento costituente la si ottiene rapportando a 100 l’incidenza del peso dell’elemento in questione rispetto al peso formula della sostanza.

In pratica:

(peso atomico x coeff. stechiometrico) : peso formula = 1 : 100

Volendo calcolare il contenuto in calcio del fosfato di calcio Ca3(PO4)2, per esempio, calcoliamo il peso formula di 310.176724 uma.  Il peso atomico del calcio è di 40.078 uma

(40.078 x 3) : 310.176724 = 1 : 100

Da cui si ottiene Ca 38.76%

Applicando questo semplice calcolo al caso del sodio nel sodio cloruro, si ottiene che la sua incidenza percentuale è del 39.34% in peso.

Per ogni litro di acqua di tipo X sostituito con un litro di acqua di tipo Y eviteremo quindi di deglutire la stessa quantità di sodio contenuta in 285.71 mg, ovvero di 0.28571 g di sale comune.  Per un consumo previsto di 2 litri di acqua al giorno la riduzione di sodio sarà di 0.57143 g; 0.85714 g per un consumo di 3 litri e di 1.1429 g per il consumo di 4 litri di acqua al giorno.
Prendiamo in considerazione la dose più ragionevole, ovvero la quota corrispondente al consumo di 2 litri di acqua giornalieri: 0.57143 g di sodio a cosa possono corrispondere?

In una porzione media di patatine preparata da un noto marchio della ristorazione fast-food la quantità di sale aggiunta è indicata come 0.343 g di sodio cloruro, ovvero al di sopra della riduzione dell’apporto di sodio che otterremmo sostituendo per un’intera giornata il ricorso all’acqua ad alto con quella a bassissimo contenuto di sodio.
E si tenga presente che parliamo di una porzione “piccola” di patatine.  E che abbiamo confrontato due acque che costituiscono casi estremi fra le acque da tavola, una con un contenuto in sodio particolarmente alto, ed un’altra con un contenuto ridottissimo: la maggior parte della acque minerali in bottiglia si collocano naturalmente in una posizione intermedia per quanto riguarda la concentrazione di sodio.

Altro esempio, ancora più eclatante perché riguarda un alimento solitamente associato alle buone abitudini alimentari alle quali tutti vorremmo allinearci: quello del consumo di una buona insalata di verdura al giorno.  Una bustina monodose, come quelle messe a disposizione in bar e mense, contiene solitamente 1 g di sale (vedasi l’esempio di questo importante produttore nazionale SAI (Sali Alimentari e Indusriali).  Con una di queste bustine si condisce solitamente un’insalata per una sola persona.   In questo caso con una sola insalata condita con l’intera bustina monodose si vanificherebbe l’effetto di riduzione di sodio apportato con l’assunzione di acqua iposodica per più di 3 giorni.

Dietro a tutto questo resterebbe da chiarire se il sodio sia effettivamente quel nemico senza appello che molto marketing di prodotto vorrebbe lasciarci intendere.
In effetti esso è presente pressoché in tutti i prodotti alimentari, sia “pensati e fabbricati” dall’uomo che, come di suol dire, con un’espressione che personalmente non amo molto, “di origine naturale”: come per moltissimi altri parametri chimico-composizionali, per chi volesse approfondire la conoscenza della concentrazione indicativa di questo elemento nei più comuni ingredienti alimentari, semilavorati e piatti finiti della nostra cucina vi consiglio gli esaurienti elenchi disponibili sul sito “Valori Nutrizionali Alimenti”.

Oltre che pressoché ubiquitario nei cibi che compongono la nostra dieta, questo elemento risulta non soltanto utile ma a tutti gli effetti assolutamente indispensabile per la vita dell’uomo e praticamente di tutte le specie animali e vegetali.   Esso costituisce il catione inorganico (ione metallico, carico positivamente) più abbondante nel nostro organismo e risulta fondamentale nella regolazione di una quantità incalcolabile di processi chimici e fisici alla base della vita cellulare, ad iniziare dal mantenimento della pressione osmotica ottimale all’interno della cellula (che nel caso di una concentrazione salina insufficiente all’esterno, assorbirebbe per osmosi acqua in quantità eccessiva fino ad esplodere), al mantenimento in forma disciolta (sottoforma forma di sali) di molte molecole biologiche, al supporto catalitico nell’azione di molti enzimi, fino ai complessi meccanismi che regolano la trasmissione di informazioni fra le cellule del sistema nervoso.

La concentrazione di sodio nel sangue, detta sodiemia, è importante un parametro da tenere sotto controllo: per essa è definito un range ottimale da 135 a 145 mEq/l.

Questa degli equivalenti, o come in questo caso dei milliequivalenti per litro (mEq/l) è un altro modo per esprimere la concentrazione di una specie chimica, particolarmente utilizzato quando si tratta di uno ione o di una sostanza facilmente dissociabile in ioni, come ad esempio un acido, un sale o un idrossido.   Un singolo equivalente di uno ione corrisponde al peso atomico (o al peso formula nel caso di uno ione formato da più atomi), diviso la sua carica.   Nel caso del catione sodio (Na⁺), si tratta ovviamente di uno ione formato da un solo atomo, il sodio appunto, avente una sola carica, e pertanto il peso equivalente corrisponde numericamente al peso atomico, ovvero 22.989769.   1 mEq/l corrisponde quindi ad un millesimo di equivalente per litro, ovvero 0.02298… g/l (ho spostato la virgola di tre posti a sinistra), o anche a 22.98… mg/l, ed il range ottimale per la concentrazione di sodio nel sangue diventa pertanto compresa fra 3.10 g/l e 3.33 g/l circa.
Quindi al di sotto dei 3.10 g/l la concentrazione ematica del sodio è ritenuta inferiore all’ottimale, tanto da condurre, nei casi più estremi, una sindrome detta iponatriemia (dal termine latino Natrium, per sodio, da cui il simbolo dell’elemento Na), i cui sintomi sono descritti sul sito ufficiale degli studenti di medicina dell’Università di Napoli, “Sunhope”, come anche sulla pagina di Wikipedia dedicata alla descrizione del parametro della sodiemia.

Nel caso in cui risulti necessario integrare sali minerali, ad esempio in seguito ad un’intensa sudorazione conseguente ad attività sportiva, gli integratori salini utilizzati (come ad esempio le note bevande isotoniche ed ipertoniche per uso sportivo) devono necessariamente contenere, insieme al potassio, al cloruro ed al magnesio, anche concentrazioni sufficienti di sodio.
La stessa “soluzione fisiologica” spesso somministrata sotto forma di flebo iniettabili ai degenti ospedalieri per i quali l’idratazione spontanea risulta difficoltosa o sconsigliata per altre ragioni, è costituita essenzialmente da una soluzione acquosa allo 0.9 % circa (ovvero 9000 mg/l) di sodio cloruro.

L’assunto dal quale solitamente si parte quando si raccomanda, spesso con un eccessivo livello di generalizzazione, di ridurre l’assunzione di sodio con la dieta è quello in virtù del quale, per lo più inconsapevolmente, la maggior parte di noi assume già delle grandi quantità di questo elemento, sufficienti e spesso sovrabbondanti rispetto al fabbisogno quotidiano, specie nell’ambito dei regimi alimentari tipici dei paesi più ricchi e di una vita mediamente sedentaria.   Una trattazione approfondita relativa a queste complesse problematiche, con indicazione anche del fabbisogno minimo e delle conseguenze di apporti eccessivi nell’assunzione quotidiana di sodio, con una doverosa citazione delle fonti informative, è consultabile sul sito “TuttoSullaNutrizione”.

Quindi pensiamoci sopra un momento in più prima di lanciarci entusiasticamente in campagne a favore dell’utilizzo esclusivo di acqua in bottiglia a ridottissimo contenuto di sodio, spesso più costose di quelle a concentrazione di sodio anche solo leggermente più elevata.
D’altra parte qualcuno potrebbe fare notare che bere un’acqua al posto di un’altra, al di là di un’eventuale differenza di costo, non ci procura molta fatica o dispiacere, sicuramente meno “dolore” del rinunciare alle nostre amate patatine fritte (e salatissime) o ad una bella e sana insalata condita con olio, aceto e sale.   Siamo dunque sul campo delle scelte e delle priorità personali: un terreno sacrosanto di argomentazione, ma attenzione però a non voler necessariamente giustificare queste scelte in funzione di evidenze scientifiche, o per meglio dire a intendere come evidenze scientifiche quanto evidenziato dal marketing delle aziende produttrici di queste acque minerali in bottiglia.  I dati diffusi sono corretti in sé stessi: non sto dicendo che la concentrazione di sodio nelle diverse acque sia diversa da quella dichiarata.   Sbagliato è invece il messaggio indiretto, quello “lasciato intendere” fra le righe, che la scelta di un tipo di acqua al posto di un’altra possa incidere significativamente sulla quantità di sodio assunta complessivamente nell’ambito dei regimi alimentari più diffusi, e secondariamente che la riduzione dell’assunzione di sodio sia necessariamente un obiettivo da perseguire da parte di tutti.

Da questo punto di vista, ed esclusivamente sotto il profilo della gratificazione, potrebbe iniziare forse ad avere senso scegliere di bere per una settimana acqua a ridotto contenuto di sodio per poterci poi permettere nel weekend una bella confezione di patatine fritte regolarmente salate.
La nostra sodiemia andrebbe incontro ad un presumibile sbalzo di punta, ma l’ottima capacità escretoria renale di questo catione ci cautelerà certamente dal suo accumulo nell’organismo.
Una scelta probabilmente poco educativa, ma “stechiometricamente” ragionevole.

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Stiamo ovviamente parlando del sudore, ovvero di quel liquido escreto a livello cutaneo da circa 3 milioni di minuscole ghiandole sudoripare disperse su un po’ tutta la nostra superficie corporea e che danno ragione di un volume giornaliero di liquido prodotto che varia da mezzo litro a quasi dieci litri in ragione dell’attività fisica che realizziamo, del clima e di caratteristice genetiche e personali. Lo so, anch’io sono rimasto esterrefatto quando ho appreso di questi volumi in quanto mi sarei aspettato dei numeri decisamente inferiori: per quale ragione allora i nostri vestiti e la nostra pelle non restano costantemente inzuppati? La ragione stessa ragione per la quale che giustifica la produzione stessa del sudore: perché evapora.

Se consideriamo l’estensione della superficie corporea (anch’essa al di sopra delle aspettative: vedere calcolo in appendice all’articolo), immaginiamo (anche se non è esattamente così) di distribuire su di essa in modo uniforme e nell’arco dell 24 ore questo volume di liquido e facciamo qualche calcolo, ci accorgiamo che il sudore stesso evapora per lo più in modo istantaneo non appena viene prodotto, in modo sicuramente più rapido di quando laviamo il pavimento di una stanza con qualche litro di acqua. Abbiamo infatti la percezione di essere sudati solo nei momenti, di solito minoritari nell’arco della giornata, nei quali la velocità di produzione di sudore supera quella di evaporazione.

A differenza dell’ebollizione, l’evaporazione è un fenomeno di vaporizzazione che coinvolge solo la superficie del liquido, ovvero il suo strato di contatto (o interfaccia) con l’atmosfera. Pur realizzandosi ad una temperatura anche di molto inferiore rispetto a quella di ebollizione per quella data pressione (ad esempio i classici 100°C per l’acqua alla pressione di 1 atmosfera, ovvero al livello del mare), ad esempio alla temperatura ambientale, l’evaporazione è un fenomeno in generale più lento e che dipende nella sua velocità relativa da una moltitudine di fattori differenti quali la concentrazione della stessa sostanza nello strato aeriforme soprastante (tadotto nel caso del sudore: dall’umidità dell’aria), ovviamente dalla temperatura, dal trasferimento di massa interno al liquido (mescolamento) ed all’interno dello strato aeriforme soprastante (vento o comunque movimento dell’aria), ed infine dall’estensione dell’interfaccia liquido-atmosfera. La condizione migliore per garantire una veloce evaporazione per un dato liquido, come è facile immaginare a questo punto, quella di trovarsi con un liquido distribuito in uno strato sottile, continuamente rimestato, a temperatura elevata, sotto un’atmosfera “secca” (a bassa concentrazione di quella specifica molecola allo stato di vapore) ed anch’essa in movimento.
Consideriamo la questione relativa all’estensione della superficie di interfaccia. Basti bensare a quanto tempo può impiegare, alla stessa temperatura e nella stessa stanza, un litro d’aqua ad evaporare da una bottiglia stappata (magari dopo due settimane il livello sarà sceso di soli pochi centimetri) rispetto alla velocità che la stessa operazione potrebbe avere se lo stesso litro d’acqua lo avessimo introdotto in una bacinella larga e bassa, o addirittura ai pochi minuti che avrebbe impiegato per evaporare se lo avessimo distribuito su tutto il pavimento della stanza. Il caso del sudore sulla nostra superficie corporea corrisponde molto da vicino a quest’ultima casistica, con la variante rappresentata dal fatto che il sudore non arriva sulla nostra pelle tutto insieme come l’acqua del risciacquo ma viene prodotto (e quindi evaporato) in modo piuttosto distribuito nell’arco della giornata.
Questione concentrazione di sostanza nello strato aeriforme sovrastante il liquido: è noto a tutti che quando il clima è molto umido a parità di temperatura ambientale, ad esempio nelle giornate estive di afa, sudiamo di più. In realtà la situazione è leggermente diversa: non è la produzione di sudore ad essere incrementata, tantomeno come qualcuno ipotizza “l’umidità che ci si appiccica addosso”, bensì è la velocità di evaporazione del nostro sudore ad essere limitata e pertanto questo sudore si accumula sotto forma di strato liquido sulla nostra pelle e sui nostri vestiti.
Infine il movimento dell’aria, ovvero il vento, quello naturale o indotto dalla presenza di un ventilatore in una stanza: il movimento dell’aria consente il contuo ricambio degli strati di aria immediatamente a contatto con la pelle e quindi con l’interfaccia del sudore liquido, con strati nuovi di aria a concentrazione più bassa di umidità, favorendo l’evaporazione del sudore.
Ed il refrigerio che in tutto questo proviamo è la ragione stessa, non l’unica ma sicuramente una di quelle principali, per la quale l’evoluzione ha favorito nella classe animale dei mammiferi la capacità di sudare in quanto prerogativa generalmente vantaggiosa, ovviamente con tutti gli opportuni distinguo specifici del caso.

L’evaporazione di un liquido richiede chiaramente calore. Il liquido evaporando sottrae questo calore dal sistema, ad esempio dal corpo sulla cui superficie è distribuito, e lo restituisce alle particelle a questo punto aeriformi della sostanza evaporata sotto forma di energia cinetica. La superficie di evaporazione, e in ragione della sua cnduttività termica anche il corpo sottostante, impoveriti di energia termica vedono di conseguenza ridursi la loro temperatura: in pratica si raffreddano. A parità di temperatura del corpo e dell’ambiente circostante, se favoriamo in qualche modo l’evaporazione del film di liquido presente sul corpo (es. il sudore), ad esempio tramite la ventilazione dell’ambiente, favoriremo anche l’abbassamento della temperatura del corpo.

Come anticipato poc’anzi non è facile trovare una descrizione fisica precisa, ovvero un’equazione perfettamente definita, per descrivere e magari anche prevedere il fenomeno dell’evaporazione. Un’equazione a carattere generale, e proprio per questo sempre piuttosto approssimata nei casi concreti, è quella che deriva di derivazione daltoniana:

• D = diffusività del vapore d’acqua
• δ = spessore dello strato limite di liquido
• ρs = densità vapore d’acqua su superficie evaporante
• ρr = densità vapore d’acqua su interfaccia strato limite-atmosfera
• λ = calore latente di vaporizzazione

Anche senza scendere troppo nei particolari della formula, si può notare come essa racchiuda una sintesi di un po’ tutti i fattori in gioco descritti finora a parole.

Volendo ricercare delle relazioni che descivano in modo più rispondente specifiche realtà evaporative, uno dei fattori più imprevedibili che entrano in gioco è quello relativo alla resistenza alla diffusione del liquido legato alla natura chimico-fisica o semplicemente morfologica della superficie sulla quale esso è distribuito. Ad esempio per valutare l’evaporazione di acqua dalle piante si utilizza spesso la seguente equazione, sicuramente più complessa sia dal punto di vista matematico che concettuale:

• ψs = tensione di vapore su superficie evaporante
• ψr = tensione di vapore su interfaccia strato limite atmosfera
• Ra = resistenza alla diffusione
• Rt = resistenza aggiuntiva, tenendo in considerazione che l’acqua non è direttamente a contatto con l’atmosfera ma si trova all’interno di tessuti vegetali

Ra, Rt ed eventuali altri fattori moltiplicativi, per quanto determinanti, sono comunque specifici del modello che andiamo a studiare e variano a seconda del fatto che si condieri ad esempio l’evaporazione del contenuto acquoso cellulare in vegetali sottoposti ad essiccamento (volendo anche i funghi messi a seccare in cucina), l’evaporazione dell’acqua dagli oceani o magari quella del sudore dalla nostra pelle.
Si sarà notato che in entrambe i casi, più generale e più specifico, compare il coefficiente λ, definito come “calore latente di vaporizzazione”. Esso è in qualche modo il vero cuore della questione e già di per sé potrebbe aiutarci intuitivamente a comprendere la ragione per la quale un liquido può raffreddare la superficie dalla quale evapora. Il calore latente associato ad una trasformazione termodinamica (non solo l’evaporazione, ma anche la fusione, la sublimazione o qualsiasi altra transizione di stato) è definito come la quantità di energia per unità di massa necessaria allo svolgimento di questa trasizione o pasaggio di stato. La sua unità di misura è il J/Kg, ovvero il Joule (unità di misura dell’energia) per chilogrammo di materia trasformata.
Durante una transizione di fase, nel caso specifico durante l’evaporazione, l’energia fornita (nel nostro caso assorbita dal corpo) non va ad incrementare la temperatura del sistema, ovvero né del liquido, né nel corpo solido né dell’atmosfera dove avviene il passaggio a vapore; al contrario, questa energia energia assorbita va ad agire sulla forza dei legami intermolecolari, che nel caso dell’evaporzione vengono “allentati” nel passaggio dalla forma liquida a quella aeriforme della stessa sostanza. Tutto questo è descritto in modo più preciso dalla cosiddetta “teoria cinetica dei gas”.
Trasportato nel caso dell’evaporazione del sudore dalla pelle, questo spiega la ragione per la quale non è tanto il sudore a raffreddarsi (se lo fa è da considerarsi solo come una sorta di effetto indiretto) quanto il corpo sottostante. L’evaporazione del sudore, e quindi a monte anche la sua produzione, come strategia biologica per mantenere la termoregolazione corporea dal momento che, come noto, al di sopra dei 40-41°C, come nei casi degli stati febbrili più gravi e prolungati, iniziano ad avvenire le prime forme di degradazione dei tessuti biologici viventi (es. alcune proteine iniziano a degradarsi già a partire da queste temperature).

In realtà quando parliamo di sudore confondiamo spesso l’esistenza di due tipologie ben distinte di liquidi prodotti, con composizione chimica e funzioni biologiche molto diverse, prodotte da due tipi di ghiandole che in effetti hanno ben poco a che fare l’una con l’altra, salvo per il fatto che espellono entrambe il loro secreto a livello di superficie cutanea, seppur in zone preferenizli del corpo spesso differenti.
Abbiamo da un lato quello che io chiamerei il sudore vero e proprio: una soluzione acquosa molto diluita di sali minerali, contenenti solo poche tracce di molecole differenti quali urea e cresoli (isomeri del metil-fenolo). La concentrazione di questi sali, in gran parte costituiti dagli ioni sodio, potassio e cloruro, è di circa 110 millimoli/litro, quindi inferiore rispetto ai 9 g/l di sodio cloruro di una tipica “soluzione fisiologica”, ed è per questo che è definita ipotonica: di fatto l’organismo non ha il minimo interesse ad espellere sali minerali, rischiando di impoverirsene con gradi conseguenze per la sua fisiologia, non essendo per di più utili per il fenomeno di raffreddamento del corpo per evaporazione del sudore stesso. Questo sudore è escreto da ghiandole a secrezione esterna di tipo eccrino, decisamente la maggioranza della ghiandole sudoripare del nostro corpo, distribuite un po’ ovunque ma soprattutto sulla superficie del palmdo delle mani e dei piedi, delle ascelle ed intorno agli orifizi corporei facciali e ano-genitali.
Questo tipo di liquido, il sudore per antonomasia, è prodotto nella specie umana da bamini ed adulti, maschi e femmine, e non ha di per sé stesso un particolare odore: sali minerali ed urea sono di per sé inodori e gli altri composti organici presenti o sono anch’essi poco odorosi o sono presenti ad una diluizione tale da non incidere significativamente sulle qualità olfattive del nostro corpo.

Chlamydosaurus kingii

Una tipologia molto diversa di secreazione cutanea, tuttavia solitamente assimilata al sudore precedentemente descritto, è invece prodotta da un genere diverso di ghiandole a secrezione esterna, dette ghiandole sudoriparie apocrine. La diversità risiede in primo luogo nella genesi di questa secreazione: a differenza delle mesocrine, le ghiandole apocrine riversano sull’epidermide, attraverso il loro dotto deferente (canalicolo che sfocia solitamente in corrispondenza di un pelo, o di quello che ne rimane) un fluido che consiste essenzialmente nel contenuto citoplasmatico delle cellule ghiandolari.

sezione di derma con annessi

Come dicevamo, la composizione della secreazione delle ghiandole apocrine differisce in modo sostanziale da quella delle eccrine. Già il colore risulta essere diverso, essendo quello delle ghiandole apocrine più tendente al giallino; il contenuto lipidico è maggiore, pur senza attribuire al secreto stesso le qualità di un olio; infine trattandosi in qualche modo di un riversamento in ambiente esterno del contenuto cellulare è normale apettarsi concentrazioni di specie organiche più elevate, ad iniziare dalle proteine, proseguendo per gli acidi organici per terminare con sostanze più specifiche di tipo steoidico.
Più di 200 componenti sono stati finora identificati nel sudore umano. Fra questi particolarmente “critici” risultano essere alcune specie chimiche classificate come acidi carbossilici (quindi di natura organica), alifatici ramificati e a catena medio-corta. Una caratteristica di rilievo che accomuna solitamente le molecole che corrispondono a questa descrizione è quella di presentare un odore molto intenso e decisamente non gradevole.
Le strutture molecolari dei principali acidi carbossilici con caratteristiche maleodoranti rinvenibili nel sudore umano (specie inseguito ad attività fermentativa batterica) sono riportate nella seguente figura:

L’acido 3-metil-trans-2-esenoico è stato definito da taluni con il provocatorio appellativo di “ascella in barattolo” ed è stato isolato dall’istituto Monell Chemical Senses di Filadelfia proprio a partire dal sudore ascellare; l’acido 4-etil-ottanoico invece, pur presente nel sudore umano, ricorda di più con il suo odore alcune essenze animali, in particolare l’odore del caprone maschio. L’acido 3-metil-butanoico (detto anche acido isovalerico) ha invece un odore più indefinito, comunque sgradevole, descritto da qualcuno come l’odore tipico che si percepisce negli spogliatoi umidi degli impianti sportivi: viene peraltro riportato il fatto che una parte della popolazione umana, circa il 3%, risulta geneticamente incapace di percepire questo odore.
Questi acidi organici si collocano a metà strada, in termini di peso molecolare, lunghezza della catena e volatilità fra i primi termini della serie degli acidi carbossilici, molto volatili e per certi versi “aggressivi”, ed i composti più pesanti che sono rappresentati dagli acidi grassi, di natura oleosa o cerosa, pochissimo volatili e comunque inodori. La serie degli acidi carbossilici a corta inizia con il formico contenente un solo atomo di carbonio (odore ed effetto urticante delle formiche rosse e dell’ortica, che contengono entrambe questo acido), a cui segue l’acido acetico a due atomi di carbonio (che da ragione dell’odore caratteristico dell’aceto) e prosegue con gli acidi propionico e butirrico, rispettivamente C3 e C4, che caratterizzano l’odore di formaggio rancido che talvolta si ritrova in alcuni insilati fermentati di origine foraggiera utilizzati come alimento per il bestiame. Gli stessi acidi propionico e butirrico sono per altro responsabili di una parte sostanziale dell’odore che si può sviluppare in seguito a fermentazione batterica in carenza di ossigeno (quindi in micro-ambienti con poca aerazione) a carico dei componenti organici contenuti nel sudore: è il caso dei piedi stretti in calzature poco traspiranti, fonte come tutti sappiamo di odori non propriamente gradevoli. L’acido butirrico in particolare è spesso il punto di arrivo della fermentazione batterica anaerobica realizzata da batteri dei generi Fusobarterium, Clostridium, Butyrivibrio ed Eubacterium a carico idalmente di glucosio, ma nella pratica anche di metaboliti intermedi facilmente presenti sulla pelle sudata; l’essere umano riesce a perepirne olfattivamente concentrazioni anche molto ridotte, fino al limite di 10 parti per milione, mentre il cane riesce a raggiungere le 10 parti per bilione di soglia olfattiva.

Effettivamente, in aggiunta agli acidi carbossilici ramificati descritti nella tabella precedente, sono numerose le molecole organiche maleodoranti (o ritenute tali dalla nostra cultura) che, pur non essendo contenute direttamente nel sudore, possono essere prodotte a partire dalle molecole organiche in esso conteute in seguito al loro metabolismo da parte dei batteri e lieviti che vivono naturalmente sulla nostra pelle. In questo caso non soltanto le secrezioni ricche di sostanze organiche prodotte dalle ghiandole apocrine, ma in una certa misura anche le ridotte concentrazioni di sostanze organiche inizialmente inodori contenute nell’essudato “limpido” delle ghiandole sudoripare eccrine possono giustificare, seppur in modo indiretto, l’insorgere di odori corporei sgradevoli: è il caso dell’odore che insorge quando, a seguito di un’attività sportiva intensa che ha comportato sudorazione con finalità di termoregolazione, non si sia provveduto ad una tempestiva doccia. L’intervento cosmetico preventivo nei confronti di questa situazione fa ricorso ai cosidetti deodoranti, denominazione questa sotto la quale dovrebbero ricadere, almeno secondo la definizione merceologica, prodotti che inibiscano l’attività fermentativa di questi batteri ed eventualmente mascherino l’odore delle molecole volatili eventualmente prodotte mediante profumazioni intense e gradevoli.

Un’azione del tutto differente è invece svolta dai cosiddetti antitraspiranti, prodotti questi in grado di ostacolare “a monte” il riversamento di sudore sull’epidermide a partire dalle ghiandole sudoripare (N.B. la seguente descrizione non costituisce esaltazione o giustificazione etica o medica per l’impiego di tali prodotti antitraspiranti).
Uno dei modi più frequenti per arrivare a questo risulato è quello semplicemente di occludere i canalicoli con i quali le ghiandole sudoripare, eccrine ed apocrine, riversano il loro contenuto sull’epidermide, attraverso la formazione di un gel insolubile, nel più dei caso formato da idrossido di alluminio. Nei deodoranti ad azione antitraspirante, oserei dire la maggioranza di quelli in formato spray venduti in Italia dei quali mi sia capitato finora di leggere l’elenco dei componenti, contiene derivati salini dell’alluminio quali il cloruro, il cloridrato o il cloridrato misto di alluminio e zirconio.
Un po’ tutti questi composti dell’alluminio, a partire proprio dal tradizionale cloruro, mostrano caratteristiche acide (l’alluminio in sé è un elemento anfotero) ed astringenti: una loro prima azione si può quindi manifestare tramite il restringimento del dotto deferente delle ghandole sudoripare, ovvero del canalicolo con il quale queste scaricano il sudore sull’epidermide. Il seconda battuta le molecole riconosciute come astringenti, al pari dei prodotti utilizzati per la concia delle pelli, provocano una denaturazione delle proteine, specie di quelle solubili, con la conseguenza di favorire l’occlusione degli stessi canalicoli. Un’azione più “sottile” esplicata da questi sali di alluminio è quella di alterare il potenziale elettrico lungo il dotto sudorifero che alla sua imboccatura ha solitamente un potenziale negativo, tramite l’introduzione di una catione come quello dell’alluminio avente ben tre cariche positive. In aggiunta a tutto questo il pH acido di questi composti dell’alluminio contribuisce ad una generale azione batteriostatica.
Un ultimo effetto di questi composti dell’alluminio deriva dal fatto che essi almeno in parte si idrolizzano in ambiente acquoso, specie se in condizioni di scarsa acidità, formando idrossido di alluminio. Quest’ultimo, già di per sé di struttura gelatinosa, fa incontro a reazioni di disidratazione con la perdita di molecole di acqua fra i gruppi ossidrilici –OH di molecole fra loro vicine, con la formazione di un reticolo di atomi di alluminio tenuti insieme da ponti ossigeno ed in parte ancora dotati di gruppi –OH residui ai quali si legano per legami idrogeno molecole d’acqua che contribuiscono a mantenere la struttura in forma di gel. Oltre a contribuire all’occlusione degli stessi canali sudoriferi, tale gel svolge un’azione legante, quasi sequestrante nei confronti dell’acqua libera, che ha come conseguenza la riduzione dell’umidità effettivamente disponibile per l’attività biologica del batteri, compresi quelli responsabili della formazione delle sostanze maleodoranti già descritte. Anche altri ingredienti cosmetici inorganici, usati soprattutto nei prodotti in polvere, agiscono in questo senso: fra di essi i casi più conosciuti sono quello del talco (fillosilicato di magnesio) e della silice (silicio diossido).

Significativo è il fatto che i deodoranti veri e propri sono classificati dall’americana Food and Drug Amministration (FDA) come cosmetici, mentre gli antitraspiranti sono considerati alla stregua di mediciali, anche se questa classificazione non sembra per il momento rispecchiare differenti modalità di commercializzazione o di pubblicizzazione di queste due linee di prodotti almeno in Italia.

esempio strutturale di clatrato

Infine una nota che sicuramente molti lettori stavano attendendo: i feromoni (o ferormoni: entrambe le diciture risultano corrette) contenuti nel sudore.
Già, perché se la natura ha provveduto già da sola a dotarci di attrattivi naturali dei più potenti, anche perché in grado di comunicare a livello pressoché subliminale, e non solo nelle dinamiche dell’attrazione sessuale, noi abbiamo pensato bene di rimuoverne dalla nostra epidermide possibilmente fino all’ultima traccia rilevabile, per poi investire tempo e denaro per ricoprirci di nuovi profumi, spesso sempre con finalità attrattive, soltanto meno efficaci.
Molecole di riconosciuto potenziale feromonale umano, tutte accomunate da uno scheletro steroidico, sono state rinvenute nel secreto delle ghiandole apocrine, che guarda caso iniziano a secernere il loro prodotto solo a partire dalla pubertà, in particolare in quelle ascellari. Nella figura seguente sono riportate tre delle molecole più note alle quali viene attribuito un possibile effetto ferormonale attrattivo di tipo sessuale:

Di per sé stesse queste molecole, in verità non poi così volatili come i requisiti di un “buon feromone” vorrebbero, risultano inodori o addirittura maleodoranti: l’androstenolo ricorda da vicino l’odore di urina stantia di un vespasiano (second altri il suo odore ricorda quello del muscio) e costituisce un chiaro richiamo sessuale per il maiale. L’androstenone è presente sia nel sudore che nelle urine dei mammiferi sia femmine che maschi, compreso l’uomo: una scoperta per certi versi sorprendente è che la tipologia di odore al quale esso è associato dipende da alcune specificità genetiche del soggetto al quale esso è sottoposto, che si riflettono in un polimorfismo del gene che codifica il recettore olfattivo specifico per questa molecola: alcuni soggetti infatti riconoscono in esso un odore piacevole di vaniglia, altri un odore simile a quello di urina di stalla, altri ancora di legno. Anche la soglia percettiva varia di diversi odini di grandezza di soggetto in soggetto, a dimostrazione del fatto che, pur ammettendo le proprietà feromonali di queste molecole, gli effetti delle stesse possono variare anche in modo radicale di persona in persona.
Ritengo possibile che considerazioni analoghe possano essere estese anche agli altri potenizlai ferormoni umani di natura steroidea.
L’androstanedione è spesso utilizzato come additivo funzionale per profumi maschili e, ultimamente, nella formulazione di deodoranti che, come una perfetta chiusura del paradigma dell’odore corporeo, vantano nei confronti del consumatore la promessa contribuire all’accrescimento del suo personale sex appeal.

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