perchè mangiamo? Le ragioni dell’alimentazione, dal punto di vista del chimico

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.
esempio di alimentazione in un organismo eterotrofoRestringendo 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

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.

alcune vitamine per l'uomo
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.

gioco da spiaggia funzionante a caduta d'acqua o di sabbia asciutta, basato su mulinelli e piani basculantiRicordo 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.

autotrofi ed eterotrofi - principali scambi di materia ed energiaIl 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.
doppio strato fosfolipidico nella membrana cellulare - un esempio di disposizione molto organizzata di molecole nello spazioIn 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

Josiah Willard Gibbs - USA, 1839-1903Nella 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.reazioni biochimiche sfavorite, diventano possibili se accoppiate ad idrolisi 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 ATP - la colorazione indica le tre classi chimiche contenute nella molecolaper 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.

i 20 aminoacidi proteiciE’ 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.

tipologie lipidi biosintetizzate da acetil-CoAUn 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 giacintiancora 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.

 

2 risposte a perchè mangiamo? Le ragioni dell’alimentazione, dal punto di vista del chimico

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Sostieni la divulgazione della Chimica
Il tuo libero contributo sarà interamente devoluto alle attività di divulgazione della Chimica.
CONDIVIDI QUESTO ARTICOLO
RICHIEDI LA NEWSLETTER
Una mail settimanale con gli aggiornamenti delle pubblicazioni, le attività dell'Associazione e le novità del mondo della divulgazione chimica
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU FACEBOOK
segui chimicare anche su facebook
gli ultimi articoli inseriti
ARCHIVI ARTICOLI chimiSPIEGA PER MESE
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU TWITTER
Non solo gli aggiornamenti degli articoli pubblicati sui nostri blog e le novità del Carnevale della Chimica, ma anche le segnalazioni dei migliori interventi di divulgazione chimica in lingua italiana nel web.
ABBONATI AI FEED DI CHIMISPIEGA
Vota questo articolo..
http://www.wikio.it