Ultimamente mi è capitato abbastanza spesso di entrare in negozi di giocattoli e con mia grande meraviglia ho scoperto diverse cose: ho realizzato che sono entrata in una nuova fase della mia vita che inevitabilmente mi sorprende anche a frequentare negozi di giocattoli; ho scoperto che attualmente ci sono davvero tantissimi giocattoli un po’ per tutti i gusti e per le diverse inclinazioni dei bimbi e che io ne conosco davvero pochi   …eppure qualcuno resiste di generazione in generazione!!!   Per esempio le costruzioni hanno sempre il loro fascino così come anche i puzzle che spesso hanno segnato la nostra infanzia e ci hanno visti passare da quelli con pochissimi e grandissimi pezzi, a quelli con tanti pezzi, magari in bianco e nero e con difficoltà sempre maggiori.
Vi starete forse chiedendo come mai in un articolo che dovrebbe parlare di chimica si parla di giochi, costruzioni e puzzle…  il mistero si svelerà presto.

Quando vediamo un qualsiasi oggetto difficilmente ci chiediamo come è stato realizzato oppure quello a cui siamo interessati in genere sono solo le ultime fasi di costruzione di quell’oggetto: l’assemblaggio dei vari componenti o l’attribuzione di una forma precisa; raramente la nostra immaginazione si avventura nel microscopico per chiedersi come è stata preparata la molecola che conferisce particolari proprietà al nostro oggetto.   Per fare un esempio concreto nel prendere una pillola ci capita di chiederci come hanno fatto ad imprimere una certa forma, come avviene l’inserimento delle pillole nei blister, ma raramente ci chiediamo come è stato preparato il principio attivo di quel farmaco.   I “chimici di sintesi” hanno il compito di preparare le molecole di cui hanno bisogno; preparano principi attivi di farmaci, nuovi materiali che poi ritroviamo impiegati nei campi più disparati dall’abbigliamento, alle automobili, all’arredamento.   Il lavoro del chimico di sintesi è un po’ simile ai giochi fatti con le costruzioni: nella confezioni troviamo dei mattoncini, che poi dobbiamo sistemare e concatenare in modo tale da ottenere un oggetto.   Nel nostro caso i mattoncini sono i reattivi commerciali e attraverso delle reazioni il chimico cerca di concatenarli e farli reagire nel modo giusto per ottenere una certa molecola.

Il primo passo è naturalmente decidere cosa voler costruire, quindi elaborare un progetto in cui evidenziare quali potrebbero essere i passaggi più complicati e quando i problemi, almeno quelli su carta, sono risolti si arriva al momento operativo; il momento in cui il chimico si mette al lavoro in laboratorio, sotto cappa, per preparare la sua molecola.    Si tratta indubbiamente di un lavoro fantasioso, nel senso che spesso la strategia possibile per preparare una molecola non è solo una, quindi diversi chimici posso scegliere percorsi diversi e arrivare magari allo stesso risultato, ma con tempi o costi diversi; ci sono tantissimi parametri da dover considerare come quello della realizzazione di certe condizioni operative nel proprio laboratorio, il tempo necessario e i costi associati ad una certa preparazione.   Accanto alla fantasia e all’estro è sicuramente indispensabile una conoscenza approfondita delle reazioni che costituiscono le regole del gioco!   Ritornando ai nostri giocattoli anche i puzzle ci aiutano a comprendere meglio: sulla scatola in genere è ben rappresentata l’immagine completa del nostro puzzle, all’interno troviamo tutti i pezzi; per non impazzire e provare uno per uno tutti i pezzi in ogni possibile posizione occorre elaborare una strategia operativa: possiamo costruire prima il perimetro del puzzle e poi pensare di riempirlo, oppure possiamo procedere costruendo piccole zone in modo indipendente e poi collegarle alla fine.   La strategia scelta dipenderà in parte dalle diverse abilità dell’operatore ed in parte dal tipo di puzzle che si intende comporre.
Nel caso si voglia costruire una molecola il discorso è esattamente lo stesso.
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La scelta della strategia dipende dalla molecola finale e dalle competenze (o maggiori esperienze) del chimico.
Osservare con attenzione la struttura della molecola che si vuole preparare è molto importante dal momento che quest’operazione condizionerà notevolmente la scelta della strategia sintetica.   Ci sono molecole in cui c’è uno stesso “motivo” che si ripete un certo numero di volte: in questo caso potrebbe essere utile preparare il “motivo di base” e quindi trovare un modo per legare insieme in sequenza i vari frammenti.   Un altro caso può essere quello in cui nella struttura della molecola che si vuole sintetizzare si riesce ad individuare un blocco centrale con due “braccia”: si può procedere preparando il frammento che costituisce l’unità centrale e successivamente legare ad esso le unità laterali che possono essere tra loro identiche o diverse.   Ci possono essere poi dei casi in cui in commercio è presente una molecola con lo stesso scheletro di quella che vogliamo preparare, ma con diverse funzionalizzazioni; possiamo allora procedere ad una strategia attraverso la quale più che costruire la molecola ne modifichiamo le diverse funzionalizzazioni al fine di ottenere quelle desiderate.
Un ulteriore passo in avanti che possiamo affrontare a questo punto è quello di valutare se nella struttura della molecola che vogliamo preparare ci sono dei centri di simmetria.   L’assenza di elementi di simmetria è ciò che rende la molecola chirale e che in questo caso ci fa passare dalla “semplice” sintesi chimica alla sintesi asimmetrica.
La sintesi asimmetrica, dunque, si occupa in particolare di mettere a punto delle metodologie attraverso le quali si possano preparare molecole chirali.    Se consideriamo due enantioneri, sappiamo che l’unica differenza è che sono l’uno l’immagine speculare dell’altro, quindi l’ordine in cui gli atomi sono legati tra loro è esattamente lo stesso; le reazioni quindi che possono portare al giusto concatenamento degli atomi è lo stesso, ma ad un certo punto bisognerà introdurre la variabile spazio: distinguere cioè i due enantiomeri.
Tantissime molecole “odorose” sono chirali, così come tanti composti biologicamente attivi e così come le molecole che caratterizzano i più moderni materiali; tutto ciò giustifica lo sforzo che i chimici fanno per cercare nuove e alternative strategie per la sintesi asimmetrica.
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Per preparare una molecola asimmetrica possiamo utilizzare un prodotto di partenza commerciale in cui è già presente il “chiral pool” ossia lo scheletro della molecola finale compresa l’organizzazione spaziale.   Questa strategia è in generale quella utilizzata dalla natura per sintetizzare le molecole chirali che la caratterizzano.   In natura sono presenti molecole dalle funzionalità più disparate che, però hanno lo scheletro di base identico; la natura sfrutta delle strategie biosintetiche nelle quali a partire da una molecola semplice, ma già chirale si inseriscono tutte le funzionalità necessarie per diversificare le diverse molecole.   Un esempio a riguardo può essere sicuramente quello del colesterolo che ha una precisa stereochimica ed è il precursore delle cinque classi più importanti degli ormoni stereoidei (glucocorticoidi, mineralcorticoidi, androgeni ed estrogeni).

In generale, il concetto di base intorno al quale si sviluppano le diverse strategie di sintesi asimmetrica è che bisogna rendere l’ambiente di reazione chirale.   Stabilita questa condizione come indispensabile per la sintesi asimmetrica, si possono mettere in campo le diverse strategie.   Già, ma cerchiamo di comprendere a pieno cosa significa “rendere chirale l’ambiente di reazione” dal momento che questo costituisce il passaggio chiave della faccenda.   Considero una trasformazione nella quale una molecola non chirale si trasforma in una molecola chirale; è un po’ come la trasformazione che avviene quando prendo un calzino e lo infilo al piede.   Il calzino normalmente non è chirale (non distinguo il calzino destro da quello sinistro), ma se prende la forma del piede dove l’ho infilato, anche dopo resta con quella forma ed è diventato quindi chirale perché posso distinguere il destro dal sinistro.   Per trasformare il calzino da non chirale a chirale, l’ho messo a contatto con un mezzo chirale (il piede) ed è esattamente questo che significa “rendere chirale l’ambiente di reazione”.

Ci sono diversi metodi per effettuare una reazione asimmetrica; in tutti è previsto l’utilizzo di una molecola chirale: possiamo utilizzare un prodotto di partenza o un reagente che siano chirali, oppure possiamo utilizzare un ausiliario chirale o ancora un legante o un catalizzatore chirale.   Altri metodi, meno utilizzati prevedono l’utilizzo di un solvente chirale o la combinazione di più strategie.   Qualsiasi metodo utilizziamo a partire da considerazioni precedenti alla reazione, molto spesso basate sull’utilizzo di modelli è possibile prevedere la stereochimica del prodotto della reazione; possiamo cioè prevedere non solo l’induzione di chiralità, ma anche il tipo di induzione.
Gli ausiliari chirali sono composti molto utili nella sintesi asimmetrica.   Si tratta di composti chirali che inducono l’asimmetria nella reazione e permettono la sintesi di un prodotto otticamente attivo.   L’ausiliario chirale dopo aver svolto il suo compito può essere isolato e riutilizzato nuovamente per un’altra reazione.   In generale di tratta di una molecola che partecipa alla reazione, ma i suoi atomi non li ritroviamo nel prodotto di reazione. L’ausiliario, per esempio, in uno stadio iniziale della reazione può legarsi al substrato di partenza per dare vita ad un complesso ausiliario/substrato che a questo punto risulta essere chirale e dunque indurrà asimmetria nella reazione.   Alla fine della trasformazione l’ausiliario chirale ritornerà nel suo stato iniziale, quindi potrà essere isolato e utilizzato, una volta purificato, in un’altra reazione.  Questo significa naturalmente vantaggio economico! La possibilità di pensare ad un ausialirio chirale come ad una molecola che può essere riutilizzata non deve ingannarci e farci pensare a questo tipo di molecole come ad un catalizzatore.

Un catalizzatore è una specie che è presente in piccola quantità (definita appunto quantità catalitica) e non partecipa attivamente alla reazione; è formato, cioè, da atomi che non sono riscontrabili né nel composto di partenza né in quello che si forma in seguito alla reazione chimica.

Nel corso di una reazione in cui è presente un ausiliario chirale, si forma un intermedio in qualche modo isolabile (spesso sono necessarie condizioni particolari e delicate che impongono un controllo stretto di tutti i parametri), ma in ogni caso si “può toccare con mano” questo addotto.   L’intermedio in uno stadio successivo della reazione si trasforma nel vero e proprio prodotto della reazione.   L’ausiliario ha svolto quindi il compito di trasferire la chiralità al prodotto della reazione e può essere isolato.   Un esempio culinario può venire in aiuto: molto spesso nel cucinare alcune pietanze è indispensabile o molto consigliato l’uso dell’aglio; altrettanto spesso si incontrano persone che non gradiscono mangiare aglio per motivi ben noti.   Per ovviare al problema, senza rinunciare agli aromi dell’aglio, si può cucinare utilizzando l’aglio a spicchi e dopo aver terminato la cottura, lo spicchio può essere rimosso.   In questo modo durante la cottura l’aglio avrà trasferito gli aromi al nostro cibo e può essere rimosso.
Anche nel caso della reazione condotta con l’ausiliario chirale avviene la stessa cosa con il vantaggio che mentre nel caso dell’aglio, una volta recuperato viene buttato, nel caso dell’ausilialrio chirale, questo può essere riutilizzato.

Se la reazione viene effettuata utilizzando un catalizzatore, si forma un complesso attivato che non può essere in alcun modo isolato, ma soltanto ipotizzato in base ad un meccanismo di reazione.
Piuttosto che utilizzare un ausiliario chirale si può utilizzare anche un vero e proprio catalizzatore chirale.   Possiamo immaginare due tipi di catalisi: uno che sfrutta la formazione di un complesso metallo/legante, ed un altro detto di organo-catalisi.
Nella formazione del complesso metallo/legante, il legante è la molecola chirale, responsabile quindi dell’induzione di asimmetria, che coordinandosi con degli ioni metallici è in grado di innescare all’interno della reazione un ciclo catalitico.   In questo ciclo, il prodotto di partenza si coordina al complesso catalitico (che è chirale) e si trasforma nel prodotto della reazione (asimmetrico).   La specie catalitica può essere recuperata alla fine della reazione e riutilizzata per altre reazioni ed in questo caso l’ulteriore vantaggio è che il catalizzatore viene utilizzato davvero in piccolissime quantità!   La scelta della quantità precisa di catalizzatore da utilizzare dipende dalla capacità della molecola di funzionare da catalizzatore per quella data reazione.   Generalmente l’ordine di grandezza è tra 1 e 10 % rispetto al substrato della reazione. reazione.   In alcuni casi il recupero del catalizzatore è facilitato perché la reazione avviene in fase eterogenea, cioè mentre il prodotto di partenza e quello della reazione sono in soluzione, il catalizzatore è in fase solida e quindi può essere isolato attraverso una semplice filtrazione. Catalizzatori di questo tipo sono largamente utilizzati non solo nella sintesi di laboratorio, ma anche a livello industriale.

Un altro metodo utilizzato, sicuramente molto più recente, rispetto a quelli appena descritti, è quello della organo-catalisi: si tratta del secondo tipo di catalizzatore.   In questo caso, però, non vengono utilizzati ioni metallici. Si tratta di molecole organiche in grado di coordinarsi, sfruttando in genere le coppie solitarie degli elettroni.   In questo caso, le reazioni avvengono in soluzione a meno che il catalizzatore non venga ancorato ad una resina solida, per facilitarne il recupero alla fine della reazione.

Sono davvero molti i ricercatori che lavorano nel campo della sintesi asimmetrica e sebbene talvolta questi possano sembrare argomenti completamente avulsi dalla realtà, ciò che spinge la ricerca è proprio la necessità di metodi sempre più efficienti in termini di risultato finale (induzione della chiralità) e di costi associati e di impatto ambientale.

Due atomi che stabiliscono una connessione reciproca tale per cui il binomio che ne deriva risulta maggiormente favorito rispetto alla permanenza degli stessi atomi in forma isolata, si dice che stabiliscono un legame, ed in particolare un legame chimico.
Altresì possiamo dire che si ha un legame chimico quando una forza tiene uniti più atomi fra loro, pervenendo così ad uno stato di aggregazione ed organizzazione della materia di ordine superiore rispetto a quello atomico, come ad esempio una molecola, un cristallo o una sostanza allo stato condensato (liquido o solido).
La chimica prende la mosse proprio da qui: non dagli atomi in sé stessi, che come abbiamo già avuto modo di discutere in precedenti interventi rappresentano forse un oggetto di maggiore interesse dei fisici che non dei chimici, quanto dalla possibilità di questi atomi di stabilire dei legami l’un l’altro.    La formazione stessa dei legami, la loro natura, la loro forza, la possibilità di spezzarli ed eventualmente di permutarne la connettività (in pratica quale atomo sia legato con quale altro) sono fra i concetti più basilari che stanno a monte dell’intera scienza chimica.

A rigore non sarebbe neppure così corretto, anche se lo fanno in molti, affermare che dal legame fra due o più atomi si formano necessariamente molecole: come avremo modo di argomentare più avanti, infatti, a seconda del tipo di legame potrà trattarsi sì di molecole, ma eventualmente anche di altri generi di assemblati che possono prendere nomi diversi (es. composti ionici, composti di coordinazione, assemblati supramolecolari).   I legami chimici più deboli, che si realizzano solitamente tra molecole già di per sé stesse formate (ovvero i legami intermolecolari), stanno inoltre alla base della maggior parte delle proprietà e dei comportamenti macroscopici dei materiali costituiti da quelle molecole, rendendo per esempio ragione del fatto che l’acqua sia liquida a temperatura ambiente mentre il cloro nelle stesso condizioni sia un gas, i metalli siano lucenti e conducano elettricità e calore, mentre il saccarosio si sciolga molto bene in acqua.

Per intendere con una sola espressione tutta questa variegata casistica di legami chimici potremmo genericamente parlare di stati di aggregazione della materia, dando per acquisito che la materia sul nostro pianeta risulta solitamente organizzata in primo luogo in forma di atomi, e che gli stati organizzativi superiori corrispondo a stati di organizzazione fra atomi.     Lo stesso non si può dire per altre realtà ben differenti dalla nostra, pure molto frequenti nell’universo, dove la materia non arriva neppure ad organizzarsi in forma di atomi e quindi il legame chimico, di qualsiasi natura esso sia, non avrebbe alcuna ragione di essere lontanamente immaginato.

UNA QUESTIONE DIDATTICA

Prima di procedere ulteriormente con la lettura dell’articolo, si invita calorosamente il lettore che non abbia dimestichezza con la natura e la struttura dell’atomo, a fare la sua conoscenza con l’articolo, anch’esso strettamente divulgativo, “gli atomi: spiegati in 11 punti e senza usare la fisica”.

Sta di fatto che la risposta ad una generica e davvero trasversale domanda del tipo “che cos’è un legame chimico?” risulta pressoché assente dal web, ed in particolare da quello in lingua italiana.   L’approccio scolastico al legame chimico si inserisce solitamente proprio nella primissima parte dei programmi didattici di chimica ma, paradossalmente, fa necessariamente uso di concetti di fisica, classica e quantistica, e spesso anche di formalismi matematici che, ben lungi dal coinvolgere maggiormente lo studente a digiuno di chimica in una comprensione più vera e profonda dell’argomento, hanno nella maggior parte dei casi come esito quello di connotare la disciplina nel suo insieme come un qualcosa di estremamente teorico, evanescente, inafferrabile.    E questa percezione spesso non svanisce neppure nei mesi successivi, quando poi il programma entrerà finalmente nel merito della chimica inorganica fatta di formule, reazioni e bilanciamenti, anche se questa parte potrebbe a ragione essere trasmessa e vissuta con tutta la positività di una disciplina concreta.

Vi è poi un’ulteriore anomalia nei programmi di insegnamento della chimica che riguarda i legami e le ragioni che li giustificano: si tratta di uno di quegli argomenti che possono essere affrontati su piani molto diversi fra loro, piani che rispecchiano sì momenti storici differenti (il legame chimico sui libri degli anni ’60 era spiegato in termini molto diversi dagli attuali) ma anche ad una diversa urgenza didattica o applicativa.    Si tratta banalmente delle valutazioni relative allo spazio da assegnare, all’interno del programma, alla trattazione di argomenti quali, a titolo di esempio: la configurazione elettronica dell’atomo, la struttura degli orbitali atomici e di quelli molecolari, magari differenziando quelli di legame e di antilegame, la teoria dell’ibridizzazione degli orbitali, fino a spingersi nel considerare le funzioni d’onda e l’equazione di Schrödinger.   In pratica il blocco dei primi capitoli con i quali si apre qualsiasi libro di testo di chimica generale.
Per quanto questi argomenti risultino indiscutibilmente alla base di tutta la chimica, quanti pensate siano i chimici che ricorrono ad essi, li tengono ben presenti, li rivisitano, li rispolverano e li usano nella loro attività professionale quotiana?  Al contrario, escludendo per ovvie ragioni gli insegnanti, la maggior parte dei chimici che ho avuto modo di conoscere avrebbero serie difficoltà nel cercare di spiegare a qualcun altro le basi quantistiche della struttura dell’atomo e le sue conseguenze sul legame chimico: quello che resta di questa conoscenza, a distanza di qualche anno dai corsi universitari, è un’impressione culturale, un’infarinatura spesso un po’ troppo confusa e sicuramente storicizzata, di sicuro non facilmente “spendibile” nella propria quotidianità lavorativa, per quanto incentrata sulla stessa chimica.
Ma ecco, forse è proprio questo il punto: l’introduzione alla chimica fatta passando dall’atomo e dai legami ed avvalorata da un approccio fisico-quantisitico e da tutti i suoi necessari formalismi, non serve “per essere utilizzata”, ma crea un substrato culturale, una forma di legittimazione alla chimica che verrà, quella pratica, operativa fatta di formule, reazioni e polverine di laboratorio da pesare sulla bilancia.     Aiuterà ad evitare quella sgradevole sensazione di costruire castelli sulla sabbia.
Non per niente, molti studenti avranno probabilmente notato lo stacco metodologico e di approccio che si verifica tra la prima parte dei corsi di chimica, per dirla semplicemente dall’atomo fino alla formazione delle molecole più semplici, e la seconda, che parte da qui e procede verso la chimica inorganica, organica e tutte le sue applicazioni.    Sembra quasi si tratti di due materie scolastiche differenti, con i loro codici di comunicazione, le proprie strategie didattiche, le proprie criticità concettuali e di apprendimento e persino i propri criteri di verifica.
Ho avuto già modo di argomentare più volte circa il fatto che l’atomo in sé stesso, quindi anche gli aspetti relativi alla trasmissione didattica delle sue caratteristiche, siano probabilmente più oggetto del fisico che non del chimico, e vorrei sinceramente evitare ora di dover estendere questa valutazione fino al legame chimico o addirittura fino agli aspetti più teorici relativi alla formazione delle molecole.
La soluzione a questo punto appare a questo punto basata sul buon senso: nella difficoltà (che diventa impossibilità nell’ambito di corsi particolarmente sintetici) di pervenire ad una sufficiente armonizzazione tra i due blocchi di insegnamento, quello introduttivo, propedeutico e teorico, e quello successivo, “concreto”, che costituisce il corpo in assoluto maggioritario del programma, dovrebbe essere esplicitamente esposta con chiarezza ed onestà intellettuale già in sede di presentazione didattica agli studenti della struttura del programma, sottolineando come la prima parte svolga appunto una funzione di premessa, come fosse un prologo, un antefatto, una digressione storica.   Non a caso una delle strategie didattiche probabilmente più efficaci per affrontare questa parte teorica iniziale consiste proprio nel percorrere cronologicamente le tappe delle scoperte scientifiche che hanno portato nel corso degli anni alla comprensione della struttura elementare della materia, fino alla natura, alla giustificazione ed alla prevedibilità dei legami chimici e delle specie chimiche che si possono formare da essi.

Inoltre, per forza di cose, si deve ad un certo punto decidere di uscire dall’infinita successione dei perché e dei perché dei perché chiusi uno nell’altro come matrioske, e scendere al compromesso di formulare qualche affermazione assiomatica, che suona come un dogma, in particolare quando ci si scontra contro i postulati della fisica quantistica, che magari potrebbero anche essere sviscerati con un approccio universitario degno di un ricercatore in fisica teorica, ma che di sicuro non possono essere sintetizzati in modo comprensibile in un corso di chimica di base.    Questa situazione dispiace altrettanto a studenti ed insegnanti, solitamente frustrati ogni qual volta si debbano prendere delle realtà per “date”.     L’insegnamento delle materie scientifiche, almeno nelle scuole secondarie di secondo grado, non dovrebbe però prefissarsi l’obiettivo utopistico di fornire necessariamente tutte le risposte, e le risposte ultime, a spiegazione del mondo fisico nel quale viviamo: dovrebbe al contrario trasmettere la consapevolezza che le risposte ci sono, e se non ci sono ancora possono essere comunque ricercate tramite la ricerca scientifica, fornendo nel contempo allo studente gli strumenti culturali e le competenze di base per potersi in seguito indirizzare verso gli approfondimenti tematici (leggasi: scelta percorso di studi universitari, ma non soltanto) che meglio soddisfano la sua voglia di sapere.

PERCHE’ SI FORMA UN LEGAME CHIMICO?

Perché dunque due atomi dovrebbero essere portati a legarsi fra loro tramite la formazione di un legame chimico?
Esattamente come accade per una coppia umana, due atomi possono stare insieme per ben più di un motivo, alternativi o in combinazione fra loro. Nel caso umano si parlerà di amore, di interesse economico, di intesa fisica, di interessi condivisi o semplicemente di abitudine.
Nel caso degli atomi la situazione risulta ancora più semplice, in quanto un po’ tutte le modalità di legame, alla fin fine, direttamente o indirettamente, dipendono da qualcosa di ancora più basilare che sta a monte di tutto, qualcosa che potremo filosoficamente definire come “tensione alla completezza”… elettronica.

In termini meno filosofici si tratta della necessità che ogni atomo nutre nel realizzare il completamento dei suoi “gusci” o livelli elettronici, ed in particolare di quello più esterno che risulta di solito non interamente popolato con il numero completo di elettroni che gli competerebbe sul piano ideale.   Il tutto condito, eventualmente e spesso in modo solo secondario, da meccanismi di attrazione elettrostatica fra atomi, singoli o già facenti parte di molecole formate, sui quali si concentrano cariche elettriche di segno opposto: in molti casi questa stessa ragione attrattiva risulta però essere una semplice conseguenza indiretta lasciata dall’espletamento della prima, quella che abbiamo qui semplicemente indicato come tensione alla completezza del guscio elettronico esterno.

In prima approssimazione possiamo vedere nel concetto di gusci elettronici come la prima, essenziale e più grossolana forma di organizzazione degli elettroni intorno al nucleo dell’atomo.    In un sistema di gusci elettronici in qualche modo “concentrici”, l’appartenenza di un elettrone ad un guscio elettronico più esterno determina una sua distanzia media maggiore dal nucleo rispetto agli elettroni appartenenti ad un guscio più interno. L’appartenenza ad un guscio elettronico rispetto ad un altro è il fattore più importante che determina l’energia di quell’elettrone, tanto che viene talvolta utilizzato per indicare questi gusci il termine di “livello energetico”.
Ogni livello elettronico, ovvero ogni guscio, può contenere un diverso numero massimo di elettroni, superato il quale tale livello non sarà più in grado di ospitarne altri e si passerà così a popolare il livello successivo. Ad esempio il livello n=1 può ospitare al massimo 2 elettroni, quello n=2 potrà ospitarne 8, quello n=3 fino a 18, n=4 fino a 32, e così via.
Come anticipato, ciascun atomo, di ogni elemento della tavola periodica, tende in un modo o nell’altro a fare il possibile per completare il suo livello elettronico più esterno, anche in considerazione del fatto che quelli più interni sono sempre già perfettamente pieni.
Alcuni atomi si trovano già molto vicini a questa condizione di completamento, mancando per essa magari solo uno o due elettroni, mentre altri ne possiedono così pochi nell’ultimo livello che risulta per loro più facile sbarazzarsi di questi per lasciare completato quello che era il penultimo livello elettronico.

Una trattazione basilare della strutturazione nella distribuzione degli elettroni intorno al nucleo, basata su parametri energetici e posizionali, seppur su base probabilistica) risulta essere quindi una condizione essenziale per poter comprendere le ragioni che stanno alla base di un’organizzazione della materia superiore a quella rappresentata dall’atomo isolato.   Questa trattazione, per quanto condotta in modo elementare, passa però necessariamente attraverso quel fondo di fisica quantistica che consiste nell’esame dell’esistenza, delle relazioni e delle conseguenze dei cosiddetti “numeri quantici”, espressa in modo sintetico e pulito dal seguente video:

Clicca qui per vedere il video incorporato.

I legami chimici, qualunque essi siano, possono essere intesi come strategie diverse per consentire agli atomi che vi partecipano di pervenire a questa condizione ideale o di avvicinarsi comunque il più possibile ad essa, oppure sono delle conseguenze indirette di altri eventi diversi che però sono sempre guidati da questa motivazione fondamentale.

Non per niente gli atomi dei cosiddetti gas nobili come neon, argon, elio e così via, ovvero quelli collocato nell’ultimo gruppo (colonna) a destra della tavola periodica sono in assoluto quelli con la minor tendenza a legarsi fra loro o con altri atomi, trovandosi già per loro natura nelle condizioni di massima stabilità data dal loro naturale completo riempimento dell’ultimo guscio elettronico.

Le modalità per mezzo delle quali gli atomi possono pervenire a questo completamento sono molteplici: possono condividere elettroni con altri atomi dello stesso elemento o di elementi diversi (con formazione di un legame detto rispettivamente covalente puro o covalente polare), possono perdere o acquisire elettroni, o eventualmente “scambiarseli”, caricandosi quindi elettrostaticamente e solo come conseguenza di questo attrarsi reciprocamente (con formazione di un legame ionico), possono intercettare zone di spazio intorno ad un nucleo dove sono già presenti delle coppie di elettroni, sfruttandole per coprire le proprie carenze (anche se detto molto male, questo starebbe alla base di un legame di coordinazione, in passato detto anche dativo), possono delocalizzare un gran numero di elettroni lasciandoli liberi di spostarsi come una nube da un ambito nucleare ad un altro (con formazione di un legame metallico), e così via.
Negli interventi che seguiranno a questo di carattere introduttivo saranno descritti e confrontati fra loro i diversi tipi di legame, evidenziando in particolare come nella stessa molecola, ed ancor più in miscela di molecole uguali o diverse fra loro, possano esistere legami fra loro anche estremamente differenti, tali da consentire una spiegazione piuttosto esaustiva delle caratteristiche e della reattività delle sostanze in questione.

Ogni singolo legame chimico, con l’eventuale eccezione di quello ionico, comporta la partecipazione di 2 elettroni, sia che essi appartengano uno a ciascun atomo partecipante che entrambi al medesimo atomo.    Nel caso della partecipazione, ad esempio della condivisione di un numero maggiore di elettroni, comunque sempre pari, crescerà in proporzione il numero dei legami stabiliti: in un triplo legame carbonio-carbonio, come quello dell’acetilene, saranno quindi condivise ben 3 coppie diverse di elettroni.  E per inciso al crescere della connettività (numero di legami) fra 2 atomi, si accorcerà sempre di più la distanza fra i nucleo ed il legame diventerà sempre più forte, tanto da richiedere un’energia maggiore per poter essere spezzato.
Lo stesso atomo può per di più stabilire contemporaneamente legami di tipo diverso con altri atomi: considerando anche semplicemente l’acqua, mentre il legame fra ciascuno dei due atomi di idrogeno e quello di ossigeno della stessa molecola (quindi un legame intramolecolare) è di tipo covalente polare, molto forte, quelli intramolecolari che connettono in modo variabile e scambievole più molecole di acqua fra loro (consentendo alla stessa di rimanere liquida fino a 100°C anziché volatilizzare come gas) sono di tipo molto più debole, facilmente spezzabili per semplice riscaldamento, e creano un fitto reticolo tridimensionale tra le molecole, continuamente mutevole nel tempo.

Le ragioni che stanno alla base della necessità espressa da un atomo verso il completamento dell’ultimo guscio elettronico, quello più esterno associato ai livelli di energia più elevati, così come la giustificazione del numero esatto di elettroni che determina il completamento di ciascun livello e sottolivello, affondano le loro radici nella fisica quantistica e risulterebbe veramente complicato cercare di darne ragione nel contesto di questo articolo.  E’ però significativo notare che tale necessità prevale talvolta addirittura sulla condizione di neutralità elettrica dell’atomo: un atomo isolato ed inizialmente completo nella sua configurazione elettronica (ovvero nello stato cosiddetto “nativo”, dove cioè il numero degli elettroni collocati su diversi livelli e sottolivelli energetici è equiparato a quello dei protoni contenuti nel nucleo) potrà infatti, almeno nei casi estremi, acquisire o cedere elettroni per portarsi nelle condizioni di completamento (o completo svuotamento) dell’ultimo livello energetico, anche se questo dovesse significare uno sbilanciamento della carica elettrostatica sullo stesso atomo.  Infatti un atomo neutro che dovesse acquistare elettroni per questo scopo si troverà ad assumere tante cariche negative quanti sono gli elettroni acquisiti, o all’opposto tante cariche positive quanto sono gli elettroni ceduti, diventando uno ione a sua volta in grado di stabilire un’attrazione elettrostatica con uno ione di carica elettrica complementare, stabilendo in questo modo un legame ionico.

Per cercare di introdurre con finalità di calcolo didattico il numero degli elettroni nel guscio esterno corrispondente alle condizioni di massima stabilità dell’atomo si è voluto parlare negli anni passati di regola dell’ottetto, secondo la quale ciascun elemento avrebbe aspirato al raggiungimento del numero di 8 elettroni nel suo guscio più esterno, ma questa regola non si applicava agli elementi un po’ più complicati, ad esempio ai metalli di transizione che nell’ultimo livello energetico di elettroni ne avrebbero voluti molti di più; quindi si è introdotta la regola dei 18 elettroni, ma questa ancora mal si adattava ai lantanidi ed agli elementi transuranici…   Credo a questo punto che sia del tutto inutile cercare di individuare “regolette” numeriche diverse dall’affermazione più generale riportata in precedenza.

configurazione elettronica atomo di zinco

Come si conviene alla realtà, andando poi a vedere caso per caso, specie nell’esame degli atomi più complessi, ovvero in quelli a più alto numero atomico e quindi dotati di parecchie decine di elettroni, la tendenza al completamento del guscio elettronico più esterno non è la sola ragione trainante che porta gli atomi ad interagire fra loro in modo attrattivo.
Già negli elementi più leggeri, ma in modo ancora più marcato in quelli a partire dagli elementi di transizione, infatti, gli elettroni sono disposti su sotto-livelli (o sotto-gusci) di forma e simmetria caratteristici, facenti sempre parte dello stesso guscio elettronico e che tendono a riempirsi anch’essi in modo graduale ed uniforme.   La stessa tendenza ad occupare interamente il guscio elettronico più periferico trova qui la sua declinazione in tono minore nell’occupazione integrale del sottolivello elettronico, dando ragione di quella tendenza da parte degli elementi più “pesanti” a perdere, acquistare, condividere, scambiare (ecc) elettroni in numero nettamente minore di quanto ci si aspetterebbe se l’obiettivo unico fosse quello del riempimento/svuotamento totale del solo guscio esterno propriamente detto.
Lo zinco per esempio ha ben 12 elettroni nel suo guscio più esterno, ma quando esso “cede” elettroni (una delle opzioni di comportamento possibili), vediamo che ne perde due soltanto, assumendo per tanto due cariche positive.   Andando poi a considerare la distribuzione di questi elettroni all’interno dello stesso livello, si noterà che essi risultavano isolati in un particolare sottolivello e la loro perdita corrisponde al suo svuotamento totale, condizione questa particolarmente favorita nel caso dello zinco dal fatto che il sottolivello sottostante risulta invece completamente pieno.

VERSO UNA TRATTAZIONE PIU’ RIGOROSA

Una trattazione moderna e rigorosa relativa alla natura dei legami chimici non potrebbe in linea di principio prescindere dalla teoria degli orbitali (atomici, di legame/antilegame, molecolari) e dall’introduzione di concetti-chiave quali quello relativo alla funzione d’onda.   Siamo tuttavia fermamente convinti che una trattazione introduttiva all’argomento non abbia che da giovare dall’assenza di queste argomentazioni, che richiederebbero un grado di formalismo teorico e matematico ben lontano da quello in possesso del non specialista: d’altronde schiere di chimici delle generazioni passate sono cresciute senza avere la minima idea di cosa fosse un orbitale di antilegame… semplicemente perché non era ancora stato scoperto o i programmi di insegnamento non ne contemplavano ancora la spiegazione.   Eppure la conoscenza se volete più elementare, empirica ed empatica della natura e delle caratteristiche dei legami chimici è stata loro più che sufficiente per compiere straordinarie scoperte nei campi della sintesi di nuove molecole.

Come già specificato in premessa, non solo per i futuri chimici ma anche per coloro che con tutta probabilità non faranno mai di questa disciplina il loro mestiere quotidiano, la conoscenza degli aspetti fondanti della chimica riveste un ruolo fondamentale dal punto di vista “culturale”, per conoscere, comprendere in modo strutturato ed accettare dentro alla propria visione del mondo le ragioni per le quali la materia si organizza nel modo che conosciamo.

Nella consapevolezza che si tratta probabilmente di una trattazione davvero troppo complessa dell’ambito della divulgazione della quale chimiSPIEGA si è fatta portavoce, riporto a titolo si esempio i seguenti tre video, dove la professoressa Anna Maria Manotti Lanfredi dell’Università di Parma presenta per RAI Nettuno SAT i fondamenti della struttura atomica e della meccanica quantistica che, come risulterà a questo punto chiaro a tutti, stanno imprescindibilmente alla base della formazione del legame chimico.

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Al contrario, dopo aver a lungo esplorato i video più importanti ma anche i “più semplici” disponibili nel web in lingua italiana ed in lingua inglese, ritengo doveroso mettervi in guardia dal proliferare di una straordinaria quantità di materiali che, seppur ottimamente realizzati dal punto di vista grafico, musicale e multimediale in genere, con animazioni 3D di altissima qualità, trasmettono un contenuto scientifico non del tutto corretto, se non addirittura palesemente errato.

Fa molto riflettere il fatto che i video più “corretti” che ho avuto modo di individuare, coem ad esempio quelli precedentemente riportati, sono guarda caso i più noiosi, meno immaginifici e soprattutto meno intuitivi. D’altronde è noto che l’approccio quantistico alla descrizione della realtà sia di fatto non soltanto poco intuitivo, ma addirittura per certi aspetti “contro-intuitivo” per il nostro comune modo di ragionare basato in buona parte sulla nostra capacità di immaginare il nuovo essenzialmente basandoci sul bagaglio delle esperienze già vissute.

Una considerazione conclusiva, ancora una volta relativa alla natura più generale del legame chimico in sé stesso, indipendentemente dalla sua tipologia e “strategia” specifica, ci porta a considerarne la sua natura essenzialmente elettrostatica.    Le entità che motivano, giustificano e mediano la formazione dei legami chimici, comunque a da qualsiasi parte si voglia vedere la questione, sono infatti sempre loro: gli elettroni, ed in particolare gli elettroni appartenenti al guscio più esterno di ogni atomo.   Si può quindi ragionevolmente affermare che il legame chimico è “una questione elettronica”, in quanto sono loro, gli elettoni, (a differenza invece delle reazioni nucleari dove i protagonisti sono i protoni ed i neutroni del nucleo) che vengono condivisi, scambiati, delocalizzati, acquistati o ceduti (ecc) nella formazione dei legami chimici. Le stesse reazioni chimiche in fondo altro non sono se non una ricombinazione della connettività stessa degli atomi delle specie chimiche partecipanti: quindi sempre una questione elettronica.   E pure di periferia, nel senso che la partita si gioca sempre nei gusci elettronici più esterni, di solito nel più esterno di tutti.
Ma tant’è: la chimica inizia tutta da qui.

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

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

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

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

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

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

(clicca per ingrandire)

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

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

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

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

CREARE L’AMBIENTE DI VITA IDEALE

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

STRATEGIE PER LA PRODUZIONE

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

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

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

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

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

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

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

IN CONCLUSIONE

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

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

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

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

FERMENTAZIONI E BIOTRASFORMAZIONI MICROBIOLOGICHE

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

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

morespace

Il peluche della tua infanzia. Ricordi ancora i suoi occhi neri e profondi di una plastica senza nome, ed il suo pelo che profuma ancora di ricordi.
Pensavi a lui come a un compagno, un amico fedele: rimembri ancora la sua espressione, il suo aspetto, il suo odore e la sua morbidezza.    Ti ci vuole un certo distacco, la visione disincantata della maturità, per riuscire a vedere in lui quello che “nonostante tutto” egli è pur sempre: un oggetto, fatto di qualcosa.   Non di sogni e polvere di stelle, ma di materia, ovvero sostanze chimiche. Ne più ne meno di noi.
Quando da bambino scopri attraverso un buchino aperto nella cucitura della pancia che il tuo orsetto dentro è imbottito di un materiale misterioso ed alieno, ti senti preso da un misto di incredulità ed orrore.   E ti domandi: oddio, cosè sta roba?

Questo materiale di riempimento può essere composto da gommapiuma: questo è il nome comune (in realtà brevettato) dato al poliuretano espanso: un materiale polimerico sintetico, sostanzialmente una plastica flessibile e ricchissima di pori.    Poco importa se l’azienda che ha confezionato il peluche l’ha comperata in grandi fogli arrotolati e se l’è poi triturata in casa, oppure se l’ha acquistata già sminuzzata in frammenti: qualcun altro, in precedenza e da qualche altra parte, deve avere prodotto questo poliuretano e per produrlo ha fatto ricorso ad una reazione chimica.   Una reazione chimica di polimerizzazione dove due reagenti, composti da piccole molecole reattive dette monomeri (nello specifico del poliuretano i monomeri sono un di-isocianato ed un poliolo), legandosi fra loro secondo modalità definite formano una macromolecola di struttura modulare che, oltre ad avere dimensioni migliaia di volte superiori alle piccole molecole di partenza, presenta caratteristiche del tutto diverse da queste.    In molti casi i monomeri usati per la preparazione dei polimeri plastici sono liquidi molto reattivi e pericolosi per la salute umana; al contrario i polimeri che si ottengono da questi sono nel più dei casi solidi molto stabili ed inerti anche dal punto di vista fisiologico.   Questo è un esempio tipico di reazioni condotte su larga scala all’interno degli stabilimenti industriali di tipo chimico.
Ma da dove derivano i monomeri che queste aziende utilizzano come materia prima nei processi di polimerizzazione per la sintesi della plastica?  Solitamente essi sono prodotti in altre fabbriche a partire da reagenti diversi, ovvero da altre sostanze chimiche considerate materie prime (solitamente materiali di ampia disponibilità sul mercato internazionale e di costo relativamente basso), mediante impianti chimici di trasformazione più complessi che sfruttano più reazioni chimiche in cascata per provvedere alla trasformazione della struttura molecolare di queste materie prime in quella dei prodotti desiderati, in questo caso dei monomeri richiesti dall’industria dei polimeri plastici.  Si tratta di processi di sintesi chimica che possono annoverare da uno a più distinti step di reazione.   Non è detto che tutti i passaggi previsti dal processo avvengano nello stesso impianto, e neppure nello stesso stabilimento chimico.   In molti casi, al contrario, ogni azienda effettua solo talune trasformazioni, o anche soltanto una, e rivende il semilavorato ottenuto ad aziende “a valle” che effettuano poi i passaggi successivi.   E’ molto interessante notare come la stessa sostanza chimica che costituisce un semilavorato in un certo settore industriale, come nel caso dell’industria dei polimeri plastici, può in moltissimi casi servire come intermedio anche per altri settori produttivi del tutto diversi, ad esempio come reagente per la preparazione di un farmaco, come ingrediente per un cosmetico, o addirittura trovare applicazione tal quale in taluni settori, magari in seguito a semplice “miscelazione” (senza ulteriori reazioni chimiche) con altri prodotti, ad esempio per andare a costituire una vernice così come un prodotto per la pulizia delle superfici.
I singoli step di reazione previsti in un processo di trasformazione chimico, se si escludono alcuni casi più rari dove essi sono indotti unicamente da fattori fisici come il calore, richiedono nella maggior parte dei casi l’intervento di altri reagenti o catalizzatori.   Queste ulteriori sostanze chimiche vengono acquistate da fornitori che a loro volta li producono su larga scala per mezzo di impianti sicuramente differenti dai primi, che sfruttano altri processi di trasformazione ma anch’essi basati su di un certo numero di step di reazioni chimiche, separazioni e purificazione su base chimico-fisica, e così via.   A monte di questi ulteriori processi staranno altre materie prime di tipo chimico, che costituiranno a loro volta l’oggetto della produzione di un’altra filiera industriale, e così via in una rete fittissima di relazioni e di rapporti di interdipendenza commerciale.

Ma cosa sta a monte di tutto, ovvero quali sono le fonti primigenie delle materie prime utilizzate nell’industria chimica?   Ai giorni nostri sicuramente ai primi posti possiamo indicare fra le fonti definite “non rinnovabili” il petrolio ed i minerali, e fra quelle rinnovabili i prodotti di agricoli e forestali.    La quantità e la complessità dei passaggi che sono richiesti per arrivare da queste materie “primissime”, reperibili o tal quali sul pianeta, alla maggior parte delle sostanze chimiche che compongono per esempio gli oggetti con i quali abbiamo a che fare nella nostra vita quotidiana, è tuttavia così impressionante da costituire in sé uno degli argomenti più complessi della logistica delle relazioni commerciali internazionali.

Ma torniamo alla nostra filiera che avevamo momentaneamente lasciato a sé stessa.    Eravamo arrivati a considerare le materie prime a monte di tutta la sequenza di reazioni richieste per produrre il monomero dal quale si sarebbe poi ottenuto il polimero plastico morbido e poroso che riempiva il pancino del nostro peluche.

petrolio - minerale (bauxite) - prodotto agricolo (mais)

Queste materie prime sono però pur sempre sostanze chimicamente ben definite, tendenzialmente pure almeno quel tanto che è richiesto le trasformazioni alle quali saranno poi sottoposte: in pratica sostanze alle quali può essere riferita una struttura molecolare ben definita ed univoca.   A monte di queste singole specie chimiche vi sono però le suddette fonti naturali o coltivabili, che praticamente in tutti i casi non sono costituite da una sostanza singola e pura, bensì da miscele “naturali”.   Consideriamo il petrolio per esempioo, ma anche le rocce ottenute dall’estrazione da cave e miniere o i prodotti delle coltivazioni agronomiche e forestali: chi più chi meno, tutte queste “fonti primarie di materia” sono costituite da diverse, spesso moltissime tipologie di sostanze chimiche fra loro diverse, miscelate fra loro.   C’è tutto un settore industriale che si occupa per l’appunto di “sgrossare” queste miscele naturali di sostanze, iniziando a suddividerne i componenti in frazioni con minor numero di componenti, più uniformi al loro interno per struttura chimica e quindi per caratteristiche.   Il petrolio può per esempio essere distillato, andando a suddividere la complessità delle specie chimiche in esso contenute in un certo numero di frazioni, ancora piuttosto complesse al loro interno, sulla base del punto di ebollizione, dal catrame (frazione meno volatile) all’etere di petrolio (che bolle poco al di sopra della temperatura ambiente). Anche in questo caso per talune applicazioni anche la semplice frazione da distillazione frazionata può essere utilizzata tal quale: si pensi per esempio al catrame o allo stesso etere di petrolio quando viene utilizzato in certe applicazioni in ragione delle sue capacità solventi ed al tempo stesso della sua estrema volatilità.   Nel più dei casi, tuttavia, ciascuna frazione viene ulteriormente distillata oppure sottoposta ad altra tipologia di separazione al fine di ricavare da essa una o più di una sostanza chimica sufficientemente pura, da destinarsi come abbiamo visto ai più disparati settori industriali che la richiedono come materia prima a monte di un processo di trasformazione.

Ma come fanno questi produttori a comprendere cosa hanno per le mani, quali sostanze chimiche sono contenute nei prodotti di origine naturale, quali sono riusciti ad isolare, ad accertarsi della loro conformità e purezza e a controllare infine la loro successiva trasformazione al termine delle reazioni chimiche alle quali saranno sottoposte? Potranno farlo unicamente attraverso analisi chimiche.   E le analisi chimiche, eseguire in laboratori e da personale specializzato nel settore chimico-analitico, richiedono a loro volta reagenti specifici da aggiungere ai materiali da testare. Reagenti in piccolissima quantità, a volte quantificabili in pochi milligrammi per campione da analizzare, ma spesso altamente specifici e ad altissimo grado di purezza.    Per le analisi chimiche inoltre sono sempre richieste attrezzature e strumentazione, talvolta estremamente sofisticata che, proprio alla stregua dei nostri elettrodomestici di casa, contempla una parte elettronica, spesso un controllo da PC e tanti, tantissimi materiali diversi impiegati per realizzare le varie parti dello strumento.
Materiali quali metalli e leghe, vetri speciali, gomme ed altre materie plastiche, materiali ceramici e così via, ciascuno prodotto a sua volta da un settore industriale distinto che sfrutta una o di solito una sequenza di reazioni chimiche per trasformare altre materie prime nei materiali indispensabili per assemblare gli strumenti di laboratorio richiesti per fare le analisi chimiche. Magari analisi chimiche richieste per la produzione di un intermedio chimico a monte della produzione della stessa ceramica speciale che sarà poi utilizzata dal costruttore di strumentazione di laboratorio per assemblare un analizzatore indispensabile nell’industria della ceramica.

Sembra una di quelle filastrocche che si imparano da bambini, che dopo un breve giro narrativo tornano inevitabilmente al punto di partenza.   E’ un dato di fatto che il mondo della produzione chimica sia in buona misura auto-referenziale (nel significato migliore del termine), reso possibile e in parte sostenuto in primo luogo da sé stesso, a perfetto paradigma di quella complessità strutturale che caratterizza le relazioni economiche e commerciali, ma anche di conoscenza e di ricerca, tipiche della civiltà umana contemporanea.
Non credo di essere del tutto nel torto nel voler individuare proprio in questo settore il più complesso network di mutue relazioni che l’umanità sia mai riuscita a sviluppare nella sua storia.

Almeno in linea di principio, l’industria chimica è (o dovrebbe essere) come il maiale: non si butta via nulla.     E’ tutt’altro che raro il caso nel quale il sottoprodotto di un processo di trasformazione chimica possa tornare utile, addirittura indispensabile per un settore completamente diverso, che lo userà a sua volta come reagente o solvente per la produzione di sostanze chimiche del tutto diverse.
Ad esempio uno degli step di reazioni necessarie per produrre uno dei monomeri che stanno a monte del poliuretano della gommapiuma, genera fra i suoi prodotti di reazione una certa molecola X, del tutto inutile per la produzione del poliuretano e che anzi deve essere scrupolosamente separata dai prodotti di reazione utili.   Se considerassimo questa sostanza X unicamente in funzione di rifiuto da smaltire, arriveremo in molti casi alla insostenibilità del processo di trasformazione nel suo insieme, sia dal punto di vista ambientale siano essi stoccati in discarica o destinati all’abbattimento (i sottoprodotti industriali sono di solito valutabili a camionate, non di sicuro a cucchiai dal punto di vista delle quantità annue), sia dal punto di vista economico dal momento che comunque li si voglia gestire i rifiuti comportano un costo di gestione, spesso talmente elevato da incidere in modo pesante, talvolta insostenibile sul costo alla produzione e quindi sul prezzo di vendita del prodotto finale utile.   Come ricordato dalle linee guida della Chimica Verde, per i buoni criteri della produzione, uno dei primi criteri sui quali un processo di trasformazione chimica dovrebbe puntare è quella di non produrre rifiuti.   Sembrerebbe un’utopia, ma in reatà una sostanza chimica non nasce come rifiuto: diventa rifiuto se chi lo produce non se ne fa nulla e non riesce a trovare nessuno che sappia valorizzarla opportunamente.   Se esiste qualcuno, un altro settore industriale per esempio, disposto ad acquistare, addirittura pagandola, questa sostanza X perché questa costituisce per lui una materia prima utile per produrre qualcos’altro, ad esempio l’intermedio per un eccipiente farmaceutico, ecco che magicamente il rifiuto si trasforma in una risorsa, e l’azienda della filiera del poliuretano inizierà ad essere anche produttrice e fornitrice dell’ormai importantissimo intermedio X.

fogli di ABS e bottiglie di acetonitrile di grado analitico

Un caso di questo genere che mi è capitato di osservare in funzione del suo rincaro economico riscontrato negli ultimi anni è stato quello dell’acetonitrile.   L’acetonitrile è un solvente molto particolare, molto utilizzato dalla maggior parte dei laboratori che eseguono analisi chimiche (nello specifico analisi cromatografiche liquide ad alta pressione o HPLC).   Ad un certo punto il costo di questo solvente si è impennato in tutto il mondo: la ragione di questo brusco aumento, ci è stato comunicato dai rivenditori, risiedeva nella crisi del mercato dell’automobile su scala globale. E che c’entra l’auto con l’acetonitrile che è un solvente liquido?    Ci spiegarono che esso viene ottenuto a partire da un sottoprodotto dell’industria dell’ABS, il noto materiale plastico del quale sosno costituite molte parte, soprattutto i cruscotti e gli interni, delle automobili.   Meno richiesta di auto da parte del mercato aveva comportato un calo di produzione e quindi un rallentamento di tutte le filiere nate per la produzione dei materiali impiegati per la costruzione delle automobili, compreso l’ABS; e meno ABS significava meno “sottoprodotto” indispensabile per la produzione dell’acetonitrile, il nostro solvente per analisi, e quindi l’aumento vertiginoso del prezzo per il poco che veniva ancora prodotto. Immagino che molti laboratori di analisi abbiano compensato l’aumento di questa che per loro costituiva una spesa facendo semplicemente pagare di più le analisi chimiche eseguite. Sembrano un po’ gli equilibrii dell’ecosistema.

Ma proseguiamo, proseguiamo oltre ad osservare come si susseguono e si sorreggono l’una l’altro settori solo all’apparenza disgiunti fra loro.   Gli stessi impianti industriali, i materiali dei quali sono costruiti e l’energia che permette il loro funzionamento, non potrebbero essere realizzati senza il contributo di altri settori della chimica.   Dai pannelli solari alle centrali nucleari, dall’energia geotermica a quella idroelettrica, fino alle fonti tradizionali basate sui combustibili fossili come il petrolio ed il carbone, tutto il settore della produzione energetica è basato su impianti dai quali si richiede ogni giorno il massimo del rendimento, a fronte di sollecitazioni spesso estreme.    Si pensi alla necessità di resistenza al calore dei materiali utilizzati nelle centrali termoelettriche, alla resistenza meccanica delle turbine nelle centrali idroelettriche, all’assoluta necessità di assorbimento delle particelle elementari e delle radiazioni emesse dai processi di fissione nucleare negli omonimi reattori ed infine… vi siete mai chiesti cos’è che solitamente fa la differenza fra una tecnologia “vecchia” e meno efficiente, come ad esempio i primi pannelli solari che di fatto non sono riusciti ad affermarsi come alternativa praticabile, anche dal punto di vista del costo e del rendimento economico rispetto alle fonti energetiche tradizionali, e la stessa tecnologia rivista, di “nuova generazione”, in grado di competere e spesso di prevalere sulle altre tradizionali proprio ad iniziare dagli aspetti economici, oltre naturalmente sulle ricadute ambientali?   “Molti fattori” è la risposta universale di chi non vuole mai sbagliare, ma all’interno di questi fattori la parte del leone la fanno nel più dei casi i nuovi materiali resi via via disponibili dall’industria chimica.   Materiali scoperti da poco nell’ambito del settore Ricerca & Sviluppo, oppure scoperti da tempo nell’ambito della ricerca ma sviluppati da poco in applicazioni concrete utili, efficienti e soprattutto economiche.

Ricerca & Sviluppo.   Un binomio indissolubile ed imprescindibile, sul quale grava un anatema verso il quale molta classe politica più “brevi-mirante” risulta decisamente poco sensibile: guai a valorizzare, incentivare, finanziare solo uno dei due termini del binomio, senza in parallelo lavorare anche sull’altro.   Certo, nelle situazioni di stretta contingenza si pensa che la soluzione migliore sia quella di puntare tutto su una ricerca estremamente applicata, o meglio ancora sullo sviluppo di applicazioni basate su conoscenze già acquisite. Il nostro Paese, così come le piccole industrie che hanno poco denaro ed un orizzonte di investimento a breve termine, vanno chiaramente in questa direzione, tralasciando erroneamente il fatto che lo sviluppo e la stessa ricerca applicata prendono le mosse ed attingono a piene mani, in modo inevitabile, dalla ricerca di base. Quella per intenderci svolta nelle Università, dagli enti di ricerca pubblici (in Italia ai primo posti il CNR e l’ENEA) e da pochi grandi gruppi industriali. Quella per intenderci dei professori e dei ricercatori con la testa fra le nuvole che passano il giorno a discutere del sesso degli angeli, del tutto indifferenti alle priorità cogenti del mondo “là fuori” dove urgono risposte veloci, chiare e soprattutto spendibili.    Questa almeno la percezione da parte dei non addetti ai lavori e, cosa ben più grave, negli ultimi tempi anche di molti addetti responsabili delle scelte che contano.

Per tornare dove eravamo rimasti, ovvero ai pannelli solari finalmente ben efficienti grazie a nuovi materiali, essi sono stati con tutta probabilità proposti sul mercato da ditte che hanno saputo sviluppare soluzioni idonee (nuove celle fotovoltaiche) sfruttando al meglio i risultati di una ricerca applicata (nuovi materiali) resa possibile solo grazie alla scoperta di nuovi metodi di sintesi chimica o di purificazione dei materiali, prima dei quali queste tecnologie risultavano del tutto ignote o nel migliore dei casi inaccessibili per una semplice ragione di costi.   Sono convinto, e credo di non essere l’unico a sostenere questa posizione, che la ricerca di base “quasi per definizione” non debba pensare ad una applicazione dei suoi risultati. Se lo facesse, in qualche modo, implicitamente, si auto-limiterebbe, tarpandosi le ali.   Magari raggiungerebbe i risultati prefissati, ma si trasformerebbe in questo modo in ricerca applicata e non potrebbe portare ad altro, neppure sul lungo periodo, all’infuori di ciò per cui è stata pensata.  Come suggeriva Primo Levi, un cercatore di funghi troverà probabilmente solo funghi ed è ben difficile che si accorga di un’altra prelibatezza che cresceva casualmente lungo in sentiero.   La ricerca scientifica pura ragiona al di fuori delle logiche dell’economia, ma è proprio questa la sua forza: il risultato di una scoperta fatta oggi su un argomento che per quanto importante non può scaturire in uno sviluppo applicativo per ragioni di costi, sarà poi recuperato fra molti anni (come è accaduto più volte) quando altre scoperte consentiranno di abbassare i costi di produzione o di sviluppo delle sue applicazioni. Sembra il pensiero di un inguaribile positivista, ma è effettivamente proprio nel periodo del positivismo che si sono gettate le basi più importanti della ricerca pura in chimica e in fisica dai quali sono scaturite molte della applicazioni degli anni successivi, fino ai giorni nostri.   Quindi non stiamo riponendo la nostra fiducia in una scienza onnipotente che, primo o poi, risolverà ogni problema ed ogni male.    Al contrario, il nostro deve essere inteso come un atto di modestia, la modestia di chi mette per un momento da parte la supponenza della propria conoscenza, quella che egli considera essere la sua idea di “bene” per le generazioni future, e semina un po’ tutte le specie di piante del suo erbario, anche quelle delle quali non conosce ancora i frutti o gli utilizzi, perché saranno i suoi figli ed i figli dei suoi figli a scegliere ed a scoprire ciò di cui avranno bisogno all’interno del giardino che insieme a tanta biodiversità conterrà anche tanta tantissima diversificazione della conoscenza.

laboratorio di Rutheford a McGill (1905): la scoperta del nucleo dell'atomo con attrezzature ancora artigianali

Per molti aspetti, noi siamo la terza, forse la quarta generazione che ha seguito il periodo d’oro delle ricerche di base, quando gli atomi neppure si sapeva cosa fossero con esattezza e gli scienziati si riunivano per discutere le basi fondanti della nostra disciplina. Se non ci fosse la conoscenza scientifica, e nello specifico chimica, ottenuta dalla ricerca di base, non sapremmo neppure da dove iniziare a sviluppare applicazioni e soluzioni ad hoc per i casi più pressanti ed economicamente vantaggiosi che la nostra società ci impone.
Il processo della conoscenza derivante dalla ricerca scientifica di solito non segue un andamento lineare e graduale ma, al contrario, assomiglia di più ad una funzione non dico esponenziale, ma per lo meno ad un ramo di iperbole.   Quando il network delle collaborazioni, delle relazioni commerciali, dello scambio di materiali e di conoscenza era appena all’inizio, il ricercatore doveva necessariamente costruirsi da solo i suoi apparecchi: poteva impiegare molti anni per metterli a punto, verificare la loro affidabilità e solo dopo poteva iniziare ad impiegarli per eseguire i suoi studi, rischiando oltre tutto di ripetere l’esperienza di un altro ricercatore che anni prima aveva studiato lo stesso argomento ma con del quale, per le ragioni de  l fato, non era riuscito ad avere notizia, o per lo meno a conoscerne i risultati in modo tale da non rischiare di buttare via tempo e denaro su un progetto già battuto, magari ripetendo gli stessi errori del suo predecessore. Non esisteva internet e la posta elettronica, le riviste scientifiche internazionali erano appena agli inizi, numericamente poche e distribuite in forma cartacea, e spostarsi da una parte all’altra del mondo per partecipare ai convegni di scienziati era sicuramente più difficile, lento ed oneroso.
Ora invece il network informativo scientifico, di tipo telematico, preesistente ad internet (o meglio: l’internet come lo sconosciamo noi è nato essenzialmente sulla base nel network telematico precedentemente sorto proprio per favorire lo scambio delle informazioni scientifiche) permette in poche ore di avere a disposizione un’informazione esaustiva di cosa è stato fatto, da parte di chi, quando, dove, come con che risultati su qualsiasi sostanza chimicamente definita della quale si conosca la struttura molecolare  . Compreso come ottenerla, come analizzarla e come farla reagire con altre molecole per ottenere prodotti diversi.    La condizione irrinunciabile perché tutto questo meraviglioso mondo stia in piedi è quella, ormai pienamente condivisa nel mondo della ricerca, di rinunciare alle logiche campanilistiche ed oscurantiste degli interessi di bottega e, al di là dei legittimi brevetti per le singole applicazioni, mettere a disposizione della comunità scientifica internazionale i risultati delle proprie ricerche di base, proponendole alla pubblicazione presso le riviste scientifiche specializzate su ciascuna argomento, oggi facilmente accessibili in formato elettronico e via telematica.

Questa è una delle mille storie possibili.   Siamo partiti dall’imbottitura dell’orsetto di peluche, ma potevamo partire anche con i suoi occhietti di plastica o con il suo pelo ed il risultato sarebbe stato analogo: presto o tardi, step più o step meno ci saremo presto buttati nuovamente a capofitto nell’intricato network della produzione chimica. Anche volendo dimenticare l’orsetto, se fossimo partiti dai vestiti che indossiamo, dagli alimenti cha mangiamo, dai farmaci con i quali ci curiamo o dalla bicicletta sulla quale andiamo al lavoro, il risultato sarebbe stato analogo.
Scusate, ho detto “una delle mille storie possibili” per modo di dire: in realtà, come avrete già avuto modo di intuire, sarebbero in realtà molte, molte di più.   Il catalogo di uno dei più importanti fornitori di reagenti per i laboratori di ricerca e controllo (quelli, per intenderci, forniti ad elevatissimo grado di purezza, in confezioni da armadietto, e che talvolta spuntano “giustificatamene” prezzi da gioielleria) annovera al suo interno diverse migliaia di “molecole” fra loro diverse.    Questo rappresenta a suo modo un buon indicatore del numero delle diverse sostanze chimiche attualmente prodotte nel mondo, la maggior parte in quantità davvero irrisorie, è vero, ma pur sempre inserite nel complesso network della produzione, commercio ed utilizzo delle sostanze chimiche.
Questa, come dicevo, è una delle mille storie possibili, ma a suo modo le riassume un po’ tutte.    Non ho intenzionalmente voluto scendere nello specifico delle singole sostanze chimiche e delle singole reazioni coinvolte, proprio per non raccontare “una” storia individuale ma per dare un’idea dello stile della narrazione: si tratta di un intreccio molto complesso, un reticolo fittissimo di relazioni, rimandi ed interdipendenze fra i soggetti più disparati, spesso fra loro distanti nello spazio e nel tempo. Una storia che è iniziata quando l’uomo ha acceso il suo primo fuoco, che si è sviluppata molto anni dopo con l’estrazione dei metalli e poi dopo ancora con la produzione di calce, pigmenti e così via.   In qualche modo, uno specchio autentico della storia dell’uomo.

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.