Alessandro Agosti

Passaggi di stato

La chimica: un’oscura disciplina, a volte definita come “scienza centrale” in quanto a metà strada tra la fisica e le scienze applicate (biologia, medicina, ingegneria…). Un vecchio adagio recita “tutto è chimica” e una ben più recente pubblicità ammicca all’aspetto magico, quasi impalpabile di questa scienza: “questo è questione di chimica!”, ricorda l’assistente di volo alla piccola esperta di fluidodinamica.

La chimica è soprattutto la scienza della trasformazione e perché no, dei passaggi! Dei “passaggi di stato”, delle trasformazioni delle proteine, del “passaggio” del DNA dalla forma a doppia elica a quella aperta… Con questo brevissimo saggio mi piacerebbe potervi portare nel mondo dell’infinitamente piccolo e cercare di farvi incuriosire ad uno degli argomenti più “fisici” della chimica: il legame-idrogeno. La prima ipotesi dell’esistenza di questa forza magica si deve al chimico americano Maurice L. Huggins che, assieme ai suoi collaboratori Wendell M. Latimer e Worth H. Reynold, pubblicò un articolo nel 1920 in cui si descriveva il legame idrogeno come spiegazione per le proprietà di alcuni liquidi. Dopo quasi 100 anni molto ancora rimane da scoprire su questa fantastica proprietà chimica.

Quale bizzarro elemento è l’idrogeno! Il più piccolo elemento chimico, lassù, in alto a sinistra nella tavola periodica. Eppure l’idrogeno e il cosiddetto legame idrogeno rivestono un ruolo fondamentale in tantissimi aspetti della scienza e anche della vita di tutti i giorni.

Immaginiamo la molecola più famosa: la molecola di acqua H2O. Due atomi di idrogeno legati ad un atomo di ossigeno attraverso un angolo tra di loro ben definito. Ecco che l’ossigeno (un altro elemento famoso) ha una differenza fondamentale rispetto all’idrogeno: è avido di elettroni e vuole tenerseli tutti vicino (in termine tecnico questa proprietà si chiama elettronegatività). La nostra piccola molecola di acqua si troverà quindi ad essere costituita da una parte ricca di elettroni (l’atomo di ossigeno) dunque con un parziale carica negativa ed una parte povera di elettroni (gli atomi di idrogeno) con un parziale carica positiva. Allora, come nella vita, gli opposti tendono ad attrarsi: le nostre molecole di acqua, che si trovano in un continuo movimento non saranno disposte a casaccio ma con una disposizione sempre ben precisa ed intercambiabile. Ogni atomo di idrogeno (𝛅+) cercherà di avvicinarsi ad un atomo di ossigeno (𝛅-) in un reticolo infinito fatto di infinite molecole di acqua. Così il famoso proverbio “semplice come bere un bicchiere d’acqua” vediamo come nasconda un microscopico mondo affascinante.

Ma cosa succede quindi quando il nostro bicchiere di acqua si raffredda? Beh, direi che la risposta è semplice: ghiaccia! Ed è altrettanto noto che l’acqua ghiacciata aumenta il suo volume! Pensiamo infatti ai paesaggi artici con enormi zattere di ghiaccio che galleggiano sul mare. Il motivo di questa apparentemente banale trasformazione, di questo passaggio di stato risiede ancora una volta nel legame idrogeno tra le molecole di acqua. La struttura dell’acqua è questa volta “cristallizzata” in modo ordinato, le molecole ferme (quasi immobili) in una struttura ordinata. Ecco come la più ovvia delle molecole è in grado di regalarci delle immagini artisticamente splendide.

Spostiamoci adesso in una dimensione tridimensionale ancora più grande: quella delle proteine. Come noto le proteine sono un polimero biologico costituito da una catena di unità semplici detti amminoacidi. In particolare, gli enzimi sono quelle molecole in grado di far avvenire delle trasformazioni chimiche nel nostro corpo. Sono dei veri e propri chimici specializzati, ognuno con un compito ben preciso da svolgere. Ovviamente la sequenza di amminoacidi è fondamentale per caratterizzare una proteina ma ancora di più lo è la sua struttura secondaria e terziaria, ovvero il modo in cui questa catena si dispone nello spazio.

È proprio al legame a idrogeno (a dire il vero anche ad altre interazioni deboli) che dobbiamo la sua struttura. Ma ormai abbiamo imparato che il termine struttura ha in sé un concetto dinamico, di continua transizione da una situazione (detta configurazione) ad un’altra. Il rompersi e il formarsi in modo ordinato di questi legami che consente agli enzimi di ospitare la molecola da trasformare (substrato) all’interno del sito di reazione (sito attivo) e di effettuare la trasformazione chimica.

Vediamo ora un ultimo esempio, la struttura della molecola più famosa del mondo: il DNA. La molecola della vita, la molecola che contiene il nostro patrimonio genetico ovvero il libro con le istruzioni per costruire ogni essere vivente.

La scoperta della sua struttura ha essa stessa una storia affascinante (ma questa sarà per un’altra volta). Altrettanto affascinante è la sua struttura tridimensionale, la famosa doppia elica costituita da 4 piccole molecole organiche (le basi azotate contenenti carbonio, idrogeno e azoto) e dalle molecole di uno zucchero speciale. Ed è proprio il legame idrogeno a consentire questa magica struttura. Allo stesso modo, alcuni legami idrogeno che si rompono consentono a questa doppia elica di “srotolarsi” creando due singoli filamenti. Ognuno di questi filamenti darà luogo alla sua copia identica generando quindi un nuovo DNA… la molecola della vita, la molecola che contiene le istruzioni per costruire le proteine che, come abbiamo visto poco fa, svolgono infiniti ruoli nel nostro corpo.

Ho provato ad illustrarvi brevemente come uno dei fondamenti della chimica generale, un concetto introdotto in qualsiasi corso della scuola superiore, possa avere una presenza così ubiquitaria nella chimica e nella biologia. È interessante inoltre sapere che proprio queste conoscenze di tipo fondamentale stanno alla base per esempio dello sviluppo di nuovi farmaci. Immaginiamo di poter scoprire, per una certa malattia, una modificazione del DNA (di un gene) che la causa. Questo gene difettoso causerà una modifica di una proteina che quindi si comporterà in modo anomalo. Ecco quindi che i biologi andranno a scoprire la struttura tridimensionale di questa proteina, ne determineranno la sequenza di amminoacidi e attraverso simulazioni al computer costruiranno la sua struttura nello spazio, identificando il sito attivo ovvero quella piccolissima porzione dove avverrà la reazione chimica. Tale informazione consentirà a chimici e biologici di simulare al computer (molecular docking in termine tecnico) una molecola che si incastrerà nel sito attivo e bloccherà la funzione della proteina anomala. Queste simulazioni si basano ancora oggi in grande parte sui legami idrogeno e sulle interazioni tra farmaco e proteina (host-guest interaction in termine tecnico). Una volta proposte varie strutture il chimico le produrrà in laboratorio e inizierà il percorso di test che porterà al candidato finale: il farmaco. Pensate che di circa 20.000 molecole ipotizzate appena una sola diventerà un farmaco, dopo circa 6-9 anni di ricerca.

Può fare quindi sorridere riflettere sulla frase “tutto è chimica”1. Qualcuno può pensare che sia riduttiva una visione del mondo che vada alla ricerca di una spiegazione razionale per la forma dei cristalli di neve, le zattere di ghiaccio con gli orsi polari, il colore di un lago di montagna o che si interroghi su come sia nata l’aspirina. A volte però mi capita di immergermi in un microscopico mondo immaginario fatto di singole molecole, di un ordine apparentemente caotico ma meraviglioso. Un ordine che se osservato per un singolo istante sembra immobile ma che è in continua trasformazione, passaggio dopo passaggio dopo passaggio…

di ALESSANDRO AGOSTI


1 Per chi volesse immergersi nel mondo della chimica con dei micro-saggi corredati da illustrazioni consiglio Derek B. Lowe, The Chemistry Book: From Gunpowder to Graphene, 250 Milestones in the History of Chemistry, Seattle, Sterling, 2016. Per chi invece è interessato ad approfondire la chimica in tutti i suoi aspetti, dal concetto di bellezza di una sintesi chimica agli aspetti filosofici consiglio una raccolta di saggi del premio Nobel 1981, Roald Hoffmann, (a cura di Jeffrey Kovac, Michael Weisberg), Roald Hoffmann on the Philosophy, Art and Science of Chemistry, Oxford, Oxford University Press, 2012. Strepitoso il saggio sul rasoio di Ockam e la chimica organica…

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