05 gennaio 2011

La chimica dentro di noi

In questo post vorrei darvi un'idea di quanto sia brulicante e vitale il mondo della chimica dentro di noi, in ogni singola cellula del nostro corpo. 

Se cerchiamo la definizione di chimica, quella che più spesso ci viene proposta è piuttosto simile a questa: "scienza che studia la materia e le sue trasformazioni". Tale spiegazione, tuttavia, non fa subito pensare a quella branca della chimica che più mi affascina: la biochimica, ovvero la chimica che studia tutti i processi e le reazioni chimiche tipiche degli esseri viventi.

Partiamo da una cellula [1]: qualche centesimo di millimetro che racchiude tutti gli elementi indispensabili alla vita.
Quando si parla di atomi e molecole sembra un mondo distante, chiuso nei laboratori: in realtà è semplicemente un mondo infinitamente piccolo, che riguarda anche la vita di tutti noi.

Prima di immergerci in questo microcosmo affascinante, facciamo un passo indietro e vediamo qualche semplice definizione.
Una molecola è formata da unità più piccole, chiamate atomi; ciascuno di essi è, a sua volta, costituito da particelle più piccole: i protoni, i neutroni (che insieme formano il nucleo) e gli elettroni. Gli elettroni sono particelle cariche negativamente, i protoni sono carichi positivamente, mentre i neutroni sono elettricamente neutri.
Figura 1: Rappresentazione di un atomo.

Questi tre corpuscoli sono presenti negli atomi in quantità differenti, a seconda dell'elemento chimico che prendiamo in considerazione.  
Normalmente l'atomo è neutro e, quindi, il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni. Il numero dei neutroni può essere variabile a seconda dell'isotopo considerato. Il numero atomico definisce il numero di protoni presenti in un atomo.

Ad esempio, il sodio (simbolo chimico Na) ha numero atomico 11, mentre il cloro (simbolo chimico Cl) ha numero atomico 17; uniti insieme formano la molecola di cloruro di sodio, il comune sale da cucina (in simboli NaCl).

Figura 2: Un granello di sale formato da sodio __ e cloro __.

Circa il 99% di un essere vivente è formato da 4 semplici elementi chimici [2]
Questi, uniti tra loro secondo proporzioni precise e costanti [3], formano le molecole presenti nel corpo umano e, quindi, anche tutti gli elementi indispensabili al nostro organismo:  acqua, zuccheri (o glucidi), grassi (o lipidi), proteine, acidi nucleici, ma anche vitamine e sali minerali.

Iniziamo questo affascinante viaggio alla scoperta degli elementi chimici del nostro corpo partendo dall'acqua. Successivamente  vedremo, invece, alcuni esempi di: glucidi, lipidi, proteine, acidi nucleici, vitamine e sali minerali.

Una molecola d'acqua (simbolo chimico H2O) è formata da 2 atomi di idrogeno e 1 atomo di ossigeno; l'acqua è la sostanza più abbondante nel nostro organismo: circa il 65% del corpo umano è costituito da questa molecola. 


Water molecule
Figura 3: Una molecola di acqua

La sua presenza è importante per lo svolgimento di tutte le reazioni biochimiche che avvengono negli esseri viventi. L’acqua svolge un ruolo essenziale nella digestione, nell’assorbimento, nel trasporto e nell’utilizzo delle sostanze nutritive; è fondamentale per mantenere elastica e ben idratata la pelle; consente all’organismo di eliminare le scorie ed è indispensabile per la regolazione della temperatura corporea. 

I glucidi sono molecole composte da carbonio, idrogeno ed ossigeno; lo zucchero più semplice è il glucosio, utilizzato dalle nostre cellule come combustibile per produrre ATP, ovvero l'energia indispensabile alla vita. Il glucosio è costituito da 6 atomi di carbonio, 12  di idrogeno e 6 di ossigeno (C6H12O6).

Alpha-D-Glucopyranose
Figura 4: Una molecola di glucosio

Tutti sappiamo che quando mangiamo una fetta di torta assumiamo degli zuccheri, ma poi diventa molto difficile immaginarseli a spasso per il nostro organismo, circolanti nel sangue o dentro le nostre cellule... Tuttavia, è proprio quello che accade!! Gli zuccheri che assumiamo, una volta trasformati in glucosio dall'apparato digerente, circolano nel sangue ed entrano nelle nostre cellule. 
Come ho accennato precedentemente, la funzione più importante degli zuccheri è quella di produrre energia: nelle cellule ci sono, infatti, delle strutture specializzate, chiamate mitocondri, che, attraverso una serie di reazioni chimiche, ricavano energia dal glucosio. 

Un elemento indispensabile per la produzione di ATP [4] è l'ossigeno (O2) che noi prendiamo dall'esterno con la respirazione; un prodotto di scarto è, invece, l'anidride carbonica (CO2) che eliminiamo quando espiriamo l'aria.
Come fanno tutte queste sostanze chimiche ad entrare ed uscire dalle nostre cellule?
I gas respiratori passano attraverso i lipidi (o grassi) presenti nel rivestimento esterno di ogni cellula: la membrana plasmatica

Figura 5: La membrana plasmatica con i fosfolipidi e le proteine.

I grassi presenti nella membrana sono chiamati fosfolipidi, perché, oltre a carbonio e idrogeno, presenti in tutti i grassi, contengono anche del fosforo (P) legato con l'ossigeno. La parte che contiene il fosforo si chiama "testa" ed è idrofila (dal greco: ama l'acqua); le restanti parti di questo particolare lipide si chiamano "code" e sono idrofobe (sempre dal greco: odiano l'acqua).
Il glucosio, invece, entra nelle nostre cellule grazie a delle molecole proteiche che si trovano nella membrana. 

Tali proteine trasportatrici sono prodotte dalle nostre cellule a partire da elementi più semplici chiamati amminoacidi: 20 molecole formate da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto (N) più altri elementi caratterizzanti (genericamente indicati con la lettera R). 

Figura 6: Struttura di un amminoacido.

Di questi amminoacidi, 12 possono essere sintetizzati (ovvero costruiti) direttamente dalle nostre cellule attraverso lunghe e complesse reazioni chimiche; i rimanenti 8 devono necessariamente essere ricavati direttamente dagli alimenti proteici, come carne, pesce, legumi, uova, latte e derivati.
La cellula per costruire correttamente le proteine di cui ha bisogno, prende le istruzioni direttamente dal DNA (acido desossiribonucleico), depositario di tutte le informazioni indispensabili alla vita della cellula e dell'organismo.
L'acido desossiribonucleico è una molecola a forma di doppia elica, costituita da: zucchero (desossiribosio), gruppi fosfato e basi azotate. Le basi azotate sono quattro: l'adenina che si lega con la timina e la citosina che si lega con la guanina.
Figura 7: Il DNA.

Specifiche proteine, chiamate enzimi, creano una particolare copia del DNA (chiamata RNA messaggero): esso contiene tutte le istruzioni necessarie per costruire una data proteina.  Questo processo è noto come trascrizione.
La molecola di RNA è molto simile al DNA ma presenta due differenze sostanziali: lo zucchero è il ribosio e la timina è sostituita da un'altra base azotata, chiamata uracile.

Gli organelli in grado di sintetizzare le proteine sono i ribosomi: essi interpretano le indicazioni scritte sul messaggero ed uniscono tra loro gli amminoacidi necessari a sintetizzare una proteina.
Tale processo è noto come traduzione.

Figura 8: I processi di trascrizione e traduzione.

Molto spesso le reazioni chimiche che avvengono nel nostro corpo necessitano anche di minerali, vediamo qualche semplice esempio. 
Il ferro (simbolo chimico Fe) è un componente essenziale dell'emoglobina, la proteina che consente ai globuli rossi del sangue di svolgere il loro compito: trasportare ossigeno ed anidride carbonica. Una carenza di ferro può portare ad una forma di anemia, nota come anemia sideropenica.
Il calcio (simbolo chimico Ca) è un minerale fondamentale per il benessere delle nostre ossa ed è implicato in numerosi processi fisiologici. Ad esempio, la sua presenza è fondamentale per la contrazione muscolare, per la comunicazione tra le cellule nervose o per la coagulazione del sangue. Nelle persone affette da osteoporosi, si assiste, tra l'altro, ad un eccessivo rilascio di calcio da parte delle ossa.

Anche le vitamine svolgono un ruolo fondamentale nel nostro organismo; si tratta di molecole con una composizione chimica e funzioni piuttosto variegate, vediamo un paio di esempi.
La vitamina A (formula chimica: C20H30O) è importante per una visione corretta; la carenza di questa vitamina può causare, infatti, disturbi visivi, come la scarsa visione in penombra.
La vitamina C (formula chimica: C6H8O6), invece, ha proprietà antiossidanti ed una sua carenza prolungata può provocare lo scorbuto, grave malattia che colpisce le mucose e causa emorragie.

In questo post ho citato semplicemente alcuni esempi ma spero di aver trasmesso l'idea di come tutto nel nostro corpo avvenga attraverso la precisa interazione di molecole che, collaborando assieme, contribuiscono a dar vita a quella meravigliosa macchina che è il corpo umano.



Questo post partecipa al carnevale della chimica del 23 gennaio 2011 ospitato dal sito Chimicare.org

Tania Tanfoglio 

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Note 

[1]  Cliccando su cellula è possibile vedere un breve filmato che ne spiega i principali elementi costitutivi. 

[2]  Cliccando su questo link è si accede ad una tabella del Foresight Institute con una stima degli atomi e delle molecole presenti nel corpo umano. 

[3]  Legge delle proporzioni definite e costanti (Proust 1799)
“In un qualsiasi composto chimico gli elementi sono presenti in un rapporto di peso fissato e costante, indipendente dal processo di preparazione".
 

[4] Per chi volesse approfondire, consiglio di cliccare su ATP per vedere un interessantissimo video sulla respirazione cellulare, ovvero il meccanismo che porta alla produzione di energia. Il video è in inglese ma, grazie alle immagini, è di facile comprensione.


Indice delle figure

Figura 1 immagine di un atomo tratta da un ipertesto sul mondo della fisica, realizzato da ragazzi delle scuole medie.

Figura 2 immagine del cloruro di sodio tratta da wikimedia.

Figura 3 immagine dell'acqua tratta da wikimedia. 

Figura 4 immagine del glucosio tratta da wikimedia. Ogni angolo corrisponde ad un atomo di carbonio; ciascun atomo di carbonio è sempre legato con altri 4 atomi; quando non è indicato alcun atomo, per convenzione, è sottinteso l'atomo di idrogeno. Il legame tra gli atomi è indicato dalle linee che li uniscono. Tenendo conto di queste semplici regole, è facile individuare nella molecola di glucosio: 6 atomi di C, 12 di H e 6 di O.

Figura 5 immagine tratta dal seguente articolo: "Membrana." Microsoft® Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007. Microsoft ® Encarta ® 2008. © 1993-2007 Microsoft Corporation. Tutti i diritti riservati.

Figura 6 immagine di un amminoacido tratta da wikipedia.

Figura 7 immagine tratta dal seguente articolo: "DNA." Microsoft® Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007. Microsoft ® Encarta ® 2008. © 1993-2007 Microsoft Corporation. Tutti i diritti riservati.

Figura 8 immagine dei processi di trascrizione e traduzione tratta da wikimedia  e modificata.


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