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Polimeri Naturali

 

POLIMERI NATURALI


Molto prima che esistesse la plastica ed i polimeri sintetici, tantissimi anni addietro fino all’inizio della vita sulla terra, la natura utilizzava i polimeri naturali per rendere possibile la vita. Non pensiamo ai polimeri naturali nello stesso modo in cui pensiamo a quelli sintetici in quanto non possiamo prenderci il merito come se fossero meraviglie della nostra ingegnosità, le industrie chimiche non possono venderle per ottenere guadagni. Questo comunque non rende i polimeri naturali meno importanti; anzi risulta che siano ancora più importanti sotto molti aspetti.

I polimeri natuali comprendono RNA e DNA che sono così importanti nella genetica e nei processi vitali. Infatti  RNA  messaggero è quello che rende possibili le proteine, i peptidi e gli enzimi. Gli enzimi sono in effetti un supporto per la chimica negli organismi viventi e i peptidi formano alcuni dei componenti strutturali più interessanti della pelle, dei capelli e perfino delle corna dei rinoceronti. Altri polimeri naturali comprendono i polisaccaridi (polimeri dello zucchero) e i polipeptidi come seta, cheratina e capelli. Anche la gomma naturale, naturalmente è un polimero naturale costituito esclusivamente da carbonio e idrogeno. Diamo un’occhiata ad ogni famiglia principale dei polimeri naturali più da vicino.

Polisaccaridi

DNA e RNA

RNA e DNA contengono catene polimeriche basate sulle unità di zucchero. Questo le rende polisaccaridi, sebbene nel caso di RNA e DNA, esistano gruppi ben ordinati legati alle unità di zucchero, che forniscono a questi polimeri le loro straordinarie capacità.

Legno e Patate.

Un’altra famiglia di polisaccaridi comprende l’amido e la cellulosa. L’amido è un polisaccaride ad elevato peso molecolare. Alimenti come il pane, il mais e le patate sono colmi di amido. L’amido può avere anche 10.000 unità zuccherine collegate una all’altra. Il modo in cui queste unità si legano, disposte in modo lineare o con alcune ramificazioni, determina il tipo di amido o polisaccaride (approfondiremo l’argomento più avanti). Un altro membro molto importante della famiglia dei polisaccaridi è la cellulosa. E’ il polimero principale che forma piante e alberi. Il legno è costituito principalmente da cellulosa. Questo polimero è diverso dall’amido. (Cliccate qui per saperne di più). L’amido è solubile in acqua calda e può essere usato facilmente per diversi scopi. La cellulosa, d’altro canto, è molto cristallina e praticamente non è solubile. Il cotone è una forma di cellulosa che viene utilizzata in molti dei nostri indumenti. Il fatto che non sia solubile in acqua calda è molto importante. Altrimenti i nostri abiti si dissolverebbero quando li laviamo. La cellulosa, inoltre, ha la caratteristica, quando viene inumidita, e passata con il ferro caldo, di diventare più liscia ed ammorbidirsi. Questo fa sì che i nostri indumenti di cotone sembrino belli (almeno per un po’) ma rende possibile il lavaggio.

Chitina: Il polimero per gli amanti del pesce!

Un altro membro dei polisaccaridi è la chitina. Si trova nei gusci delle aragoste, dei gamberi, dei granchi, dei gamberetti e degli altri crostacei. E’ dura, insolubile… ed anche in qualche modo flessibile. Non siamo riusciti a capire come creare polimeri sintetici che abbiano questa chiara combinazione di proprietà. Non siamo nemmeno riusciti a capire che cosa fare con la chitina, anche se usiamo la cellulosa in molte applicazioni chimiche e per produrre carta, case in legno, calzature in legno, e simili. Sono in corso molte ricerche per l’utilizzo della chitina in diversi modi, e può darsi che qualche giorno si possano realizzare indumenti o plastica con questo polimero. Si tratta di un’area di ricerca molto importante in quanto utilizza i polimeri naturali derivanti da fonti rinnovabili di prodotti di scarto. (Sapete quanti gamberi perdono il loro guscio ogni anno per noi?)

Chimicamente la chitina è poli-(N-acetil-glucosammina). Eccone la struttura.

Impariamo dalla natura

Se date un’occhiata più da vicino ad ogni membro di queste famiglie di polimeri naturali ricordatevi questo: la natura era lì per prima, e di gran lunga! Uno dei compiti di noi scienziati è quello di cercare di capire come la natura agisca in modo così perfetto per poterla imitare. Ad esempio quando abbiamo scoperto le straordinarie proprietà della seta siamo stati poi in grado di realizzare la seta sintetica sotto forma di nylons. C’è ancora molto da fare, comunque, prima che si possano realizzare un RNA e un DNA sintetici, il che porterebbe ad una vita sintetica. Mentre probabilmente non arriveremo mai a questo, il tentativo di capire come funziona porta notevoli sviluppi nei polimeri sintetici e nelle altre aree compresa la medicina e la biochimica. Questo porta ad un argomento importante ossia che la scienza è come la vita. Non ha a che fare solo con una materia, ma con tutte le materie collegate tra loro. La scienza dei polimeri non è l’unica scienza, e può anche non essere la scienza più importante (anche se noi che siamo del settore pensiamo di si!) E’ una delle aree che possono aiutarci a capire ed a utilizzare la conoscenza che noi ricaviamo dallo studio della natura. In questo modo sviluppiamo tecnologie.

(Nota: solo per chiarire questa questione dell’insieme scienza-e-tecnologia, scienza e tecnologia sono due cose diverse. La scienza è la raccolta di conoscenza tramite l’osservazione e la sperimentazione. La tecnologia è l’utilizzo di questa conoscenza. Ad esempio: Usando la scienza abbiamo appreso che i gas ad elevata temperatura espandono. Usando quindi la tecnologia, utilizziamo i principali gas che si espandono ad elevata temperatura per realizzare i motori a scoppio che possono far funzionare un’automobile. Capite come funziona?)

PROTEINE E POLIPEPTIDI

Proteine

Le proteine sono state il primo esempio di poliammidi (un nome carino per il nylon). Entrambe hanno in comune molti tratti ma sono molto diverse nel modo in cui sono costituite e nelle loro proprietà fisiche. Sono simili per il fatto che entrambe contengono i legami ammidici nella catena principale.Le ammidi sono formate dall’unione di gruppi funzionali carbossilici e da gruppi amminici tramite la perdita di acqua. (Per saperne di più cliccate qui). Il segmento molecolare ammidico è unico nella sua struttura e nelle sue interazioni intramolecolari. A causa dell’ibridazione dell’azoto, del carbonio e dell’ossigeno del gruppo ammidico, il segmento è sostanzialmente piatto. Cosa più importante, l’idrogeno sull’azoto e l’ossigeno carbonilico sono capaci di forti interazioni chiamate legame idrogeno. Per questo motivo i gruppi ammidici si piacciono così tanto da formare forti connessioni, le quali forniscono insolite proprietà ai questa classe di polimeri. Questo tipo di interazione viene anche discussa nella sezione relativa ai nylons, ed è la similitudine chiave tra le  poliammidi sintetiche  e quelle naturali.

Le differenze tra il modo in cui la natura produce i nylons ed il modo in cui noi lo facciamo è sorprendente. La maggior parte delle volte produciamo il nylon con molecole che contengono molti gruppi CH2 La sezione sui nylon mostra strutture del nylon 6 e del nylon 6,6, due delle  poliammidi sintetici più comuni. Possiedono quattro, cinque o sei gruppi CH2 tra le unità ammidiche. La natura, comunque, risparmia molto di più scegliendo di utilizzare solo un singolo atomo di carbonio tra i gruppi ammidici. La differenza è che la natura sostituisce questo atomo di carbonio con molti segmenti e gruppi funzionali differenti.Questo da origine a due proprietà fondamentali. Prima di tutto i segmenti individuali e la stessa molecola sono attivi a livello ottico o chirale. Questo significa che sono come guanti: ci sono entrambe le versioni, destra e sinistra. Per qualche ragione la natura sceglie di usare solo la versione sinistra degli amminoacidi  sintetizzati dalle piante e dagli animali. Il fatto che venga utilizzato solo uno dei due isomeri porta ad alcune conseguenze stereochimiche. Ad esempio i polipeptidi naturali possono formare strutture elicoidali mentre i nylon non possono. Le conformazioni elicoidali aumentano la stabilità dei polipeptidi naturali. Sapete che alcuni batteri possono sopravvivere in acqua bollente? Questo è possibile poiché i loro polimeri naturali sono stati stabilizzati da queste strutture elicoidali. La figura mostra una di queste strutture elicoidali, chiamata elica-a Piccoli segmenti di tali strutture elicoidali sono quelli che la natura utilizza per dare una certa forma agli enzimi in modo che possano realizzare la loro magia catalitica. Ad esempio un segmento flessibile, avvolto in modo casuale, può essere unito a due eliche-a in modo che possano reagire insieme su qualche substrato.

ENZIMI

Gli enzimi sono uno dei tipi principali di polipeptidi e sono indispensabili per la vita sulla terra. Tutti gli organismi viventi utilizzano enzimi per fare, modificare e sminuzzare i polimeri di cui abbiamo parlato. Gli enzimi sono i catalizzatori che svolgono compiti particolari. In effetti la maggior parte delle volte ogni enzima svolge un solo tipo di lavoro o forma solo un tipo di molecola. Questo significa che ci devono essere molti enzimi differenti, tutti formati da diverse combinazioni di amminoacidi uniti nei polipeptidi in modo unico per svolgere tutti i compiti di cui necessitano gli organismi viventi. Sappiamo che ogni creatura sulla terra ha centinaia o anche migliaia di enzimi diversi per svolgere tutti i compiti necessari. La cosa veramente strana è che ogni enzima deve essere prodotto da altri enzimi. Questo conduce ad un meccanismo di controllo molto complicato: non abbiamo la più pallida idea (nella maggior parte dei casi) di come la natura decida quali enzimi debbano essere prodotti e quando, o come gli enzimi vengano attivati e disattivati. Stiamo iniziando a comprenderlo, e lo studio di questi sistemi è una parte importante della biochimica e della biologia.

Viaggiando sulla strada della seta

Uno dei polipeptidi caratteristici che abbiamo iniziato ad utilizzare molto presto per le sue grandiose proprietà è la seta. La seta è stata scoperta dai Cinesi molto tempo prima della nascita di Gesù. La seta è prodotta da piccoli bachi che costruiscono i bozzoli, dove si tramuteranno in farfalle. Rubiamo la seta ai bruchi che resterebbero in quel limbo per molto tempo. La seta viene filata in fibre. Fasci di sottilissimi polimeri singoli uniti tra loro per essere più resistenti. Questo è il metodo con cui si fanno le corde, usando deboli fili singoli legati insieme in modo tale che il gruppo sia flessibile e resistente. La struttura delle molecole di seta è insolita per un polipeptide. Essa ha molti degli amminoacidi non sostituiti, come la glicina. I segmenti di glicina sono in grado di formare catene piatte ed estese capaci di aggregarsi in modo gradevole e compatto. Questo da alla seta la sua caratteristica resistenza e brillante flessibilità. La seta possiede delle caratteristiche talmente particolari , specialmente nei climi caldo-umidi, che le hanno permesso di dominare il commercio nell’est Asiatico per secoli e secoli. Il commercio della seta tra Giappone e Cina ha controllato l’economia delle civiltà di quella zona per un periodo più lungo di quanto vogliano ammettere i due Paesi. Anche in America la seta è diventata importante prima della Seconda Guerra Mondiale, veniva utilizzata per produrre calze in seta. Quando la seta iniziò ad essere utilizzata per le corde del paracadute le donne si preoccuparono molto. Questo indusse le società chimiche a sintetizzare la seta artificiale, il nylon, per poter produrre calze in nylon in modo che le donne potessero avere nuovamente i piedi caldi e gli uomini potessero tornare a combattere la loro guerra.

Un’altra differenza fondamentale tra i polipeptidi ed i nylons è il modo in cui vengono prodotti. Noi esseri umani produciamo i nylons a tonnellate ogni giorno in enormi impianti chimici dove semplici molecole vengono unite in grandi quantità per fornirci i prodotti di cui abbiamo bisogno o che desideriamo. La natura è molto più attenta e concisa nel modo in cui fa le cose. In un organismo vivente, per produrre un enzima devono essere coinvolti un altro enzima o una specie attiva. La sintesi coinvolge sempre delle “dime”, una registrazione del modo in cui gli amminoacidi singoli debbano essere uniti insieme per avere il polimero finale. Questa dima o mappa è un RNA messaggero (mRNA). Il messaggio che trasporta, naturalmente, è il modo in cui l’enzima coinvolto che forma il peptide dovrebbe realizzare il polipeptide. Ogni amminoacido viene portato all’enzima tramite una molecola portatrice e successivamente attivato per l’unione ai precedenti , mediante reazioni a catena. L’enzima aggiunge un singolo amminoacido per volta come indicato dal mRNA. Si tratta di un processo lento e noioso che richiede molto tempo. Qualche volta gli enzimi si sentono frustrati, in attesa che arrivi il giusto amminoacido, e aggiungono quello sbagliato. Per compensare questo viene fatto il “back up” dell’enzima ogni tanto per controllare il lavoro. Se si è verificato un errore esiste un processo per rimuovere l’amminoacido sbagliato ed inserire quello corretto. Noi esseri umani non facciamo mai così, lo distruggiamo e lo buttiamo via, tutto qui.

LE NOSTRE DEBOLI CAPACITA’

Stiamo iniziando a comprendere come la natura metta insieme queste molecole ed abbiamo capito come farlo da soli. In ogni caso non siamo così bravi e non possiamo creare molecole molte grandi in modo efficace. Se commettiamo un errore, infatti, roviniamo l’intera molecola e non sappiamo come aggiustarla. Il tipo di macchina utilizzato per realizzare polipeptidi sintetici analoghi a quelli naturali viene chiamata sintetizzatore peptidico. Questa macchina è costruita intorno a piccole perle polimeriche che uniamo al primo amminoacido che vogliamo inserire nella nostra catena polipeptidica. (Viene chiamato Approccio alla Sintesi Merrifield. L’utilizzo delle perle di polimero è stata un’idea molto importante, Robert Merrifield ha vinto il premio Nobel per questo negli anni cinquanta.) A questo punto prendiamo un amminoacido attivato, simile a quello utilizzato dalla natura, e lo colleghiamo formando un legame ammidico. Ripetiamo questo processo in continuazione, cercando di attivare questa reazione ogni volta su ogni molecola su ogni perla. Talvolta, non siamo così fortunati e perdiamo un amminoacido. Questo significa che alcuni polipeptidi hanno delle unità mancanti. Questo conduce a miscugli di prodotto buono e prodotto cattivo, nei quali il prodotto buono può essere il componente minore. Questo peggiora in modo proporzionale alla grandezza del polipeptide che stiamo cercando di realizzare ed è uno dei problemi più gravi che riscontriamo nel metodo utilizzato per ottenere i polipeptidi.

Se solo potessimo capire come fare il “back up” ed il controllo di ognuna delle nostre aggiunte, e quindi correggere gli errori che riscontriamo, forse potremmo fare un buon lavoro così come lo fa la natura. Forse.

Probabilmente vi state chiedendo perché vogliamo fare un lavoro così complesso come creare prodotti sintetici analoghi sintetici di quello che la natura fa così bene. (Se non ve lo chiedete, andate avanti ugualmente). Sono molte le ragioni, una delle quali è quella di capire come agisce la natura. Un’altra è quella di capire perché peptidi ed enzimi lavorano in quel determinato modo. Spesso non è chiaro a noi comuni mortali il motivo per cui una data sequenza di amminoacidi faccia si che un polipeptide assuma una certa forma o una certa struttura. Queste strutture sono punti chiavi per capire come i polipeptidi svolgano qualsiasi compito affidato loro dalla natura. Qualche volta quando vediamo il modo in cui la natura mette insieme queste molecole, possiamo realizzare prodotti sintetici analoghi che fanno la stessa cosa ma sono più facili da realizzare. Questo ha portato allo sviluppo di nuovi farmaci e al trattamento di alcune malattie genetiche.

La natura inoltre agisce in modo diverso da noi sintetizzando i polipeptidi in acqua. La maggior parte delle nostre sintesi non utilizza acqua. Noi talvolta sintetizziamo le nostre poliammidi in solventi organici tossici. Questo crea un problema: cosa facciamo con i solventi organici una volta terminato il processo? Talvolta li bruciamo, ma stiamo cercando di riciclare questi materiali sempre di più. Non solo sono sempre più costosi da acquistare (paragonati all’economica acqua che si trova ovunque, o quasi ovunque) ma dobbiamo essere responsabili del loro riciclaggio, purificazione ed eliminazione finale. Un esempio di come la natura usa l’acqua in questo modo, che noi non abbiamo ancora capito, è la produzione della seta dei ragni. I ragni tessono le loro ragnatele da soluzione di polipeptidi in acqua. Queste soluzioni vengono spinte fuori attraverso una piccola filiera del ragno ed allungate velocemente per formare la ragnatela che tutti abbiamo già visto e nella quale qualcuno si è infilato. La cosa veramente misteriosa è che, una volta formate, queste ragnatele non sono più solubili in acqua. Se solo potessimo capire come i ragni prima facciano la seta nell’acqua e poi  filino le loro ragnatele, potremmo realizzare il nylon nello stesso modo. Questo potrebbe risparmiarci un sacco di problemi di eliminazione dei rifiuti, e denaro. Questa è un’area di ricerca di base per la quale abbiamo bisogno di molto aiuto; forse avete in mente qualche processo che potremmo provare.

 

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