Molecola

Molecola

Piccola ma indipendente

Le molecole sono la parte più piccola di un elemento o di un composto capace di esistenza indipendente. Possono essere costituite da due o più atomi uguali oppure da atomi di elementi differenti. Ogni molecola ha una struttura ben precisa, che ne caratterizza l’attività chimica o fisiologica. Conoscendo la struttura della molecola di una sostanza naturale i chimici sono in grado di riprodurla in laboratorio, e sono state prodotte anche moltissime molecole che non esistono in natura, per finalità terapeutiche o economiche. Le molecole sono stabili anche se separate le une dalle altre e possono diffondersi nell’ambiente: quindi è necessario controllare le possibili forme di invisibile inquinamento molecolare

C’è, ma non si vede

Il profumo che si sprigiona da una torta appena sfornata è qualcosa che si diffonde nell’aria e la cui presenza è avvertita dal nostro naso, ma che non si vede. Il sapore dolce dello zucchero sciolto nell’acqua lo sentiamo in bocca, anche se i suoi cristalli bianchi non si vedono più. Osservazioni come queste portarono gli antichi filosofi a pensare che tutta la materia fosse costituita di minutissime particelle, invisibili per l’occhio e tuttavia percepibili mediante gli altri sensi. Successivamente gli scienziati hanno studiato a fondo queste particelle e le hanno chiamate molecole, termine che deriva dal diminutivo della parola latina moles, con il significato di «piccola massa».

I nostri sensi ‘molecolari’

Prima di descrivere come sono fatte le molecole, possiamo soffermarci su ciò che esse comunicano ai nostri sensi. In effetti, noi percepiamo aspetti molto diversi della realtà che ci circonda. La vista e l’udito sono sensi che rispondono a stimoli fisici, come segnali luminosi e onde sonore, senza che ci sia un contatto diretto con la fonte degli stimoli. Il gusto e l’olfatto richiedono invece un contatto diretto con le molecole che suscitano in noi le sensazioni di dolce o di amaro, di profumo o di puzzo; questi sensi potrebbero essere detti ‘sensi chimici’ perché – come vedremo fra poco – è la chimica che studia le molecole. D’altra parte, sempre attraverso i nostri sensi sappiamo che esistono moltissimi tipi diversi di molecole, dato che noi tutti riconosciamo moltissimi sapori e odori diversi. Nella lunga storia dell’evoluzione i sensi chimici furono i primi a essere sviluppati, e tuttora molte specie viventi, come i batteri, comunicano con il loro ambiente solo attraverso messaggi molecolari.

Cosa sono le molecole

I chimici si sono messi a studiare le molecole un paio di secoli fa, con risultati davvero straordinari. Per quanto detto a proposito di gusti e di odori possiamo intuire che le molecole devono essere piccolissime: e infatti è stato stabilito che le loro dimensioni sono tali che in un centimetro cubo di aria ci sono dieci miliardi di miliardi di molecole!

Ogni elemento chimico è formato da moltissime particelle tutte eguali, chiamate atomi. Una goccia di mercurio è costituita soltanto da atomi di mercurio, e un pezzetto di ferro contiene soltanto atomi di ferro. Anche una goccia d’acqua è fatta di innumerevoli piccolissime particelle, tutte eguali, però in questo caso esse non sono costituite da atomi singoli ma da tre atomi, di due tipi diversi e legati saldamente fra di loro a formare un nuovo tipo di particella, chiamato molecola. Una molecola è definita come una particella, costituita da uno o più atomi, in grado di esistere autonomamente e di mantenere le sue proprietà almeno all’interno di determinate condizioni ambientali.

Le molecole dell’acqua per esempio mantengono la loro identità sia quando sono libere di muoversi nell’acqua liquida, sia quando sono immobilizzate nel ghiaccio. Dato che anche gli atomi del mercurio liquido e del ferro fuso esistono autonomamente (per esempio quando li vaporizziamo ad alta temperatura), possiamo dire che le molecole di questi metalli sono costituite da un solo atomo.

Le molecole e gli atomi

Una molecola d’acqua è costituita da due atomi di idrogeno e da un atomo di ossigeno. I chimici indicano con la lettera H un atomo di idrogeno (l’elemento idrogeno), e con la lettera O un atomo di ossigeno (l’elemento ossigeno). Usando questi simboli una molecola d’acqua è rappresentata con la formula H₂O, dove il numero 2 indica – appunto – che nella molecola d’acqua vi sono due atomi di idrogeno.

L’ossigeno è presente nell’aria in forma molecolare, cioè con due atomi eguali uniti in una molecola con formula O₂. Nelle parti più alte dell’atmosfera l’ossigeno è presente anche in un’altra forma molecolare, quella dell’ozono (O₃), costituito da tre atomi di ossigeno. Nell’aria che respiriamo sono presenti altri due gas: l’azoto (simbolo N) e l’argo (simbolo Ar). La molecola dell’azoto ha formula N₂, ed è quindi costituita da due atomi di azoto, mentre la molecola dell’argo ha formula Ar, la stessa che rappresenta un singolo atomo di argo.

Il conteggio degli atomi nelle molecole

La molecola di Ar, formata da un solo atomo, è detta monoatomica; le molecole di O₂ e di N₂, formate da due atomi, sono dette biatomiche; le molecole H₂O e O₃, formate da tre atomi sono dette triatomiche. Questi conteggi ci pongono due problemi.

Il primo nasce dal fatto che il simbolo Ar rappresenta sia un atomo sia una molecola di argo, mentre per l’ossigeno facciamo una netta distinzione fra atomo O e molecola O₂. La spiegazione si trova nella definizione stessa di molecola. In condizioni normali l’argo esiste nell’aria sotto forma di molecole indipendenti monoatomiche; l’ossigeno si presenta con molecole biatomiche O₂, perché gli atomi isolati O, giunti a contatto con altre sostanze, reagirebbero subito. La distinzione è quindi fondamentale: noi respiriamo molecole di ossigeno, e non atomi di ossigeno, che sarebbero terribilmente reattivi.

Il secondo problema riguarda il numero di atomi che costituiscono una molecola: se esistono molecole mono-, bi- e triatomiche, dovremmo forse contrassegnare con un termine speciale anche quelle con centinaia o migliaia di atomi? La risposta naturalmente è no. Nel nostro organismo esistono molecole costituite da decine di migliaia di atomi (per esempio una gamma-globulina ne ha 19.996) e i termini con cui esse sono designate non dipendono dal numero degli atomi.

I legami all’interno della molecola

Gli atomi sono formati da un nucleo centrale, pesante e con carica elettrica positiva, e da elettroni, leggerissimi, con carica negativa e in movimento vorticoso intorno al nucleo. Nelle molecole gli elettroni (negativi) di un atomo sono attratti anche dai nuclei (positivi) degli altri atomi. I nuclei invece si respingono fra loro perché hanno una carica elettrica dello stesso segno. Il gioco di attrazioni e di repulsioni degli atomi di una molecola è complicato, ma in definitiva essi sono vincolati fra loro dagli elettroni.

I vincoli fra gli atomi si chiamano legami e possono essere più o meno forti, ma comunque agiscono in direzioni ben precise. Il tipo di legame condiziona l’orientamento nello spazio della molecola e quindi anche le sue caratteristiche.

La struttura molecolare

In tutte le molecole formate da più di due atomi, questi hanno la possibilità di disporsi nello spazio in diversi modi. L’anidride carbonica è un composto di carbonio (C) e ossigeno, di formula CO₂. Le molecole di anidride carbonica CO₂ sono quindi triatomiche come quelle dell’acqua H₂O e dell’ozono O₃. Ebbene, le tre molecole citate hanno i loro tre atomi disposti in modo completamente diverso: in CO₂ gli atomi giacciono su una stessa retta (O = C = O), cioè la molecola è lineare; in H₂O i legami H - O - H formano un angolo di 104°; nella molecola dell’ozono O₃ i tre atomi di ossigeno sono disposti ai vertici di un triangolo equilatero, formando così una struttura chiusa. Si può facilmente capire quanto possa essere spaventosamente grande il numero di possibili disposizioni nello spazio dei 19.996 atomi che compongono la molecola della gammaglobulina citata in precedenza.

Tuttavia, non tutte le posizioni nello spazio sono possibili, perché le forze che agiscono nel mondo microscopico sono piuttosto ‘esigenti’. Dall’equilibrio fra attrazioni e repulsioni le molecole si stabilizzano con una disposizione reciproca degli atomi ben precisa, che i chimici hanno chiamato struttura molecolare. La stabilità della struttura molecolare è di somma importanza, nella natura, nella scienza e nella produzione industriale.

Il termine struttura richiama alla mente la disposizione degli elementi di un edificio, degli organi di un essere vivente o delle parti di una macchina. Anche da questo punto di vista la struttura molecolare ha un nome ben indovinato; le molecole infatti funzionano proprio in relazione alla loro struttura.

Proteine e altre molecole eccellenti

L’ossigeno che respiriamo è messo a disposizione di ogni cellula del nostro organismo dalle molecole di una sostanza chiamata emoglobina (quella che dà il colore ai globuli rossi del sangue). La struttura dell’emoglobina è costituita da 9.072 atomi. Quattro di questi sono atomi di ferro, collocati in luoghi (siti) speciali della molecola, detti gruppi eme; quando il sangue giunge nei capillari dei polmoni, ciascun gruppo eme è in grado di legare a sé una molecola di ossigeno, e poi di scambiare in ogni parte del corpo l’ossigeno vitale con l’anidride carbonica prodotta dalle cellule. Di ritorno ai polmoni l’emoglobina cede l’anidride carbonica e riprende l’ossigeno. Tutto questo meraviglioso processo di trasporto molecolare si può realizzare soltanto perché i 9.072 atomi dell’emoglobina compongono una struttura abbastanza flessibile da permettere il trasporto di molecole diverse e da potersi ridisporre, di volta in volta, in modo adatto agli scambi dell’ossigeno con l’anidride carbonica e viceversa.

L’emoglobina è un esempio importante di proteina. Le proteine sono una classe di sostanze essenziali per tutti gli organismi viventi, dai batteri all’uomo. Le cellule del corpo umano producono migliaia e migliaia di proteine diverse, ciascuna adatta a svolgere una funzione specifica nel nostro organismo. Un altro esempio molto noto è quello dell’insulina, una sostanza le cui molecole sono costituite da 959 atomi. L’incapacità dell’organismo di produrre insulina provoca il diabete, una grave malattia che impedisce un corretto metabolismo degli zuccheri.

Anche il mondo vegetale ha le sue molecole particolari. La clorofilla è forse la sostanza più caratteristica delle piante; conferisce il colore verde alle foglie e le sue molecole hanno formula C₅₅H₇₂O₅N₄Mg. Quindi la molecola di clorofilla è formata da 55+72+5+4+1= 137 atomi, un numero piccolo rispetto ai 9.072 atomi dell’emoglobina, ma sempre in grado di lasciar intravedere una precisa ingegneria molecolare da parte delle cellule delle piante.

Le malattie molecolari

Il diabete è dovuto a un difetto di certe cellule del pancreas che non producono abbastanza insulina. Altre malattie sono causate da un’alimentazione priva delle sostanze per noi necessarie e che il nostro organismo non è in grado di produrre da sé. Un caso molto noto è quello della vitamina C, la cui molecola ha formula C6H8O6. Ne sono ricchi gli agrumi (moltissimo), altre frutta e le verdure. La sua mancanza provoca lo scorbuto, una malattia che colpisce chi per molto tempo non mangia frutta e verdura fresca.

Vi sono altre gravi malattie le cui cause sono legate proprio a un’alterazione della struttura di qualche molecola. L’anemia mediterranea (o talassemia o microcitemia) diffusa particolarmente in Sardegna e in Sicilia, è causata dalla produzione di molecole di emoglobina difettose. La struttura di queste molecole difettose differisce molto poco da quella delle molecole efficienti, però le piccole differenze hanno un effetto devastante sulla salute dei malati, che per sopravvivere devono sottoporsi a continue trasfusioni di sangue. Malattie di questo tipo hanno un’origine genetica e sono state anche chiamate malattie molecolari.

Costruire vecchie e nuove molecole

I concetti di legame e di struttura molecolare furono formulati per la prima volta nella seconda metà dell’Ottocento, e da allora non hanno cessato di essere estremamente utili nelle pratiche sperimentali dei chimici. Se si conosce la struttura di una molecola, e ci sono le sostanze opportune, allora i chimici possono produrre grandi quantità di quella molecola.

Consideriamo un caso semplice: supponiamo che si voglia ottenere etano (un idrocarburo), di formula C₂H₆, a partire da metano, di formula CH₄. La struttura dell’etano è descritta dalla formula H₃C - CH₃: il numero 3 dopo il simbolo H indica che ogni atomo di carbonio è legato a tre atomi di idrogeno, mentre il trattino rappresenta il legame che tiene insieme i due atomi di carbonio. La reazione che porta dal metano all’etano è la seguente:

2 CH₄ -> H₃C - CH₃ + H₂

La freccia indica che la reazione trasforma due molecole di metano in una molecola di etano e in una di idrogeno. Con questa reazione i chimici hanno costruito una molecola più complessa a partire da due molecole più semplici; questo tipo di reazione è chiamato sintesi. Poiché esistono migliaia di reazioni diverse e milioni di sostanze differenti, i chimici hanno a disposizione un immenso gioco di costruzioni molecolari, che permette loro di fare mediante sintesi tutte (o quasi) le molecole che desiderano. Per esempio, nel 1948 fu sintetizzato per la prima volta il cortisone (di formula C₂₁H₂₈O₅), un nuovo farmaco che permise di attenuare le sofferenze di molti malati di reumatismi e di artrosi.

Con queste sintesi molecolari si possono ottenere molecole molto grandi, come quelle che costituiscono i materiali plastici e le fibre sintetiche. Queste molecole gigantesche sono chiamate macromolecole o polimeri. In natura vi sono molti tipi di macromolecole; per esempio la cellulosa, un carboidrato presente ovunque nelle piante, è fatta da lunghe catene di migliaia di molecole di glucosio (C₆H₁₀O₅).

Fra le sostanze macromolecolari che sono state sintetizzate dall’uomo ha grande importanza il polietilene, il materiale con cui è fatta la pellicola trasparente che si usa in cucina per proteggere i cibi dall’aria. Il polietilene ha formula (C₂H₄)_n: questo significa che il polietilene è formato da n unità, legate tra loro, del gruppo C2H4, dove n vale circa 1.000.

Le molecole e l’ambiente

Attualmente, in tutto il mondo sono prodotte dall’industria chimica e dall’industria farmaceutica molte migliaia di sostanze diverse. Seppure poche rispetto a quelle sintetizzate dalle piante e dagli animali, la loro quantità e soprattutto la loro dispersione nell’ambiente sono preoccupanti. Abbiamo visto tutti, in luoghi bellissimi, le bottiglie e gli altri oggetti di plastica abbandonati da persone incivili e maleducate; ma un altro tipo di inquinamento, invisibile in quanto è di natura molecolare, è ancora più pericoloso per la nostra salute e per la conservazione dell’ambiente. Proprio perché le molecole possono esistere autonomamente, esse possono essere diffuse nell’ambiente dalle acque, dai venti, dagli animali stessi che talvolta le ingeriscono e le ridistribuiscono nelle catene alimentari e nei cicli ambientali.

Un caso che fece scalpore molti anni fa è quello del DDT, sostanza utile per uccidere gli insetti nocivi e impiegata massicciamente per debellare le zanzare portatrici della malaria, che fu ritrovata nel grasso degli orsi polari, a migliaia di chilometri dai luoghi dove era stata usata come pesticida.

Il futuro delle molecole

Per quanto riguarda il futuro sviluppo dell’impiego delle molecole di sintesi, cioè preparate dall’uomo, va considerato innanzitutto che, se la qualità della nostra vita è strettamente legata all’uso delle molecole (pensiamo soltanto ai principi attivi di farmaci come il cortisone), è anche condizionata dall’ambiente che ci circonda.

Di qui il problema importante di limitare o impedire l’uso di sostanze la cui natura molecolare potrebbe farle sfuggire al nostro controllo.

Sul versante della sintesi di nuove molecole il futuro è affascinante, perché i chimici già sintetizzano molecole che funzionano come macchine molecolari; per ora sono macchine rudimentali in cui gruppi di atomi si muovono rispetto ad altri gruppi in base a segnali chimici od ottici che il sistema molecolare riceve, ma le tecniche di sintesi stanno diventando sempre più raffinate, e probabilmente si arriverà a costruire veri e propri calcolatori molecolari. Il mistero della vita è in gran parte un mistero molecolare.