Scienza leggera: la chimica è facile (così come la vita del DNA)

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La chimica è facile. Almeno buona parte della chimica. Perché si basa su un concetto assai familiare cui siamo abituati dall’alba dei tempi: il mondo è diviso in due e gli opposti si attraggono. L’uomo è attratto dalla donna (anche se non sempre), la Luna viene dopo il Sole (e viceversa), esistono il male e il bene, il nero e il bianco. Questa visione delle cose è limitata e limitante perché spesso la realtà sta nelle sfumature di colore; tuttavia è assai utile in molte circostanze, come questa di cui qui parleremo.

Nella chimica questa dualità coincide con la carica elettrica positiva e quella negativa. Anzi, per meglio dire: nelle molecole esistono zone di maggiore carica positiva e zone di maggiore carica negativa. Queste zone si attraggono.

Cos’è una molecola e perché si genera questa disomogeneità di carica? Una molecola è un aggregato di atomi tenuti insieme da legami chimici. Gli atomi sono, a loro volta, formati da un nucleo positivo e un certo numero di elettroni negativi. Per ora possiamo visualizzare gli elettroni come piccole sfere in movimento attorno al nucleo. Agli elettroni non piace stare soli e amano invece stare in coppia. Perciò, quando in un atomo ci sono elettroni “spaiati”, essi vanno in cerca di altri elettroni spaiati, in altri atomi, per accoppiarsi. Questo “accoppiamento”, ossia, in particolare, la condivisione di due elettroni tra due atomi, dà luogo ad un legame chimico. Che, quindi, altro non è se non due atomi tenuti vicini da due elettroni dei quali, inizialmente uno era situato attorno ad un nucleo (in un atomo) e l’altro attorno all’altro nucleo (nell’altro atomo).

molecolaLa molecola d’acqua è composta da un atomo di ossigeno (O) che forma due legami con due atomi di idrogeno (H), ognuno dei quali è formato dall’accoppiamento di un elettrone dell’ossigeno e uno dell’idrogeno.

Vicino all'ossigeno (zona rossa) c'è più carica negativa rispetto alla zona vicino agli idrogeno (zona azzurra)

Vicino all’ossigeno (zona rossa) c’è più carica negativa rispetto alla zona vicino agli idrogeno (zona azzurra)

Ora è necessario fare un passo avanti, anzi due. Per prima cosa gli elettroni (negativi) impegnati in un legame chimico sono attratti differentemente dai nuclei (positivi) tenuti insieme dal legame chimico stesso. Ad esempio, nella molecola d’acqua, in ognuno dei due legami, i due elettroni sono più attratti dall’ossigeno che dall’idrogeno. E sono quindi più vicini al nucleo di ossigeno rispetto a quello d’idrogeno. Ne consegue che attorno all’ossigeno c’è più carica negativa rispetto a quanta ce n’è attorno all’idrogeno.

Il secondo cambio concettuale riguarda la natura stessa degli elettroni: invece di considerarli come piccole sfere discrete, è utile (nonché corretto) considerarli come una nuvola di carica negativa che permea e circonda i vari nuclei positivi in una molecola. Possiamo dunque immaginare la molecola d’acqua come una nuvola elettronica o una macchia di colla negativa (gli elettroni) dentro la quale troviamo i nuclei positivi infilati ed appiccicati dentro di essa e quindi da essa tenuti insieme. Per quanto detto sopra, questa nuvola negativa non è simmetricamente disposta intorno ai nuclei, bensì più spostata e più densa vicino al nucleo di ossigeno. Quindi, “dalla parte” dell’ossigeno ci sarà una zona di maggior carica negativa e “dalla parte” dell’idrogeno una zona di maggior carica positiva.

Incontro tra due molecole d'acqua: la zona positiva (pallina più piccola = idrogeno) e quella negativa (pallina più grande = ossigeno) si avvicinano

Incontro tra due molecole d’acqua: la zona positiva (pallina più piccola = idrogeno) e quella negativa (pallina più grande = ossigeno) si avvicinano

Torniamo ora al concetto iniziale: gli opposti si attraggono. Cosa accade quando due molecole d’acqua si incontrano? La zona di maggior carica negativa (vicino all’ossigeno) di una molecola e quella di maggior carica positiva (vicino all’idrogeno) dell’altra molecola si attraggono. Perciò le due molecole si avvicinano e – grazie a questa interazione – rimangono vicine.

Questa attrazione intermolecolare può stabilirsi anche tra due molecole diverse, ad esempio una molecola d’acqua e una di glucosio. In alcuni casi, l’interazione tra le due molecole, sempre dovuta all’attrazione tra due zone con carica opposta, è così forte e particolare che le “nuvole elettroniche” delle due molecole (con i nuclei dentro di esse) si mescolano e si riorganizzano, formando due nuove nuvole elettroniche, ognuna delle quali non contiene gli stessi nuclei che non sono legati l’uno all’altro nello stesso modo. Ossia si formano nuove molecole (nuvole elettroniche dentro le quali sono infilati i nuclei). L’incontro di due molecole che ha come conseguenza la generazione di due nuove molecole è quella che normalmente si chiama una reazione chimica (il numero “due” è solo un esempio). Dato che la molecola è l’unità fondamentale che definisce una sostanza, una reazione chimica (l’”incontro” tra molecole che ne genera altre) è una trasformazione di sostanze.

Da cosa è guidata questa trasformazione? Dal fatto che agli elettroni (nuvola elettronica) “piace” stare vicino agli atomi che più li attraggono (l’esempio più comune è l’ossigeno). Dunque, una reazione – semplificando – avviene quando l’incontro tra le due nuvole elettroniche offre loro la possibilità di riorganizzarsi in una nuova maniera tale per cui gli elettroni possono stare più vicini agli atomi che più li attraggono. La reazione di combustione (legno più ossigeno) o quella del glucosio con l’ossigeno (che ci permette di ricavare l’energia per essere vivi) avvengono perché, nei prodotti (acqua e anidride carbonica) l’ossigeno (un atomo che attrae molto gli elettroni) è circondato da più nuvola elettronica rispetto ai reagenti iniziali.

Torniamo ora alla situazione in cui l’attrazione tra zone di carica positiva e negativa di due molecole non conduce alla loro trasformazione (reazione chimica), ma solo allo stabilirsi di un’interazione che permette loro di starsene vicine. Queste zone si attraggono e si “cercano”, facendo sì che le rispettive molecole si dispongano in maniera tale da rendere più forte possibile questa interazione. Come una chiave e la sua serratura.

sticky-1Ora supponiamo che nella nuvola elettronica della molecola esistano più zone con maggiore carica positiva o negativa e non solo una. Ad esempio una molecola può avere due zone dove è accumulata molta carica negativa e una zona dove si trova un eccesso di carica positiva. Questa molecola “cercherà” e “starà bene” se riuscirà a trovare una molecola ad essa complementare, ossia una caratterizzata da due zone con alta densità di carica positiva e una zona con alta densità di carica negativa. Non solo: queste tre zone, oltre ad essere complementari, devono essere posizionate in maniera tale che i tre “incastri” (gli opposti si attraggono) siano efficaci. Come avere una molecola con due serrature e una chiave a determinate distanze tra di loro; l’altra molecola deve avere due chiavi e una serratura esattamente alle stesse distanze. Come due pezzi di Tetris.

Se ciò avviene, dato che gli opposti si attraggono, le due molecole si appiccicano e stabiliscono interazioni favorevoli che le fanno “stare bene” e vicine. Un esempio può essere quello rappresentato nella figura qui sotto, dove N e O sono atomi dove si accumula molta carica negativa (elettroni) e H, legato a N, un atomo spoglio di elettroni (zona di carica positiva). Gli opposti si attraggono e generano interazioni tra le molecole rappresentate dalle linee tratteggiate.

Accoppiamento tra la Timina (T) e l'Adenina (A)

Accoppiamento tra la Timina (T) e l’Adenina (A)

Un altro esempio è il seguente. Anche questo è un incastro perfetto. Proprio davanti all’N e all’O di una molecola si posizionano gli H (legati ad un N) dell’altra.

Accoppiamento tra Guanina (G) e Citosina (C): in rosso zone con maggior carica negativa, in azzurro zone con maggior carica positiva

Accoppiamento tra Guanina (G) e Citosina (C): in rosso zone con maggior carica negativa, in azzurro zone con maggior carica positiva

Ora immaginiamo di avere una lunga serie delle molecole rappresentate in  figura: timina (T), adenina (A), citosina (C), guanina (G), unite una all’altra in una catena. Ognuna di queste molecole “cercherà” la sua compagna, e solo quella, per stabilire le interazioni viste nelle figure sopra (le linee tratteggiate). Cosa accade globalmente? Tutta la catena “cercherà” un’altra catena esattamente complementare a se stessa. Se, ad esempio, la catena è: A-A-T-G-G-T-C, essa andrà in cerca e si avvicinerà alla catena: T-T-A-C-C-A-G. Perché solo in tal modo, le sue zone dove si accumula molta carica negativa e quelle dove si accumula carica positiva potranno trovarsi vicine nella maniera corretta con le zone che hanno caratteristica opposta dell’altra catena.

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La catena di sinistra si “accoppierà” con una catena ad essa complementare generando una doppia catena

Siamo quindi arrivati ad avere due catene formate da molte molecole, affacciate l’una all’altra in maniera complementare (A sempre legato a T e C sempre legato a G) e tenute insieme da interazioni razionalizzabili in termini di attrazione tra zone delle nuvole elettroniche dove c’è maggiore o minore accumulo di elettroni.

Queste interazioni sono intermolecolari, ossia si stabiliscono tra le molecole e non dentro le molecole, come i legami chimici veri e propri. La natura delle molecole rimane intatta e non è cambiata da questi “incastri” intermolecolari. Così, mentre  spezzare un legame chimico, ossia allontanare due nuclei dentro una molecola richiede molta energia (come se fossero uniti con una colla molto potente), rompere una interazione intermolecolare è molto più facile (la colla è debole). 

Ciò significa che le due catene descritte sopra possono essere separate senza molta fatica. Supponiamo di farlo: otteniamo le due catene di partenza (vedi figura). Per quanto detto sopra, ognuna delle due catene “cercherà” e si unirà alla sua complementare. Immaginiamo che questa catena complementare non sia quella dalla quale si è appena separata, bensì una nuova. Cosa accadrà alla fine del processo? Avremo ottenuto due catene unite, esattamente uguali alle precedenti, ossia avremo replicato le due catene ottenendone una copia identica. Quanto descritto è – in versione semplificata – la replicazione del DNA, ossia il processo alla base della vita e – secondo alcuni – la definizione stessa di vita.

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Se le due catene si separano e “cercano” due nuove catene ad esse complementari, si otterranno (frecce rosse) due doppie catene identiche alla doppia catena iniziale

In particolare, ciò che è stata replicata è l’esatta sequenza di lettere (A, T, C, G). Infatti, così come una frase (ad esempio: “L’Undici è la migliore rivista online”) può essere copiata e mantenere lo stesso senso solo se copiamo le lettere che la compongono esattamente nello stesso ordine, (“L’atsrivi enionl è al regliomi dicinU” usa le stesse lettere disposte in ordine diverso), così, per non perdere l’”informazione chimica” contenuta nel DNA, le catene devono essere copiate in modo che le molecole che le compongono siano unite esattamente nella stessa maniera.

E tutto funziona sulla base del semplice concetto “gli opposti si attraggono”.

Cos’è esattamente l’”informazione chimica” contenuta nel DNA? Alla prossima puntata….

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