Solo 27 dei 92 elementi chimici naturali sono essenziali per le diverse forme di vita. Quello più importante per la chimica organica e della materia vivente è il carbonio, il cui simbolo è C, l’elemento numero 6. Il carbonio, grazie alle sue caratteristiche, ha la possibilità di formare delle catene di diverse lunghezze (C-C-C-C-C-C-…) e di diverse forme: lineari, ramificate, cicliche, alle quali si attaccano altri elementi: l’idrogeno (H), l’ossigeno (O), l’azoto (N) sono i più frequenti. Questi 4 elementi costituiscono il 99 % della massa delle cellule degli organismi viventi.
Le molecole organiche sono moltissime, ma in genere si tratta di macromolecole, molecole di grandi dimensioni, tanto che alcune di esse possono essere viste al microscopio, costituite da ripetizioni di un piccolo numero di elementi base.
I composti che hanno una struttura simile appartengono alla stessa classe. Le classi fondamentali di composti di cui sono costituiti gli esseri viventi sono quattro: i carboidrati, i lipidi, le proteine, e gli acidi nucleici, meglio noti come DNA e RNA.
Ma quali sono le caratteristiche del carbonio che lo rendono così diverso dagli altri elementi, tanto da generare una diversa branca della chimica?
Il segreto sta nella piramide
Le piramidi, in particolare quelle egizie, sono circondate da profonde credenze simboliche e mistiche. Con la loro forma che si innalza verso il cielo, non erano semplicemente tombe monumentali, ma vere e proprie “macchine di resurrezione” progettate per trasformare il sovrano mortale in un dio eterno. Queste affascinanti costruzioni hanno stimolato la fantasia popolare facendo nascere una scienza, la piramidologia, una disciplina esoterica che attribuisce proprietà energetiche, terapeutiche e taumaturgiche alla forma piramidale, in particolare se basata sulle proporzioni della piramide di Cheope, che è una piramide a base quadrata con 4 facce triangolari. La base misura 230,36 metri e lo spigolo 219 metri e i lati sono perfettamente allineati con i quattro punti cardinali. E’ stata fantasiosamente attribuita alla forma della piramide di Cheope una aumentata capacità di conservare ciò che viene posto sotto di essa, al punto che qualcuno ha deciso di dormire sotto una struttura piramidale con la speranza di non invecchiare!
La piramide del carbonio
La piramide del carbonio invece è un tetraedro, un poliedro con 4 facce triangolari identiche.
Il carbonio ha sei elettroni disponibili per i legami chimici, posizionati nella zona più esterna rispetto al nucleo, due nell’orbitale 2s e quattro negli orbitali detti 2p. L’orbitale 2s può essere immaginato come una nuvola sferica, mentre gli orbitali p come tre nuvole a forma di 8, una delle quali resta vuota, visto che ogni orbitale contiene due elettroni.
L’ibridazione è un processo che mescola l’orbitale 2s e i tre orbitali 2p per creare quattro orbitali equivalenti, con una forma intermedia fra s e p, detti sp3, che puntano proprio verso i vertici di un tetraedro. Ogni orbitale ospiterà un elettrone, e si potranno formare 4 legami covalenti con altri atomi, assolutamente equivalenti, per la lunghezza e gli angoli che formano fra loro che sono esattamente di 109,5° (un po’ di più dell’angolo retto).
Ad esempio, nella molecola del metano che ha formula CH4, un atomo di carbonio ibridato sp3 lega covalentemente 4 atomi di idrogeno.
Questa conformazione permette al carbonio di formare lunghe catene C-C, che possono ruotare liberamente intorno a ciascun legame, che consentono la formazione degli innumerevoli composti della chimica organica e della biochimica.
La cellula è un laboratorio chimico multitasking
La capacità di formare catene conferisce alle macromolecole organiche la possibilità di assumere forme tridimensionali specifiche, che sono di fondamentale importanza perché le reazioni biochimiche sono basate sulla complementarità delle forme. Le molecole che devono interagire fra loro, per produrre reazioni, come gli enzimi, o effetti biologici, come gli ormoni e i loro recettori, hanno forme che combaciano fra loro come la chiave nella serratura, il che permette loro di riconoscersi e di affiancarsi dalla parte in cui deve avvenire la reazione, con precisione assoluta.
Questo permette ad una singola cellula, che contiene circa 5000 tipi diversi di composti organici, di far avvenire al proprio interno migliaia di reazioni biochimiche contemporaneamente senza produrre reazioni indesiderate, il che sarebbe impossibile in un laboratorio chimico!
Il segreto della vita
Se tutta la materia vivente è costituita da composti organici, molecole inanimate che si comportano secondo le stesse leggi della chimica e della fisica che governano la materia inanimata, cosa differenzia la materia vivente da quella non vivente?
Le biomolecole reagiscono fra loro all’interno delle cellule viventi utilizzando energia, e ogni reazione governa una specifica funzione vitale. L’energia necessaria agli organismi viventi è fornita direttamente o indirettamente dal sole. Le interazioni fra le molecole, l’organizzazione complessa e ordinata e il consumo di energia distinguono la chimica dalla bio-chimica, la chimica della vita. Possiamo dire quindi che il tetraedro sia la piramide della vita, con poteri assai più sorprendenti della piramide di Cheope.
* Biochimico, ex direttrice del dipartimento di medicina epidemiologica e igiene del lavoro ed ambientale dell’INAIL
Scrivi