Macchine Molecolari Naturali, Parte 6: I movimenti meccanici

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

Questo articolo segue da:
Vedi i “link correlati” riportati in basso.

Abbiamo quindi visto che all’interno degli organismi viventi vi sono delle vere e proprie macchine dell’ordine di grandezza delle molecole, esse sono degli stupefacenti complessi congegni meccanici, degli aggregati supramolecolari detti macchine molecolari naturali. Queste macchine molecolari sono sorprendentemente simili alle macchine di cui l’Uomo si è dotato nei secoli e nei millenni per ruotare, traslare, formare e deformare dispositivi e oggetti (vedi in basso nei link correlati l’articolo “Non puoi inventare ciò che non esiste”) e che, con la rivoluzione industriale ha esasperato aumentandone la robustezza, la precisione, l’affidabilità ed il carico di lavoro sostenibile.

Negli organismi viventi tali macchine molecolari hanno scopi ben precisi quali la soddisfazione dei bisogni delle cellule (e quindi della vita), ovvero l’attuazione di reazioni chimiche necessarie per trasformare le molecole in altre utili alla vita della cellula, il trasporto del materiale molecolare (ad esempio l’ossigeno nell’emoglobina), la copia e la trasduzione del codice genetico nelle proteine, lo scambio di informazioni con altre cellule, ma non solo.

I movimenti macroscopici compiuti da qualsivoglia organismo vivente compreso tra i batteri e le balene è frutto del movimento microscopico di un interminabile numero di macchine molecolari che operano la deformazione dei nostri tessuti come un’immensa fabbrica superavanzata. Per porre all’attenzione un esempio sorprendente osserviamo la parola ed il pensiero. Essi hanno una componente concreta frutto di precise sequenze di azioni operate da microattuatori molecolari presenti nelle cellule neuronali. Il pensiero è mosso da microattuatori meccanici nelle cellule nervose, il segnale viaggia attraverso una tensione dell’ordine dei milliVolt (il potenziale di riposo dei neuroni è di 70 milliVolt, ebbene sì… siamo “elettrici”) ed il movimento dei muscoli delle labbra è attuato da ulteriori microattuatori specializzati.

La Scienza riconosce circa 10.000 diversi tipi di macchine molecolari solo nel corpo umano, il numero totale è imprecisato ma vi basti pensare che in un organismo umano ci sono circa 60.000.000.000 di cellule ed ognuna di esse contiene 120.000.000.000 di atomi. Nel corpo umano si stimano un totale di circa 7.200.000.000.000.000.000.000 di atomi facenti parte di 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (1 miliardo di miliardi di miliardi) di molecole. Si tratta dell’industria più tecnologicamente avanzata ed estesa dell’Universo conosciuto.

Alcune tipologie di macchine molecolari sono in grado di effettuare movimenti complessi, molte altre svolgono funzioni vitali pur con movimenti semplici come rotazioni, spostamenti lineari e trasformazioni. Il movimento meccanico simile a quelli di bracci robotici o di automatismi industriali avviene in seguito ad interazioni di tipo chimico: legami intermolecolari che si rompono o si formano. Nonostante l’analogia con i robot costruiti dall’uomo, le Macchine Molecolari Naturali sono esteticamente differenti e “meccanicamente” molto più sorprendenti. La loro struttura, ad esempio, può essere avvolta quasi a nascondere alla “vista” certi movimenti, salvando in realtà moltissimo spazio ed operando secondo “metodi” poco intuitivi per l’Uomo che, affascinato e sorpreso li studia con immenso stupore.

Vediamo ora nel seguito di questa rubrica esempi pratici di spostamenti lineari, rotazioni e deformazioni.

Immagine

Gran parte delle macchine molecolari naturali è formata da proteine, lunghe molecole costituite da catene di amminoacidi uniti fra loro mediante legami peptidici. Il legame peptidico è un particolare tipo di legame covalente utile alla formazione di proteine. Le catene di amminoacidi delle proteine tendono ad avvolgersi per dare strutture globulari capaci di svolgere ben precise funzioni.

Continua…

Fonti
Alberto Credi, Vincenzo Balsani, Le macchine molecolari. 1088 press, 2018;
Alberto Credi, professore ordinario di chimica all’Università di Bologna e
ricercatore associato al Consiglio Nazionale delle Ricerche;
Vincenzo Balzani, professore emerito presso l’Università di Bologna.
Grande Dizionario Enciclopedico, UTET;
UTET Scienze Mediche;
Fondamenti di Chimica, UTET;

Link correlati

Non puoi inventare ciò che non esiste
Quanti tipi di forze conosci?

Macchine Molecolari Naturali, Parte 1: Congegni, interruttori, attuatori e motori – Intro
Macchine Molecolari Naturali, Parte 2: Biologia e Nanotecnologia
Macchine Molecolari Naturali, Parte 3: Una fabbrica dentro le cellule
Macchine Molecolari Naturali, Parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica
Macchine Molecolari Naturali, Parte 5: L’energia chimica
Macchine Molecolari Naturali, Parte 6: I movimenti meccanici

Image’s Copyright: RCSC PDB e David S. Goodsell, The Scripps Research Institute, La Jolla, USA.

Macchine Molecolari Naturali, Parte 3: Una fabbrica dentro le cellule

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

Questo articolo segue da:
Vedi i “link correlati” riportati in basso.

Ora iniziamo ad avere una vaga idea di cosa siano i sistemi supramolecolari ma un esempio renderà tutto più semplice. Avete mai sentito la parola enzima? Sono sicuro di sì, almeno in qualche documentario o giornale scientifico di divulgazione per amatori. Ma cosa sono esattamente gli enzimi? Se li avessimo davanti agli occhi, ingranditi nel mondo macroscopico, cosa vedremmo?

In sostanza gli enzimi sono sistemi supramolecolari molto complessi, dei veri e propri “macchinari” posizionati all’interno delle cellule al fine di soddisfare i bisogni delle cellule stesse. Si tratta di veri macchinari fatti di molecole le quali compiono movimenti meccanici sotto l’azione dell’energia chimica (o, come vedremo nei prossimi articoli, dell’energia elettrica o di quella luminosa). Questi movimenti meccanici possono essere semplici, come rotazioni o spostamenti lineari, oppure possono essere complessi e tra loro interconessi al fine di eseguire cambiamenti di forma, sequenze ordinate di movimenti, spostamenti, reazioni, trasformazioni, trasduzioni, scambi, ecc..

Si assolvono così funzioni quali ad esempio:
compiere reazioni chimiche per trasformare delle molecole in altre utili alla vita;
trasportare materiale molecolare;
copiare ed effettuare operazioni di trasduzione del codice genetico nelle proteine;
scambiare informazioni con altre cellule;
compiere movimenti macroscopici (come l’estensione e la contrazione dei tessuti muscolari);
permettere al cervello di pensare.

Tutte conseguenze di movimenti che avvengono a livello molecolare grazie a macchinari composti da mattoncini di molecole che possono interagire tra loro come i macchinari di una grande fabbrica automatizzata.

Pertanto le Macchine Molecolari Naturali (o Bionanomacchine) sono dei macchinari meccanico-chimici più noti con il nome di Enzimi. Un enzima è una proteina con capacità avanzate, nella fattispecie con la capacità di formare un complesso supramolecolare (quindi un macchinario) con una molecola più piccola per poi modificarla (e ricavarne un prodotto finito con precise funzioni richieste dalla cellula).
A sua volta una proteina è un assieme di molecole costituite da catene ripetitive (quindi modulari) di aminoacidi, quest’ultimi possono essere presenti in poche unità fino a migliaia a seconda delle funzioni per le quali vengono assemblati.
Ogni molecola ha la particolarità di contenere al suo interno tutte le informazioni sulle sue caratteristiche (come una sorta di libretto contenente tutte le “specifiche di fabbrica” che permettono di capire, a chi vi si avvicina, cosa tale molecola può fare e come); pertanto ogni molecola ha precise proprietà che possono essere richiamate quando interagisce con altre molecole o quando riceve segnali esterni come quelli elettrici o quelli luminosi.
Al loro incontro le molecole sono in grado di leggere le rispettive informazioni (riconoscimento molecolare) in modo tale da formare all’occorrenza sistemi supramolecolari (composti da due o più molecole), o aggregarsi formando nuove specie o, ancora, ignorarsi laddove non vi sia alcuna utilità.

Continua…

Fonti
Alberto Credi, Vincenzo Balsani, Le macchine molecolari. 1088 press, 2018;
Alberto Credi, professore ordinario di chimica all’Università di Bologna e
ricercatore associato al Consiglio Nazionale delle Ricerche;
Vincenzo Balzani, professore emerito presso l’Università di Bologna.
Grande Dizionario Enciclopedico, UTET;
UTET Scienze Mediche;
Fondamenti di Chimica, UTET;

Animazione

L’immagine riportata in basso è tratta da una sequenza animata che trovi al link riportato di seguito. La spettacolarità di questa animazione sta nel fatto che permette di apprezzare il movimento vibrante delle molecole. Capiremo nei prossimi articoli cosa alimenta questo movimento e come si fa per orientarlo, ad esempio, in maniera similare ad un braccio robotico.

https://www.youtube.com/watch?v=yk14dOOvwMk

Link correlati

Non puoi inventare ciò che non esiste
Macchine Molecolari Naturali, Parte 1: Congegni, interruttori, attuatori e motori – Intro
Macchine Molecolari Naturali, Parte 2: Biologia e Nanotecnologia
Macchine Molecolari Naturali, Parte 3: Una fabbrica dentro le cellule
Macchine Molecolari Naturali, Parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica
Macchine Molecolari Naturali, Parte 5: L’energia chimica
Macchine Molecolari Naturali, Parte 6: I movimenti meccanici

Image’s Copyright: rcsb.org