domenica 15 aprile 2012

UN POLISACCARIDE FONDAMENTALE: LA CELLULOSA

Nell'articolo "Il glucosio, la famiglia dei glucidi e la fermentazione alcolica" avevamo parlato dell'importante famiglia dei glucidi e avevamo accennato che uno dei gruppi principali di glucidi è rappresentato da quello dei polisaccaridi.
Adesso, andremo ad approfondire la questione, focalizzandoci specialmente su un importantissimo polisaccaride: la cellulosa.
Innanzitutto, riprendiamo il discorso sui polisaccaridi in generale.
I polisaccaridi non sono altro che i polimeri del glucosio.
Abbiamo già parlato approfonditamente di polimeri nell'articolo "L'origine della gomma".
I polisaccaridi possono essere classificati, basandosi sulle funzioni che compiono all'interno di una cellula, in:

1) polisaccaridi strutturali: forniscono un mezzo di sostegno per l'organismo. La cellulosa appartiene proprio a tale gruppo;
2) polisaccaridi di riserva: consentono di immagazzinare (d'altronde sono chiamati "di riserva"!) glucosio sino all'attimo in cui si deve utilizzare.

In particolare, le unità dei polisaccaridi strutturali (quelli che ci interessano di più in questo contesto) sono unità di β-glucosio (vi rimando sempre al post "Il glucosio, la famiglia dei glucidi e la fermentazione alcolica" per chiarimenti).
Gli esseri umani e altri mammiferi non possiedono enzimi digestivi atti a rompere il legame β presente nei polisaccaridi strutturali.
Ne consegue che non possiamo sfruttarli come fonte di nutrimento, sebbene nel regno vegetale ce ne siano in grandissima quantità, soprattutto sotto forma di cellulosa.
Sussistono tuttavia alcuni batteri e protozoi capaci di produrre gli enzimi necessari a spezzare il legame β, e che sono dunque in grado di scomporre la cellulosa nelle molecole di glucosio che la compongono.
L'apparato digerente di certi animali comprende aree di riserva temporanee in cui vivono tali microrganismi, i quali permettono ai loro ospiti di ricavare nutrimento proprio dalla cellulosa.
Prendiamo brevemente in analisi alcuni animali.
Nei cavalli tale particolare meccanismo è svolto da un intestino cieco, un sacco a fondo cieco ove si connettono l'intestino tenue e quello crasso.













Anche lo stomaco dei ruminanti, diviso in 4 comparti, possiede un reparto specifico, il rumine, contenente i batteri simbionti.

 











I suddetti animali, tra le altre cose, rigurgitano periodicamente il bolo e lo rimasticano, in un altro adattamento del loro apparato digerente avente l'effetto di migliorare l'accesso all'enzima in grado di spezzare il legame β.
Per quanto concerne i conigli e altri roditori, i batteri possedenti le suddette proprietà vivono nell'intestino crasso.



Siccome l'intestino tenue designa la parte nella quale viene assorbita la quasi totalità delle sostanze nutritizie e l'intestino crasso segue al tenue, questi animali ottengono i prodotti della scomposizione del legame β mangiando le proprie feci.
Infatti, nel momento in cui le sostanze nutritizie passano per la seconda volta nel canale digerente, l'intestino tenue può finalmente assorbire le unità di glucosio separate dalla cellulosa durante il primo passaggio.
Poi ci sono alcuni insetti, tra cui le termiti e le formiche del genere Camponotus, che ospitano nel loro corpo microrganismi, i quali consentono loro di sfruttare la cellulosa alla stregua di cibo, innescando conseguenze talvolta catastrofiche per abitazioni edificate dall'uomo in legno.

 

Abbiamo nominato più volte la cellulosa, ma non abbiamo ancora definito bene cosa sia.
La formula bruta della cellulosa è: (C6H10O5)n.
La sua formula di struttura è invece:















Colui che isolò e diede il nome alla cellulosa fu il chimico francese Anselme Payen nel 1838 in "Memoir on the compositon of the tissue of plants and of woody [material]".
Le fibre vegetali sono composte proprio da cellulosa, e tra queste spicca il cotone, costituito per oltre il 90% di cellulosa.















Il frutto della pianta del cotone è una capsula di forma ovoidale che contiene semi oleosi racchiusi internamente a una coltre di fibre di cotone.
Piante di cotone appartenenti al genere Gossypium vennero coltivate in India, in Pakistan, in Messico e in Perù già 5000 anni fa.
Tuttavia, la suddetta pianta rimase ignota agli europei sino al 300 a.C. circa, quando soldati di Alessandro Magno ritornarono dall'India con tessuti di cotone.
Mercanti arabi trasportarono piante di cotone in Spagna durante il Medioevo.
L'importazione era inoltre strettamente necessaria per i paesi nordeuropei, in quanto la pianta di cotone è sensibile al gelo e necessita di terreni umidi ma ben drenati e di lunghe estati calde, e sappiamo che il clima europeo non possedeva tali requisiti.
Le molecole di cellulosa infatti non sopportano l'acqua, che tende a spezzare i legami chimici esistenti.
La conseguenza di ciò sta nel fatto che le molecole di cellulosa cominciano a muoversi l'una rispetto all'altra, in maniera casuale, causando la formazione di pieghe.
Se le molecole di cellulosa vengono però trattate con specifiche sostanze chimiche in grado di legarle fra loro senza la possibilità di interferenza da parte dell'acqua, allora si ottiene un tessuto che non si stropiccia.
Esistono numerosi composti aventi le proprietà descritte; i più celebri sono le resine di urea-formaldeide, utilizzate sin dagli anni '50 del XX secolo al fine di avere capi d'abbigliamento meno sgualciti.
Dunque, l'uso di queste sostanze è certamente positivo da un lato, ma ha anche un lato oscuro: infatti, rilasciano formaldeide in piccole quantità e la suddetta sostanza può provocare la dermatite da contatto, detta anche eczema allergico.  
Per completezza, la formaldeide (o aldeide fòrmica o metanale) ha la seguente formula bruta: CH2O.
Al contrario, la sua formula di struttura è:







Nonostante la sopracitata reazione allergica sia rara su scala globale, rappresenta invece un problema ben più serio per coloro che lavorano nelle industrie di tessuti.
Infatti, maneggiare tessuti trattati con resine a base di metanale è stato associato all'insorgenza di disturbi cutanei e, in particolare, l'esposizione a tali sostanze è stata posta in stretta connessione con diversi sintomi quali:
  • cefalee;
  • irritazione del naso e della gola;
  • prurito agli occhi.
Se vogliamo aggiungere carne al fuoco, la formaldeide determina il cancro negli animali da laboratorio.
Per le ragioni appena elencate, i chimici hanno messo tutto il loro impegno per cercare di rinvenire una modalità per trattare la cellulosa, con esposizioni minime alla formaldeide.
Buoni risultati si sono ottenuti con la dimetildiidrossietilenurea (abbreviato DMDHEU). 
Il bello sta nel fatto che il rilascio di formaldeide da questa sostanza è praticamente nullo.
Ritorniamo un attimo sulla storia del cotone: esso fu fondamentale per la Gran Bretagna.
Infatti, è vero che il commercio dello zucchero aveva fornito il capitale necessario allo sviluppo della Rivoluzione industriale, ma gran parte della prosperità della Gran Bretagna nell'Ottocento si doveva proprio alla domanda di cotone.
I tessuti di cotone erano economici e attraenti, ideali per l'abbigliamento e l'arredamento.
Il cotone poteva essere combinato facilmente con altre fibre e risultava semplice da lavare e cucire.
Ergo, esso prese rapidamente il posto del più costoso lino come fibra vegetale preferita dalla gente comune.
Il cotone fu però anche alla base di avvenimenti negativi, come l'incremento dello schiavismo in America.
La coltivazione del cotone richiedeva infatti un impiego intensivo di manodopera.
Nel 1860, negli Stati Uniti, il numero totale di schiavi ammontava addirittura a 4 milioni!
Cambiando prospettiva, una cosa interessante a proposito della cellulosa è il fatto che, nonostante nel nostro mondo esista una quantità gigantesca di polisaccaridi di riserva, c'è una quantità ancora più grande di cellulosa.
Alcuni studiosi hanno addirittura asserito che metà di tutto il carbonio organico è legato nella cellulosa!
Ogni anno viene biosintetizzata e degradata una quantità di cellulosa pari a circa 10¹⁴ kg!
Ma la cellulosa, oltre a essere il costituente principale di molte fibre vegetali, è anche una potente bomba.
Infatti, tra il 1830 e il 1840 fu scoperto che tale sostanza si scioglieva in acido nitrico (HNO3) concentrato, e che la soluzione risultante, se versata in acqua, generava una polvere bianca altamente infiammabile ed esplosiva.  
La commercializzazione di questo prodotto non avvenne prima del 1845, quando lo svizzero Friedrich Schönbein, di Basilea, pervenne ad una singolare scoperta.
Schönbein stava compiendo particolari esperimenti nella sua cucina, con mix di acido nitrico e acido solforico (H2SO4), contro la volontà della moglie, la quale gli aveva proibito di compiere le suddette prove in casa!
Cosa accadde allora?
Quel giorno la moglie era uscita, e il chimico rovesciò, in maniera accidentale, un po' di quel miscuglio acido.
Volendo rimediare al danno fatto, si precipitò ad afferrare la prima cosa che gli fosse capitata tra le mani; questo oggetto non fu che il grembiule (di cotone) della moglie!
Dopo aver ripulito, appese il grembiule sopra la stufa in modo da farlo asciugare con maggiore celerità.
Non l'avesse mai fatto!
Il grembiule esplose con un potente "boom" e produsse un imponente lampo luminoso.
Rimane un mistero: non sappiamo assolutamente come abbia reagito la moglie, una volta tornata a casa, dopo aver visto che il marito stava continuando i suoi esperimenti in cucina (da lei proibiti) e, a maggior ragione, che il suo grembiule era esploso!
Ciò di cui siamo a conoscenza è che Schönbein denominò il suo materiale Schiessbaumwolle, o "cotone fulminante".
Il cotone fulminante non è altro che nitrocellulosa, ovvero il composto che si crea quando il gruppo nitro (NO₂) sostituisce l'H del gruppo OH in un certo numero di posizioni sulla molecola di cellulosa.
Ecco un esempio di formula di struttura di una nitrocellulosa:













Non tutte queste posizioni devono risultare necessariamente nitrate, ma quanta più nitrazione si è verificata sulla cellulosa, tanto maggiormente esplosivo sarà il cotone fulminante prodotto.
Inoltre, Schönbein, capendo che questa scoperta gli poteva apportare molto profitto, iniziò a fondare delle fabbriche per la produzione di nitrocellulosa, con l'auspicio che diventasse ben presto l'alternativa alla polvere da sparo.
Tuttavia, la nitrocellulosa può essere estremamente pericolosa, a meno che non venga tenuta asciutta e trattata con la dovuta cura.
A quel tempo si era totalmente ignari riguardo l'effetto destabilizzante dell'acido nitrico residuo sul materiale.
La conseguenza di ciò fu la distruzione accidentale di alcune fabbriche per mano di violente esplosioni.
Questi episodi costrinsero Schönbein ad abbandonare quell'attività.
Solamente negli anni 70' del XIX secolo, quando vennero scoperti metodi efficaci per ripulire il cotone fulminante dell'acido nitrico in eccesso, il materiale poté essere reso abbastanza stabile da essere utilizzato con sicurezza in esplosivi commerciali.
Tirando le fila del discorso, ci siamo resi conto che la cellulosa rappresenta una sostanza fondamentale in molti ambiti del nostro mondo, dal sostentamento di alcuni animali, alla creazione di capi di abbigliamento, sino alla produzione di potenti esplosivi.
Vorrei concludere riportando un video molto interessante inerente alla nitrocellulosa:

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