Urto efficace

Che freddo, che freddo! L’inverno è arrivato, questa volta sul serio. Eppure il mio micio scorazza allegramente in giardino; evidentemente a queste temperature la sua pelliccia assolve bene la sua funzione. Se fossimo in antartide non basterebbe. Occorre qualcosa di più, come il grasso dei pinguini, ma …i pesci? Come fanno? Insomma, per quanto anche loro possano essere provvisti di tessuto adiposo, sono pur sempre immersi in acqua che prima o poi gela. Sappiamo che l’acqua diminuisce la sua densità solidificando; in questo modo galleggia creando una sorta di cappa che impedisce il congelamento degli strati acquosi sottostanti e permette in questo modo la vita acquatica. Tuttavia l’acqua è presente in abbondanza anche all’interno degli organismi. Come mai non si formano cristalli di ghiaccio, ad esempio all’interno dei pesci del mare antartico? Al di sotto del punto di congelamento dell’acqua i cristalli di ghiaccio, crescendo, dovrebbero distruggere le loro cellule. Ma allora come mai la vita si è sviluppata anche nelle regioni più fredde del pianeta? Tutti gli esseri viventi (piante, animali, funghi, batteri …) hanno sviluppato strategie per combattere la pericolosa crescita dei cristalli di ghiaccio. Ad esempio, nel liquido intracellulare di alcuni organismi sono presenti molecole come zuccheri o glicerina; queste ritardano il congelamento dell’acqua secondo la ben nota proprietà colligativa dell’abbassamento crioscopico.

Cosa sono le proprietà colligative?

Abbiamo già parlato delle proprietà colligative. L’abbassamento del punto di congelamento è una di queste: esso consiste nella differenza osservata tra le temperature di congelamento di un solvente puro e di una sua soluzione. Per spiegare come mai il punto di congelamento si abbassa in presenza di soluto dobbiamo cercare di immaginare cosa accade a livello microscopico. Sappiamo che ogni liquido è in equilibrio con il suo vapore, il quale dà origine alla cosiddetta pressione di vapore; questa è caratterizzata da un equilibrio dinamico tra le molecole superficiali della fase liquida – che si trasferiscono nella fase vapore – e le molecole della fase vapore, che continuamente ritornano nella fase liquida. La presenza di un soluto non volatile trattiene maggiormente le molecole di solvente (ad esempio acqua) nella fase liquida in quanto instaura con queste dei legami più forti di quelli che esistono tra le sole molecole d’acqua; dunque la pressione di vapore di abbassa, ma l’equilibrio dinamico sussiste ugualmente. Quando la soluzione solidifica, dapprima congelano solo le molecole di acqua, poiché i legami idrogeno che si rafforzano tra di esse sono particolarmente stabili e quindi favoriti da un punto di vista energetico. Ovviamente, mentre l’acqua congela, la soluzione rimanente si concentra sempre di più nel soluto, abbassando ulteriormente la pressione di vapore (già diminuita per il formarsi del ghiaccio). Dunque l’equilibrio dinamico tra le fasi liquida e vapore è perturbato dalla diminuzione di temperatura. Sappiamo che ogni sistema in equilibrio reagisce alla perturbazione reagendo ad essa e cercando di minimizzarla (principio di Le Chatelier). Pertanto il sistema reagisce ritardando la solidificazione dell’acqua, abbassandone quindi il punto di congelamento. L’abbassamento crioscopico, come tutte le proprietà colligative, non dipende dalla natura del soluto ma dal numero di particelle di questo in soluzione, cioè dalla sua concentrazione e dal tipo di dissociazione (nel caso il soluto sia un composto ionico). Ad esempio, a parità di concentrazione il sale da cucina, NaCl, produce un abbassamento crioscopico maggiore di quello dello zucchero; questo accade perché il sale in soluzione si dissocia in ione sodio  e ione cloruro dando luogo a due particelle, mentre lo zucchero rimane come tale, indissociato. Questa proprietà è sfruttata dagli spargisale, che sciolgono la neve gettandole cloruro di sodio. Tuttavia questa proprietà colligativa, da sola, non può giustificare la difesa degli esseri viventi da climi particolarmente severi: i liquidi biologici dovrebbero essere troppo concentrati per assicurare un abbassamento del punto di congelamento dell’acqua così notevole quale quello richiesto da temperature estremamente rigide. Ma allora, come fanno questi pesci a sopravvivere?

Svelato il mistero

Durante l’EiroForum Teachers School abbiamo avuto l’opportunità di conoscere Matthew Blakeley del Laue-Langevin Institute di Grenoble, lo scienziato che ha usato una tecnica di diffrazione di neutroni per studiare la struttura e il comportamento delle proteine antigelo. Le antifreezing proteins (afp) sono proteine in grado di intrappolare i cristalli di ghiaccio che si formano nei liquidi all’interno degli organismi prima che questi congelino; in questo modo permettono la sopravvivenza di tutte quelle specie che altrimenti non potrebbero sopravvivere alle temperature sotto lo zero. Blakeley è uno dei due studiosi che hanno svelato in modo indipendente la correlazione tra la struttura e la funzione di queste preziose proteine. L’altro studioso è Peter Davies della Queen’s University di Kingston (Ontario, Canada). Studiando lo Zoarces americanus (nella foto), un pesce delle acque nordoccidentali dell’Oceano Atlantico, si è scoperto che la superficie di queste proteine è coperta di protuberanze idrofobiche, le quali in soluzione assumono una particolare conformazione: esse si collocano nella cavità al centro dell’anello tipico dei cristalli di ghiaccio. In questo modo, le afp “bloccano” i cristalli, impedendone la crescita ed evitando il congelamento dei liquidi. Le proteine non legano invece l’acqua, cosa che provocherebbe la disidratazione e la morte dell’organismo.

Applicazioni

Secondo i ricercatori, il meccanismo potrebbe essere sfruttato nei trattamenti oncologici trovando un modo per proteggere i tessuti sani durante la rimozione delle cellule tumorali con tecniche di criochirurgia, fondata sull’impiego di temperature estremamente basse per distruggere tessuti malati (solitamente è impiegato azoto liquido alla temperatura di -196 °C). Un altro uso potrebbe essere quello di inserire il gene che codifica per questa proteina all’interno del DNA di alcune piante per impedire che queste gelino mandando in rovina le coltivazioni; questa applicazione desta più di qualche preoccupazione da parte degli anti-OGM. Un’applicazione più frivola riguarda invece il controllo della formazione dei cristalli di ghiaccio nei gelati.

Per approfondire

Articolo di Matthew Blakeley sullo studio della afp tramite scattering di neutroni riportato su Science in School, rivista di didattica delle scienze: Neutrons and antifreeze: research into Arctic fish.

Mai più ghiaccio nel nostro gelato, articolo di Roberto Cantoni pubblicato su Oggiscienza.

L’antigelo nelle vene, articolo di Federica Sgorbissa pubblicato su Oggiscienza (non si tratta della afp ma della scoperta di una particolare mutazione del DNA dei mammut che permetteva loro di sopravvivere a temperature rigidissime).

Questo post partecipa al dodicesimo e ultimo Carnevale della Chimica del 2011, dal tema: La chimica nel freddo dell’inverno e nel calore del Natale.

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