La Chimica è attorno a noiprodotti e processi naturaliprodotti e processi artificialiprodotti e processi artificiali

La Chimica è in noiLa Chimica è in noiconcepimento, crescita, morte,

l memoria, pensiero, l'esperienza, emozioni

T tt è Chi i

emozioni, ……

Tutto è Chimica, ma a vari gradi di complessitàm g mp

sistemi supramolecolari

molecole

atomiatomi

C l i i t t Complesso = sinonimo non tanto di complicato ma attributo di di complicato ma attributo di sistemi costituiti da entità m

che interagendo fanno emergere nuove proprietà

sistemi supramolecolari

molecole

atomiatomi

SCALA DELLA COMPLESSITA’ SCALA DELLA COMPLESSITA’ CHIMICACHIMICA

La Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamenteLa Natura usa estesamentei sistemi supramolecolarii sistemi supramolecolaripp

• Sono in grado di svolgere funzioni iù i t d ll i l l l più pregiate delle singole molecole

che li compongonoche li compongono

I sistemi supramolecolari complessiI sistemi supramolecolari complessip pp p

Aumentando il numero dei componenti pmolecolari, ottimizzando la loro

organizzazione spaziale e il grado di organizzazione spaziale e il grado di cooperazione

proprietà e funzioniproprietà e funzionisempre più pregiate e sofisticate

dibili i li bilisempre meno prevedibili e razionalizzabili

Chimica (sistemi supramolecolari semplici)

Biologia(sistemi supramolecolari complessi)

La transizione dalla materia inanimata alla vita che è in assoluto

la funzione più pregiatala funzione più pregiata

Cellula di un batterioCellula di un batteriocontiene migliaia di miliardi di molecolecontiene migliaia di miliardi di molecole

Problema dell’origine della vitaProblema dell’origine della vitaNon è stato ancora possibile trovare le condizioni

per trasformare spontaneamente la materia inanimata in materia vivente, neppure per la più

semplice forma di vita (“vita minimale”)

Cellula umanaCellula umana l l d d l lcontiene centomila miliardi di molecole

All’interno della membrana c’è - il citoplasma- gli organulig g- il nucleo, la parte centrale più densa pche contiene 46 cromosomi (lunghi ( gfilamenti di DNA) ordinati in 23 coppie pp

ll lcellula

i i l l i

l l

sistemi supramolecolari

atomimolecole

SCALA DELLA COMPLESSITASCALA DELLA COMPLESSITA’’ CHIMICACHIMICA

atomi

SCALA DELLA COMPLESSITASCALA DELLA COMPLESSITA’’ CHIMICACHIMICA

Riconoscimento ed associazione di cellule Riconoscimento ed associazione di cellule d t ti d t tiper dare tessutiper dare tessuti

uomouomo

organi

tessuti

cellule

i t i l l i

molecole

sistemi supramolecolari

atomi

molecole

SCALA DELLA COMPLESSITASCALA DELLA COMPLESSITA’’ CHIMICACHIMICASCALA DELLA COMPLESSITASCALA DELLA COMPLESSITA’’ CHIMICACHIMICA

Le sostanze della vita si assemblano

sfruttando, in modo via sfruttando, in modo via via più complesso, il riconoscimento fra riconoscimento fra

composti chimici molto ifi i d il specifici secondo il

modello chiave-serratura

Il risultato è un’incredibile organizzazione e un’estrema complessitàorganizzazione e un estrema complessità

DNA portatore dell’informazione geneticaDNA portatore dell’informazione genetica

Segmento di doppia elica

Segmento di un filamento

I quattro tipi dimononucleotidi

e

OH2C

O

O

OPHO O

base

T

O

PO

H2CO N

HO OH

HO

N

OCH3

O

H

pp

Mon

onuc

leot

ide P

OH2C

O

HO O

OPHO O

base

C

O

PO

H2CO N

HO OH

HO

N

N

O

HH

OH2C

O

OPO

H C

HO O

base

bA

HO

O

PO

H2CO N

HO OH

HO

N

NN

NH

H

H2CO

OPO

HO O

base

GO

PO

H2CO N

HO OH

N

NN

O

H

N H

HO

HON H

H

Nel DNA (genoma) si possono individuare dei Nel DNA (genoma) si possono individuare dei segmenti chiamati “geni”

DNADNA

Il DNA umano contiene 3 miliardi di mononucleotidi

Il DNA umano ha un contenuto di informazioni pari a ca. 109 bit, paragonabile a quello di una biblioteca di un

migliaio di volumi di 500 pagine ciascuno

Nella sequenza dei Nella sequenza dei mononucleotidi sono scritte le caratteristiche genetiche le caratteristiche genetiche

dell’individuo

Tutte le cellule di un individuo, 10.000

DNA POLIMERASIDNA POLIMERASI

miliardi, hanno lo stesso patrimonio genetico

DNA POLIMERASIDNA POLIMERASIQuesto enzima genera due doppie eliche Questo enzima genera due doppie eliche

di DNA identiche a quella originaria

DNA POLIMERASIDNA POLIMERASI

Enzima preposto alla duplicazione del DNA

MACCHINE E MOTORI MACCHINE E MOTORI MOLECOLARI NATURALIMOLECOLARI NATURALI19

96MOLECOLARI NATURALIMOLECOLARI NATURALI

ag, N

ew Y

ork,

Le cellule possiedono centinaia di tipi diversidi i l l i “ i li ” i

Spri

nger

-Ve

rla di motori molecolari, ognuno “specializzato” in

una particolare funzione. Negli ultimi anni sonostati scoperti molti di questi motori molecolaribi l i i b ti t i

Cop

erni

cus,

Sp biologici, basati su proteine

La varietà dei motori molecolari naturali èmolto ampia. Alcuni di questi motorifunzionano in modo ciclico, dando luogo amoti di rotazione oppure di traslazione. 20

04ppTra le funzioni svolte vi sono il trasportodi sostanze all’interno della cellula, lasintesi di sostanze chimiche, la

ey, N

ew Y

ork,

2

regolazione di funzioni e proprietà diorgani cellulari, ecc.

Wile

sarcomero (~3 μm)

filamento di miosina

filamento di actina

forma espansa forma contratta

In una contrazione muscolare ciascuna In una contrazione muscolare ciascuna unità di miosina si muove cinque volte al secondo percorrendo ad ogni movimento secondo, percorrendo ad ogni movimento

una distanza di circa 10 nm

Per generare la forza necessaria ad afferrare una palla da baseball ci vogliono afferrare una palla da baseball ci vogliono

due miliardi di questi movimenti nanometricinanometrici

La kinesina trasporta

ATP1 2

sostanze da una parte all’altra della cellula

ADP

ATP

ADP ADP ATP

~ 36 nm

36

ADP ADPPi

ADP ADPADP

45

ADP ADPPi Cammina su un binario

compiendo “passi” di 72 nm alla velocità di di 72 nm alla velocità di

1000 nm al secondo

A Molecular R M Rotary Motor: ATP Synthase

Credits: Hongyun Wang and George Oster, University of California, Berkeley (see Nature 1998, 396, 279).

T. Elston, H. Wang, G. Oster, Nature, 1998, 391, 510.

Cervello e attività mentaliCervello e attività mentalidecine di miliardi di neuronicentomila miliardi di sinapsicentomila miliardi di sinapsi

sviluppo embrionale e fetaleinfluenza dell’ambiente

unicità dell’individuoinfluenza dell ambiente dell individuo

Ogni uomo ha il suo genomaOgni uomo ha il suo genomama non è il suo genoma

Il mistero della vitaIl mistero della vitaIl mistero della vita non sta, come un tempo si pensava in una non meglio tempo si pensava, in una non meglio definita "forza vitale", ma in un di i di i hi i i grandissimo numero di processi chimici

estremamente complessi, incredibilmente porganizzati e capaci di una funzionalità così ricca e diversificata da suscitare il così ricca e diversificata da suscitare il nostro stupore e sfuggire, per ora, al

nostro raziocinionostro raziocinio

La vita rimane in larga parte La vita rimane in larga parte ancora un mistero

Ingegneria geneticaIngegneria geneticaIngegneria geneticaIngegneria genetica

M i l i d l DNA Manipolazione del DNA

Trasferimento di geni da Trasferimento di geni da un organismo ad un altro

(OGM)(OGM)

Il gene trasferito continua Il gene trasferito continua a svolgere la sua funzione

h ll ll l i i è anche nella cellula in cui è stato trapiantato (fabbrica p

chimica, es.: insulina)

Schedatura Genetica l ifi i d li i di id i i b i l i classificazione degli individui in base ai loro geni

In realtà la situazione è molto più complessa

Schedatura GeneticaSchedatura Genetica

I problemi etici connessi alla connessi alla

schedatura genetica sono tantissimi:

è come aprire il vaso pdi Pandora

Rif d i ll bi t l i Riferendosi alle biotecnologie Umberto Galimberti ha scritto:

La domanda non è più cosa La domanda non è più cosa possiamo fare noi con la tecnica, pma che cosa la tecnica farà di noi

Riferendosi alle biotecnologieAldo Schiavone ha scritto:

... finalmente l’intelligenza della nostra specie è giunta al punto di nostra specie è giunta al punto di impadronirsi del proprio destino biologico e di trasformarlo ...

... sorvegliando che queste t f i i i i lt l l trasformazioni siano rivolte solo al bene comune, cioè per l’interesse bene comune, cioè per l interesse

della specie

L’ i ll’ i d ll L’agire sull’uomo impone delle valutazioni molto serie e maturevalutazioni molto serie e mature

L i ò id La vita non può essere ridotta ai suoi aspetti chimici e biologiciai suoi aspetti chimici e biologici

C’è chi pensa addirittura che lo sviluppo incontrollato

d d ll i ed errato della scienza e della tecnologia faràdella tecnologia farà

di questo secolodi questo secolo

il secolo finale

Io ritengo che gle probabilità che la nostra che la nostra attuale civiltà

p i fin sopravviva fino alla fine del secolo in corso non superino il p50%.

M. ReesMaggio 2005gg

Il progresso della scienza e lo Il progresso della scienza e lo sviluppo della tecnologia che è sviluppo della tecnologia, che è

il braccio operativo della pscienza, rendono il mondo più

f ilfragile

Tutti conosciamo bene la grande fragilità del mondo

scientificamente progredito:scientificamente progredito:

il b d ll’il buco dell’ozonol’aumento dell’effetto serral aumento dell effetto serrai naufragi di grandi petroliere i black out delle reti elettrichel’attentato alle torri gemelle l attentato alle torri gemelle ..............

Più si sviluppanoPiù si sviluppanoScienza e TecnologiaScienza e Tecnologia

più c'è bisognop gdi pace

Gli i i ti h iò Gli scienziati hanno perciò una grossa responsabilità moralegrossa responsabilità morale

R p n bilità m lResponsabilità moraleA. EinsteinA. EinsteinA. EinsteinA. Einstein

La preoccupazione per l’uomo e il suo p p pdestino devono essere il principale

interesse in tutte le imprese tecniche … ffi hé l i i d ll

paffinché le creazioni della nostra mente siano sempre una benedizione e non una

m l dizi n p r l’um nitàmaledizione per l umanità

Non dobbiamo mai dimenticarlo quando siamo immersi nei nostri diagrammi e

ll t i inelle nostre equazioni