Chimica organica – Biochimica – Biotecnologie

L’obiettivo fondamentale del testo CHIMICA ORGANICA, BIOCHIMICA e BIOTECNLOGIE del Prof. Bruno Tinti è duplice: fornire agli studenti gli strumenti teorico-pratici necessari a giungere alla comprensione delle proprietà chimiche del mondo biologico e tracciare un quadro complessivo delle moderne biotecnologie e delle problematiche connesse al loro impiego. Il testo si propone anche di sviluppare legami con altre discipline, per evitare il più possibile una visione eccessivamente settoriale degli argomenti trattati. Oltre alla parte cartacea c’è un’interessante espansione online con esercitazioni di chimica organica, schede di biochimica e di biotecnologia e appendici con un ampio glossario. Molto utili per gli studenti sono gli appunti in lingua inglese, presenti in ogni capitolo, e i questionari di verifica per il riscontro delle abilità acquisite.

Prefazione

La chimica organica è la chimica del carbonio e dei suoi composti. Per le sue proprietà atomiche, il carbonio può formare infinite combinazioni molecolari. Tra le molecole organiche ve ne sono alcune relativamente semplici, come gli idrocarburi, gli alcoli, gli acidi grassi e le ammine, mentre ve ne sono altre più complesse, come i carboidrati, i lipidi, le proteine e, soprattutto, gli acidi nucleici (DNA e RNA). 

L’adozione del termine “chimica organica” si deve a Jöns Jacob Berzelius, che lo impiegò per primo nel 1807 per indicare lo studio delle sostanze contenute nei viventi e distinguerle dalle sostanze presenti nel mondo minerale (definite sostanze inorganiche). Tale definizione era influenzata dalla visione dei chimici dell’epoca che suddividevano ancora la chimica in tre branche: vegetale, animale e minerale. Quando ci si rese conto che le sostanze organiche potevano derivare anche da sostanze inorganiche e viceversa, questa distinzione fu totalmente superata. Nel 1861 August Kekulé definì la chimica organica come “studio dei composti del carbonio”. La definizione di Kekulé appare ancora valida, in quanto universalmente accettata.

Il carbonio è un elemento di piccole dimensioni, con numero atomico 6 e peso atomico 12, in grado di formare legami covalenti molto forti con altri atomi di carbonio o con atomi di altri elementi, tanto da formare catene lineari o ramificate lunghe e resistenti. Alcuni composti naturali e di sintesi del carbonio formano strutture con una resistenza alla trazione superiore a quella dell’acciaio. 

Con la seconda rivoluzione industriale e lo sviluppo dell’industria petrolchimica è stata prodotta una grande varietà e quantità di molecole organiche che hanno assunto un ruolo fondamentale nello sviluppo economico di questi ultimi 150 anni. Di contro i processi di trasformazione e l’enorme quantità dei prodotti introdotti nell’ambiente, hanno comportato un notevole impatto ambientale, con conseguenze talora drammatiche. L’inquinamento delle acque, del suolo e dell’aria è strettamente legato a uno sviluppo dell’industria in generale e chimica in particolare che, spesso, non ha tenuto in debita considerazione gli effetti negativi che era in grado di determinare. 

I problemi prodotti dall’industria chimica tradizionale, hanno spinto gli studiosi alla ricerca di tecnologie innovative più sostenibili. Tra le tecnologie di nuova attuazione sono particolarmente interessanti le microbiotecnologie, vale a dire le biotecnologie in cui sono coinvolti i microrganismi. Le microbiotecnologie rivolte alla ricerca di nuove strategie produttive richiedono all’inizio un grande investimento di capitali, tuttavia, una volta messi a punto gli idonei processi produttivi, comportano un ridotto impiego energetico, una maggiore produttività e soprattutto un minore impatto ambientale. 

La biochimica è la parte della biologia che studia le reazioni chimiche che avvengono all’interno degli organismi animali e vegetali. L’inizio della biochimica è ascrivibile alla seconda metà del secolo diciannovesimo, tuttavia il suo sviluppo è avvenuto soprattutto nella seconda parte del secolo ventesimo, quando nella ricerca sono state introdotte nuove tecniche di indagine, come la cromatografia, la spettroscopia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) e la diffrattometria a raggi X. Queste tecniche hanno permesso lo sviluppo di ricerche a livello molecolare e di comprendere la struttura di molte proteine e del DNA. Nella seconda parte del secolo ventesimo è stato possibile descrivere molti processi biochimici, come le replicazione del DNA, la trascrizione del DNA in RNA e la sintesi delle proteine.

Le biotecnologie sono state definite in passato in vario modo, ma possono essere definite semplicemente come: “l’impiego di sistemi biologici per la produzione di beni e servizi”. Le biotecnologie possono essere suddivise in tradizionali e innovative; le prime si basano sull’impiego di metodologie che modificano in modo casuale il patrimonio genetico degli organismi coinvolti. Le biotecnologie innovative, invece, sono basate su interventi che sono in grado di modificare il genoma in modo mirato. Le biotecnologie innovative si sono sviluppate dopo la comprensione della struttura del DNA, tanto che dopo solo venti anni è stato possibile produrre l’insulina mediante la tecnologia del DNA ricombinante. Le biotecnologie innovative hanno modificato
profondamente numerosi settori delle attività umane, come la diagnostica e la terapia medica, il risanamento ambientale, le produzioni agro-alimentari e le produzioni industriali. Tutto ciò non è stato esente da problematiche etiche e scientifiche che
devono essere tenute in adeguata considerazione, onde evitare che l’impiego delle nuove strategie biotecnologiche possa causare problemi di difficile risoluzione. 

OBIETTIVI 

L’obiettivo fondamentale del testo è duplice; in primo luogo intende fornire agli studenti i fondamentali strumenti teorico-pratici necessari a giungere alla comprensione delle proprietà chimiche del mondo biologico, attraverso l’esame delle molecole organiche e dei principali processi biochimici che avvengono negli organismi. In secondo luogo, prendendo in esame le principali tecniche e le loro applicazioni, il testo intende fornire un quadro complessivo delle moderne biotecnologie e delle problematiche connesse al loro impiego. Il testo si propone, altresì, di sviluppare legami con altre discipline, come la giurisprudenza (nazionale e internazionale), la storia, la fisica, l’educazione fisica e la lingua inglese, per evitare il più possibile una visione eccessivamente settoriale degli argomenti trattati. 

STRUTTURA 

Il testo è costituito da una parte cartacea e un’espansione online. 

La parte cartacea è suddivisa in 3 parti e complessivamente in 17 capitoli. In ogni capitolo sono inseriti argomenti di approfondimento e appunti in lingua inglese. Alla fine di ogni capitolo sono presenti questionari a risposta aperta e multipla per permettere un regolare riscontro delle abilità acquisite dagli studenti.

Parte 1. Chimica organica. In questa parte sono approfonditi gli aspetti fondamentali delle molecole organiche più semplici. Dopo un esame delle proprietà dell’atomo di carbonio, sono trattati gli idrocarburi alifatici e aromatici e i composti mono e polifunzionali.

Parte 2. Biochimica. In questa parte sono trattate le biomolecole e i processi biochimici. All’inizio sono prese in esame le principali proprietà della materia vivente, come le basi della bioenergetica; successivamente sono trattate le biomolecole (dai carboidrati agli acidi nucleici), per poi esaminare i principali processi biochimici, in particolare la replicazione del DNA e la trascrizione del DNA in RNA e la sintesi delle proteine.

Parte 3. Biotecnologie. Dopo un esame delle principali tappe delle biotecnologie tradizionali, sono esaminate le fondamentali tecniche alla base delle biotecnologie innovative, come il sequenziamento del DNA, gli enzimi di restrizione, il fingerprinting del DNA, la PCR, le librerie di DNA e il Southern blotting. Nel capitolo 16 sono descritte le principali applicazioni biotecnologiche in ambito sanitario, agro-alimentare, industriale e ambientale. Nell’ultimo capitolo sono esaminati i biomateriali tradizionali e di recente introduzione nella realizzazione dei dispositivi medici. 

L’espansione online è costituita da 4 sezioni in cui sono inserite: esercitazioni di chimica organica, schede di biochimica, schede di biotecnologia e appendici. Nella sezione relativa alle appendici è compreso un ampio glossario dei termini impiegati in ambito chimico, biochimico e biotecnologico.