La tavola periodica degli alimenti
Un viaggio nell’affascinante complessità del ferro
CHIMICA
Il ferro è il metallo più abbondante nella Terra, è considerato il decimo nell’universo ed è indispensabile al nostro organismo. Per questo merita di essere studiato a fondo. Sebbene in chimica il concetto di struttura molecolare non sia sempre di facile acquisizione, soprattutto per le biomolecole, RasMol è un software che qui può darci una grande mano.
di Giovanni Casavecchia
Bianco-argenteo, lucente, tenace, duttile e malleabile, il ferro è il metallo più abbondante nella Terra ed è considerato il decimo nell’universo. Nelle zone prossime alla crosta terrestre è raro trovarlo allo stato puro, mentre è diffuso in molti minerali: pirite (FeS2), ilmenite (FeTiO3), ematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), siderite (FeCO3) sono ricchi di questo prezioso elemento. Per separarlo dalle impurità è necessario applicare un processo di raffinazione. L’ematite, ad esempio, reagisce con il monossido di carbonio per dare ferro e diossido di carbonio.
3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2
Il ferro ha quattro isotopi naturali: 54Fe (5,8%), 56Fe (91,7%) 57Fe (2,2%), 58Fe (0,30%); passa allo stato liquido a 1536 °C e raggiunge l’ebollizione a 3000 °C. Si presenta in diverse forme che sono indicate con i simboli α (alfa), γ (gamma) e δ (delta). A temperatura ordinaria cristallizza nella forma α, con reticolo cubico a corpo centrato; a 911 °C passa alla forma γ, con reticolo cubico a facce centrate, stabile fino 1392 °C; mentre nell’intervallo 1392 °C - 1536 °C, il ferro esiste nella forma δ con reticolo cubico a corpo centrato. Le forme α (alfa) e δ (delta) differiscono solo per la lunghezza del lato della cella elementare.
Il ferro e il nostro organismo
Questo particolare elemento metallico è indispensabile anche al nostro organismo. In assenza, i globuli rossi non sarebbero in grado di distribuire l’ossigeno alle cellule del corpo e, molto probabilmente, la sintesi del DNA sarebbe compromessa. Negli alimenti, esiste in due forme: il ferro eme – presente in fegato, manzo, prosciutto, bresaola, pesce – è legato all’emoglobina e alla mioglobina, due proteine che ospitano il gruppo EME, una struttura, al centro della quale si trova un atomo di ferro, capace di legare reversibilmente l'ossigeno; mentre il ferro non-eme, di origine inorganica, è presente sotto forma di sali. Spinaci, cacao, mandorle, fichi secchi ne hanno percentuali, più o meno, rilevanti.
Il nostro organismo ha maggiore affinità con il primo, assorbito piuttosto bene; mentre trova qualche difficoltà con il secondo, presente negli alimenti in forma ferrica (Fe3+) e necessariamente trasformato in forma ferrosa (Fe2+), più solubile e maggiormente fruibile dal nostro corpo.
Il fabbisogno giornaliero medio è di circa 10 mg per l’uomo e 12-18 mg per la donna. Del fabbisogno, solo il 10 % è assorbito dal nostro corpo. La dieta deve quindi limitarsi a bilanciare la quantità di ferro che perdiamo quotidianamente.
L’interruzione del ciclo mestruale durante la gravidanza non dovrebbe modificare in alcun modo il normale approvvigionamento, ma poiché la maggior parte delle donne entra in gravidanza con scarse riserve di ferro, i LARN (livelli di assunzione raccomandati di energia e nutrienti per la popolazione italiana) consigliano di portare a 30 mg l’assunzione giornaliera.
Sono 700 milioni le persone anemiche, cioè che soffrono di una carenza di ferro. Tra le molte cause alla base del problema, una sembra essere legata al particolare comportamento degli ioni ferrici e ferrosi: nell’ambiente acido dello stomaco, entrambi sono idratati e solubili [Fe(H2O)62+ e Fe(H2O)63+], mentre nel duodeno, a pH circa 8, si trasformano in idrossidi. L’idrossido ferroso Fe(OH)2 è poco solubile, quello ferrico Fe(OH)3 è decisamente più... indigesto!
Negli ultimi anni il deficit di ferro è accresciuto negli adolescenti la cui dieta si basa soprattutto su junk food, cibo spazzatura. Studi recenti pare abbiano dimostrato che la carenza di ferro arrugginisca il cervello, aumentando il rischio di demenza. L’attenzione è soprattutto rivolta alla prevenzione in giovane età: i bambini, che esauriscono le loro scorte intorno ai 4-6 mesi, e gli adolescenti, che cambiano fisico rapidamente, devono incrementare le dosi di ferro correttamente.
Le complesse reazioni metaboliche impediscono l'accumulo di ferro in quantità che possono essere tossiche. In alcuni soggetti, però, vi è un progressivo aumento di ferro nei tessuti e negli organi che può condurre a disfunzioni e collasso di molti organi. Le complicazioni includono artriti, diabete, cirrosi epatica, aritmie cardiache e collasso, e un aumento della pigmentazione della pelle "abbronzata".
Parte di questo testo caratterizza una delle Cooperative Learning inserite a conclusione di ogni capitolo di Formula Chimica1. Questa sezione è stata pensata e ideata per gli studenti, che potrebbero allenare le competenze trasversali comuni a tutte le discipline, e per i docenti, che potrebbero consolidare alcuni percorsi didattici svolti e (magari) ipotizzarne di nuovi e alternativi. L’analisi del testo ci permette di richiamare concetti legati allo stato solido dei cristalli, ai passaggi di stato, agli isotopi e all’importanza del ferro in ambito biochimico.
Quello che mi piacerebbe proporvi è una breve sequenza che potrebbe arricchire ulteriormente il nostro percorso didattico.
Basta un click!
In chimica il concetto di struttura molecolare è fondamentale per l’apprendimento/insegnamento della disciplina; non sempre però è di facile acquisizione, in particolare quando si affrontano le biomolecole. Tali strutture sono formate da pochi elementi della tavola periodica: carbonio, azoto, ossigeno, idrogeno, fosforo e zolfo e, ogni volta, gli studenti tendono a rilassarsi, memori delle fatiche svolte per acquisire i concetti della chimica del secondo/terzo anno.
In realtà, le difficoltà emergono subito. Infatti, è innegabile che all’interno di questi sistemi molecolari ci siano “solo” sei elementi, ma è altrettanto vero che queste macromolecole sono strutturalmente complesse. L’ottimismo iniziale degli studenti scema al primo argomento, i lipidi, e viene meno con le proteine, la cui complessità influisce sulla trattazione teorica a tal punto che, nella maggior parte dei casi, il docente si limita a una descrizione superficiale dell’argomento.
RasMol è un programma user friendly che può darci una mano. Caratterizzato da una struttura a duplice interfaccia, una grafica e una testuale, visualizza tutte le molecole, dalle più semplici alle più complesse, con un semplice click!
Click 1. Scarichiamo e lanciamo Rasmol2
Click 2. Scarichiamo i file pdb., Protein Data Bank, dell’emoglobina e della mioglobina. I file li troviamo nelle banche dati (ricerca complessa) o nel sito del prof. Mauro Tonellato3, che vi suggerisco di esplorare per la qualità e la varietà delle informazioni presenti.
Click 3. Visualizziamo, ad esempio, l’emoglobina: Menu principale > Open > 1HHO.pdb (nome del file). Ci comparirà la molecola dell’emoglobina così ricca di atomi e legami.
A fianco è rappresentata parte della molecola di emoglobina.
Click 4. Trovare il gruppo eme. Nella finestra testuale scriviamo:
RasMol > select hem
90 atoms selected!
Click 5. Visualizzare gruppo eme, Menu principale >Display > Ball&Stick.
Con questi semplici passaggi, lo studente può vedere come... il ferro eme – presente in fegato, manzo, prosciutto, bresaola, pesce – è legato all’emoglobina e alla mioglobina, due proteine che ospitano il gruppo EME, una struttura, al centro della quale si trova un atomo di ferro (giallo), capace di legare reversibilmente l’ossigeno.
Benvenuti nell’affascinante mondo del ferro!
Note
- 1 Formula CHIMICA - Pearson, Giovanni Casavecchia
- 2 Rasmol potete scaricarlo liberamentesul sito RasMol e OpenRasMol
- 3 Pianeta Chimica
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