struttura nelle fibre di lana - ezio martuscelli

PROGRAMMA NAZIONALE DI RICERCA
BENI CULTURALI (MIUR):
LA CONSERVAZIONE DEI TESSUTI ANTICHI
EZIO MARTUSCELLI
RELAZIONI PROPRIETA’
STRUTTURA NELLE FIBRE DI LANA
COLLANA DI TRASFERIMENTO E DIFFUSIONE
VOLUME PRIMO

L’autore ringrazia GENNARO GENTILE, SALVATORE GRANATA, FRANCESCA MANSI
FORLANI, che con la loro collaborazione hanno contribuito alla realizzazione del presente
volume.

INDICE
PAG.
Obiettivi della Collana di Trasferimento edita dal CAMPEC
relativa al progetto: “Nuovi Materiali Polimerici e Tecnologie
Eco-sostenibili per Preservare, Conservare e Restaurare
Tessili e Pietra” (PNR-Beni Culturali-MIUR) .......................................... I
Introduzione al Primo Volume ......................................................... XVII
CAPITOLO PRIMO
LA STRUTTURA MULTICELLULARE E COMPOSI-
TA DELLE FIBRE DI LANA ............................................................ 1
a) I principali elementi istologici e cellulari delle fibre di
lana ................................................................................................... 1
b) La struttura primaria delle proteine fibrose appartenenti
alla famiglia delle cheratine ........................................................... 11
c) Struttura secondaria delle -cheratine ............................................25
c 1) Struttura molecolare e geometria del gruppo peptidico ............. 25
c 2) Angoli di rotazione interna intorno ai legami semplici
e conformazioni dei polipeptidi delle -cheratine ............... 27
c 3) La struttura -elicoidale dei polipeptidi .................................. 32
c 4) La struttura a foglietto ripiegato .......................................... 37

d) La struttura fine delle -cheratine con particolare riguardo
al caso delle fibre di lana. Livelli strutturali (gerarchie)
e architettura globale delle fibre ........................................... 41
d 1) Diffrazione dei raggi X all’alto angolo ................................... 41
d 2) Diffrazione dei raggi X al basso angolo ................................. 44
d 3) Microscopia elettronica ed ottica ............................................ 49
e) Il polimorfismo conformazionale delle -cheratine: la
transizione delle fibre di lana ............................................... 58
Riferimenti ........................................................................................... 63
CAPITOLO SECONDO
RELAZIONI PROPRIETA’-STRUTTURA NELLE
FIBRE DI LANA ................................................................................ 67
a) Proprietà acido-base di una proteina in funzione del pH ............... 67
b) Interazioni tra le fibre di lana e l’acqua ..........................................74
c) Proprietà meccaniche....................................................................... 87
d) Proprietà termiche .........................................................................108
d 1) Relazioni tra proprietà termiche e struttura delle
fibre di lana .............................................................................117
d 2) Determinazione della temperatura di transizione vetrosa
nelle fibre di lana mediante DSC ....................................119
Riferimenti .......................................................................................... 127

CAPITOLO TERZO
RELAZIONE TRA STRUTTURA MOLECOLARE,
ORGANIZZAZIONE SOPRAMOLECOLARE E PRO-
PRIETA’ TINTORIALI DELLE FIBRE DI LANA ......................131
a) Valutazione del grado di diffusione e penetrazione di un
colorante all’interno delle fibre di lana ........................................ 162
Riferimenti ...........................................................................................167

OBIETTIVI DELLA COLLANA DI TRASFERIMENTO RELATIVA AL PROGETTO
NUOVI MATERIALI POLIMERICI E TECNOLOGIE
ECO-SOSTENIBILI PER PRESERVARE, CONSERVARE
E RESTAURARE TESSILI E PIETRA
Piano Nazionale “Beni Culturali” del MIUR
[D.M. 457/Ric., 05.03 (1998)]
L’uomo, fin dalla preistoria, attraverso procedimenti di cardatura, filatura,
torsione, ecc., è stato capace di ricavare dalle fibre naturali [di origine
animale (lana, seta, bisso marino, peli di cammello e di capra, ecc.)
e di origine vegetale (cotone, lino, canapa, kenaf, kapok, ecc.)] lunghi fili
continui (filati) (FIGURA – A e B). Quindi, inventando e utilizzando speciali
macchine (telai), ha trasformato questi filati (monodimensionali) in
tessuti piani (bidimensionali) attraverso un processo, detto di tessitura
(FIGURA – C e D). Quest’ultimo consiste, fondamentalmente, nel fare
passare attraverso una serie di fili tesi e paralleli, che costituiscono l’ordito,
un filo continuo, la trama, che va da una parte all’altra del tessuto.
Mediante i licci, una parte dei fili d’ordito, a seconda del tipo di intreccio
o armatura che si vuole realizzare, viene alzata o abbassata in modo
tale da lasciare spazio alla navetta portante il filo di trama.
Il movimento si ripete ritmicamente verso l’alto o verso il basso.
Variando le modalità con cui i fili d’ordito si alzano o si abbassano è possibile
realizzare tipologie diverse di tessuti. I fili di trama vengono compattati
tra loro utilizzando un attrezzo chiamato pettine.
Contemporaneamente alla filatura e tessitura, l’uomo ha sviluppato
complicate ed efficaci procedure di tintura dei filati e dei tessuti, scoprendo
e applicando metodologie di estrazione di principi coloranti dal mondo
vegetale e animale. Con la tintura l’uomo conferisce al manufatto tessile
un maggiore valore aggiunto sia di tipo economico che artistico.
Con il passare dei secoli i processi di filatura, tessitura, finitura e di tintura
si sono sempre più perfezionati. A seconda della natura delle fibre,
del tipo di filato, della tecnologia di tessitura, del colore e dell’armatura,
è stato possibile realizzare una vasta gamma di tessuti [damasco (dall’omonima
città irachena), crespo, batik, cretonne, cammellotto, calicò,
cammellino, Fig. A: La filatura broccato, del cotone presso albagio, gli indigeni aleppina dell’Amazzonia (dalla città (Brasile) di [Rif. Aleppo, 1]. Siria),
I

II
Fig. B: Niccolò Cannicci, La Filatrice, 1870, (olio su tela 96x76 cm.) [Rif. 2].

Fig. C: Donna dell’Amazzonia mentre tesse un tipico manufatto detto “Cushma”, utilizzando un
telaio orizzontale. Il colorante viene estratto dalla pianta denominata “Achiote” (Urucumm o Bixa
orellana) [Rif. 1].
cadì, lucchesino (dalla città di Lucca, Toscana), castorino, fustagno,
gabardine, sciantung, bambagino, lampasso, baracano, sciamito, satin,
jersey (dal nome dell’isola britannica nel canale della Manica), ermesino
(così detto dalla città di Ormuz, anticamente chiamata Armuza – Persia),
velluto, jacquard, ecc.] e di manufatti per arredamento e per tappezzeria
(tappeti e arazzi, tendaggi, drappeggi, ecc.).
Tessitori e maestri tintori svilupparono, nei secoli, tecniche e metodologie
mediante le quali fu possibile produrre manufatti caratterizzati da
una straordinaria eleganza dei disegni e delle raffigurazioni e bellezza e
solidità delle tinte. Questi capolavori dell’arte tessile solo verso la fine
del diciannovesimo secolo furono considerati oggetto di interesse storico,
archeologico e artistico in quanto “testimonianza materiale avente
valore di civiltà” e quindi accettati nella famiglia dei “Beni Culturali”
(FIGURE - E - N)
I tessili artistici, in quanto parte del patrimonio culturale dell’umanità,
vanno tutelati e conservati affinché la loro fruizione possa essere garantita
sia alla presente che alle future generazioni.
Il concetto di conservazione è stato così formulato da Sir Bernard
Feilden:
III

IV
Fig. D: Donne intente alla tessitura di un tappeto utilizzando un telaio verticale e filati tinti con
coloranti naturali.

«Conservation may be defined as the dynamic management of change in
order to reduce the rate of decay. The cultural, scientific and natural heritage
must be conserved as authentic documents. Intervention should be limited
to actions strictly necessary to insure the techniques and materials used
should not impede future treatment or examinations. Conservation requires
comprehensive socio-economic, legal and cultural planning, integrated at all
levels.» [J. Rosvall, Lecture presented at the Euro-Mediterranean School on:
New Materials and Technologies for the Conservation and Restoration of
Cultural Heritage Consisting of Natural Fibrous Polymers, Naples-Venice,
October 3-17 (1999)].
La conservazione di un bene culturale «not only demands input from
humanities and from science and technology but also from the fine arts,
crafts, and from social sciences. This implies an integrated, well defined
cross-disciplinary competence.» [G. D’Ossat (1972)].
I criteri alla base di un moderno intervento conservativo sono qui di
seguito elencati:
a) ridurre al minimo possibile il numero degli interventi;
b) usare materiali originali;
c) sostituire un materiale con uno che sia simile a quello originale;
d) introdurre nuovi materiali, con qualità note, che non siano
causa di ulteriori danni;
e) adottare interventi che siano “reversibili” e “documentabili”.
Inoltre, il processo di conservazione deve tendere a garantire al bene
culturale “a long period of service life”, [J. Rosvall (1999)], insieme alla
salvaguardia delle sue funzioni.
Uno degli aspetti più rilevanti della conservazione riguarda la classificazione
del meccanismo di deterioramento in atto e del suo controllo. In
questo contesto il processo conservativo deve focalizzarsi non solo alla
soluzione dei sintomi, ma soprattutto alla identificazione e alla eliminazione
dei problemi e degli agenti causa del degrado.
E’ in relazione allo scenario di cui sopra che, intorno ai primi anni
novanta, lo scrivente, all’epoca Direttore dell’Istituto di Ricerca e
Tecnologia delle Materie Plastiche del CNR (Pozzuoli – Napoli), costituì
un gruppo di ricerca il quale, sfruttando le competenze acquisite nel
campo delle relazioni tra proprietà e struttura dei polimeri sintetici e naturali,
con particolare riguardo allo stato fibroso, sviluppò una serie di studi
finalizzata alla messa a punto di metodologie per il riconoscimento delle
fibre costituenti reperti archeologici di natura tessile e di nuove formula-
V

VI
zioni polimeriche ecosostenibili che fossero idonee per applicazioni nel
campo del consolidamento e della conservazione di tessuti antichi deteriorati.
In collaborazione con il Museo Archeologico di Napoli, con la
Sovrintendenza Archeologica agli Scavi di Pompei, Ercolano e Scafati,
con il Museo Archeologico del Cairo e con la Missione Archeologica
delle Università degli Studi di Bologna e di Lecce a Bakchias (Regione
del Fayyum – Egitto), furono condotte ricerche che portarono alla identificazione
dei materiali costituenti importanti reperti tessili e alla determinazione
dei processi di filatura, di tessitura e di tintura usati nella loro
Fig. E: Fronte e retro di un tessuto “jacquard”
[Rif. 3].
Fig. F: Tessuto “batik” blu ottenuto per
annodatura [Rif. 3].

Fig. G: a) Antico “broccato” francese; b) “broccato” con inserzioni d’oro [Rif. 3].
VII

VIII
Fig. H: Antico “damasco” per paramenti ecclesiastici [Rif. 3].
fabbricazione. Inoltre furono ideate ed applicate nuove procedure di consolidamento
particolarmente necessarie nel caso di frammenti fortemente
degradati e quindi estremamente fragili e difficili da manipolare.
L’insieme degli studi sopra citati ha messo chiaramente in risalto che la
conservazione di tessili di interesse storico, artistico, culturale e archeologico,
in quanto costituiti essenzialmente da sistemi macromolecolari
naturali-fibrosi [di natura cellulosica (cotone, lino, canapa, ecc.) o proteica
(seta, lana, ecc.)], rappresenta un interessante settore applicativo
dei polimeri di sintesi.
I risultati raggiunti hanno trovato importanti riconoscimenti sia a livello
nazionale che internazionale. Infatti, nell’ambito del Quinto
Programma Quadro dell’Unione Europea [Azione Inco-Med
(International Cooperation with Mediterranean Countries)], è stato finanziato
un importante progetto di durata triennale (presentato dall’IRTEMP
– CNR) , basato su di un network trans-nazionale, dal titolo “New
Materials and Eco-Sustainable Technologies for the Conservation and
Restoration of Textiles”.
In campo nazionale, in data 14 marzo 2000 (D.M. 14 marzo 2000 n.
167 / Ric. pubbl. in GURI n. 73 del 28.03.2000), il progetto presentato
dal Consorzio CAMPEC dal titolo “Nuovi Materiali Polimerici e
Tecnologie Eco-Sostenibili per preservare, conservare e restaurare

Fig. I: Antico “lampasso” italiano [Rif. 3].
Fig. L: Firenze, velluto tagliato operato; seta, cm 30x25. Prato, Museo del Tessuto, n. 82.01.1
(seconda metà del XV secolo) [Rif. 4].
IX

X
Fig. M: a) Firenze, lampasso; seta, cm 24x25. Prato, Museo del Tessuto, n. 75.01.418
(ultimo quarto del XV secolo) [Rif. 4].
Tessili e Pietra”, fu ammesso a finanziamento nell’ambito del Tema n.2:
“Nuovi Sistemi di Intervento” del Piano Nazionale di Ricerca e
Formazione per il settore dei Beni Culturali ed Ambientali (D.M. 457 /
Ric. del 05.03.1998).
In particolare, il progetto di cui sopra, della durata complessiva di 36
mesi, si poneva i seguenti obiettivi:
a) mettere a punto sistemi polimerici idonei alla realizzazione di
interventi conservativi di tessili di interesse storico, artistico
e culturale;

Fig. M: b) Firenze, broccato; seta, argento e lino, cm 18x27. Prato, Museo del Tessuto, n.
75.01.520 (inizi del XVI secolo) [Rif. 4].
b) sviluppare processi di intervento eco-sostenibili basati su formulazioni
polimeriche solubili in acqua;
c) applicare metodologie innovative atte alla identificazione
delle fibre naturali costituenti il manufatto tessile e le materie
coloranti naturali utilizzate per la loro tintura.
Tra le varie azioni previste dal Capitolato Tecnico del progetto, particolare
enfasi veniva riservata alla diffusione dei risultati ottenuti.
E’ relativamente a quest’ultimo obiettivo realizzativo che la presente
XI

XII
Fig. N: Italia, velluto tagliato operato; seta e filo metallico, cm 49x69,5. Prato, Museo del
Tessuto, n. 81.01.7 (seconda metà del XV secolo) [Rif. 4].
collana di volumi viene edita dal Consorzio CAMPEC, Ente Proponente
ed Attuatore del progetto di cui sopra.
I principali destinatari e fruitori di questa collana di trasferimento e diffusione
sono i restauratori e conservatori di manufatti tessili di interesse
artistico e storico, i docenti di corsi universitari e master sui beni culturali,
curatori di musei e responsabili di società che svolgono la loro opera
nel campo della conservazione e restauro di opere d’arte che contengono
a vario titolo materiali tessili a base di polimeri naturali fibrosi e, infine,
i ricercatori scientifici e tecnici che svolgono attività di ricerca nelle varie

anche conoscitive e conservative applicate ai beni culturali.
Inoltre, i volumi, pubblicati dal CAMPEC nell’ambito della collana di
diffusione e trasferimento, intendono essere un utile punto di riferimento
sia agli studenti delle scuole tecniche, di corsi universitari, di scuole di
specializzazione e di master formativi, sia ai neo assunti in aziende chimiche
che producono prodotti per il settore tessile.
Potranno trovare utile i volumi di questa collana tutti quei giovani che
si apprestano ad entrare nell’affascinante mondo tessile del design, dell’abbigliamento
e dell’arredo.
EZIO MARTUSCELLI
(PRESIDENTE CAMPEC)
XIII

RIFERIMENTI
1) The Amazon, Edicoes Siciliano (1989);
2) G.L. Marini, Documenti Pittorici del Secondo Ottocento e del Primo
Novecento, by Galleria d’Arte Casa Editrice il Prisma, 12100 Cuneo, Via
XX Settembre 41 (1995);
3) La Stampa Tessile, Tecnologia e Macchine, Quaderni Ascontex
Editoriale, Collana diretta da A. Mazzuca, Ed. italiana (2001);
4) A. Fiorentini Capitani, S. Ricci, Il Costume al Tempo di Lorenzo il Magnifico
– Prato e il suo Territorio, Edizioni Charta s.r.l., Milano, Firenze (1992);
5) E. Martuscelli, Le Fibre di Polimeri Naturali nell’Evoluzione della
Civiltà – Le Fibre di Seta, Monografie Scientifiche, Serie Scienze
Chimiche, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Roma (1999);
6) E. Martuscelli, New Materials and Technologies for the Conservation
and Restoration of Cultural Heritage Consisting of Natural Fibrous
Polymers, Book of Lectures of «Euro Mediterranean Post Graduate
Advanced School», October 3-17 1999 – Naples – Venice, Edited by E.
Martuscelli, L. D’Orazio, IRTEMP-CNR, Naples (2002);
7) E. Martuscelli, La fibra naturale che ha segnato la storia di popoli e
nazioni, Monografie Scientifiche, Serie Scienze Chimiche, Consiglio
Nazionale delle Ricerche, Roma, giugno (2003).
XV

INTRODUZIONE AL PRIMO VOLUME DELLA
COLLANA DI TRASFERIMENTO DAL TITOLO:
“RELAZIONI PROPRIETÀ-STRUTTURA NELLE FIBRE DI LANA”
(AUTORE: EZIO MARTUSCELLI)
Questo volume, il primo di una serie, è parte integrante della collana
edita dal Consorzio CAMPEC, finalizzata al trasferimento e alla diffusione
dei risultati conseguiti nel corso del progetto “Nuovi Materiali
Polimerici e Tecnologie Ecosostenibili per preservare, conservare e
restaurare Pietra e Tessili”, finanziato dal MIUR nell’ambito del Piano
Nazionale di Ricerca e Formazione per il settore dei Beni Culturali ed
Ambientali, Tema n. 2: “Nuovi Sistemi di Intervento”.
In esso, sono descritte e analizzate le relazioni tra proprietà e struttura
delle fibre di lana che, come è ben noto, sono state ampiamente utilizzate
fin dalla preistoria nella produzione di tessili artistici (tappeti, arazzi,
tendaggi, drappeggi, paramenti ecclesiastici, costumi, ecc.).
Nella presente opera sono riportate le più moderne e recenti metodologie,
teoriche e sperimentali, attraverso le quali è stato possibile fornire
nuove evidenze circa le correlazioni esistenti tra la distribuzione e la
natura delle fasi che vanno a costituire, secondo un ordine gerarchico, la
struttura composita delle fibre di lana e le loro proprietà.
In particolare vengono prese in considerazione quelle proprietà della
lana che hanno maggiore rilevanza per quanto attiene alle applicazioni
nel settore tessile e tintoriale.
XVII

CAPITOLO PRIMO
LA STRUTTURA MULTICELLULARE E
COMPOSITA DELLE FIBRE DI LANA.
a) I principali elementi istologici e cellulari delle fibre di lana
Le fibre di lana si sviluppano da una cavità tubolare, presente sull’epidermide,
chiamata follicolo pilifero.
I principali elementi strutturali che caratterizzano il follicolo pilifero
sono: il muscolo erettore; la ghiandola sebacea; la ghiandola sudorifera;
il bulbo pilifero (parte rigonfia situata nella regione più profonda del follicolo)
e la papilla che si configura come una struttura a forma di cupola
che si origina da una protuberanza della base del bulbo (figura 1) [1, 2].
La distribuzione percentuale dei principali componenti le fibre di lana
è mostrata nella tabella 1 [2]. Dai dati in essa riportati si conclude che, da
un punto di vista chimico, la lana, nel suo insieme, è una fibra sostanzialmente
proteica le cui proteine principali appartengono alla famiglia
delle cheratine.
Tabella 1
Composizione media delle fibre di lana (%)
Proteine di natura cheratinica > 80
Altre sostanze proteiche ~ 17
Sostanze lipidiche ~ 1
Sali minerali ~ 0,5
Il processo di crescita di una fibra di lana è regolato da un ben preciso
programma genetico che, attraverso una sequenza di stadi evolutivi,
porta alla formazione dei vari componenti istologici che la compongono
(figura 2) [31-a].
Alla fine del loro sviluppo le fibre di lana presentano una caratteristica
morfologia che, come traspare dalla micrografia elettronica a scansione
1

2
Fig. 1: La crescita delle
fibre di lana: sezione longitudinale
di un follicolo
pilifero “primario”.
Gli elementi strutturali e
accessori indicati in figura
sono i seguenti:
a) epidermide e strato
basale (epidermis e basal
layer);
b) ghiandola sebacea
(sebaceous gland);
c) ghiandola sudorifera
(sweat gland);
d) papilla [Rif. 1, 2].
della figura 3, le rende facilmente riconoscibili.
In particolare le fibre di lana fini ed extrafini (diametro inferiore a 30
μm (1 micron = 10,000 angstrom (Å) = 0,0001 cm = 0,000001 m) sono
costituite essenzialmente da due tipi di cellule: cuticolari e corticali (figura
2). Le cellule cuticolari vanno a formare la parete esterna delle fibre e,
come evidenziato nelle figure 2 e 3, esse danno luogo ad una struttura
scagliosa e squamiforme dove le varie scaglie (ogni scaglia corrisponde
ad una singola cellula), orientate con i bordi nella direzione della parte
terminale della fibra, si sovrappongono le une alle altre in maniera analoga
a come si dispongono le tegole di un tetto. Questa particolare configurazione
impedisce alle particelle di impurezze e di sporco di raggiungere
la pelle degli ovini, e nello stesso tempo favorisce la migrazione e
quindi la eliminazione di particelle estranee dal vello degli animali [4].
La cuticola, andando dall’esterno delle fibre verso l’interno, è costituita
dall’esocuticola (stabile all’azione degli enzimi) e dall’endocuticola (facilmente
digeribile dagli enzimi); entrambi questi componenti sono ricoperti
da una sottile membrana idrofoba semipermeabile (figura 4) [1, 4].
La struttura delle scaglie è messa in evidenza nella micrografia elettronica
della figura 5 dalla quale si ricava che le dimensioni delle celle cuticolari,
relative a fibre di lana merino, sono 20x30x0,5 m [5].
L’esocuticola è separata dalle celle corticali da una sottile membrana cellulare
complessa (spessa all’incirca 25 nm), la stessa che separa tra loro le

Fig. 2: I principali
componenti istologici
delle fibre di lana
merino così come si
ricavano dall’indagine
al microscopio
ottico ed elettronico
[Rif. 3].
Fig. 3: Micrografia elettronica a scansione di una fibra di lana merino. Sulla superficie sono
visibili la scaglie [Rif. 3-b].
3

4
singole cellule corticali assicurandone la coesione (cemento intercellulare).
Le cellule corticali, nel loro insieme, vanno a costituire il cortex o cortice
che è diviso in due parti, il paracortex e l’ortocortex, i quali si differenziano
tra loro per la composizione chimica e per la conformazione
delle macromolecole nella matrice e nelle zone amorfe.
Le cellule corticali, come evidenziato nello schema della figura 2, sono
fusiformi, caratterizzate da una lunghezza compresa tra 80 e 110 m e nel
punto di massima ampiezza da una larghezza variabile tra 2 e 5 m e da
uno spessore di 1,22,6 m. Esse a loro volta sono costituite da un insieme
di macrofibrille le quali sono più densamente impacchettate nella
regione denominata ortocortex rispetto alla zona paracorticale. Le macrofibrille
sono la risultante dell’aggregazione di microfibrille ciascuna delle
quali, come sarà descritto in dettaglio nelle prossime pagine, è composta
da protofibrille tenute insieme da una matrice meno densa e meno ordinata.
Fig. 4: Rappresentazione
diagrammatica
dei componenti strutturali
della cuticola squamosa
delle fibre di lana
[Rif. 1].
Fig. 5: Micrografia
elettronica a scansione
ad elevato ingrandimento
dove viene messa in
risalto la struttura delle
scaglie nel caso di una
fibra di lana [Rif. 5].

Fig. 6: Micrografie elettroniche
in scansione di
fibre di lana, fratturate a
bassa temperatura, dalle
quali è possibile evidenziare
le singole cellule
corticali [Rif. 6-a].
5

6
La presenza di cellule corticali emerge chiaramente esaminando,
mediante microscopia elettronica a scansione, frammenti di fibre di lana
fratturate dopo averle portate a bassa temperatura per infragilirle (figura
6) [6-a].
Dalle micrografie elettroniche della figura 6 è possibile notare la presenza
di materiale che sembra connettere più cellule. E’ probabile che
questo materiale appartenga alla matrice amorfa, che circondando le cellule
corticali, contribuisce ad aumentare la coesione della struttura globale
che rappresenta il cuore delle fibre [6-a].
Nelle fibre di lana più spesse, con un diametro maggiore di 35 μm, è
presente nella parte interna centrale, un terzo aggregato cellulare il midollo
o cavità porosa costituito da cellule poligonali (che formano il materiale
parietale), da residui nucleici e pigmenti [2].
Le caratteristiche morfologiche e strutturali delle fibre di lana (struttura
e forma delle scaglie superficiali, lunghezza e spessore, presenza o
meno del midollo centrale), documentabili mediante microscopia elettronica
a scansione (SEM) (figura 7), dipendono fortemente dalla razza
Fig. 7: Un esemplare di un moderno microscopio elettronico a scansione utile allo studio della
struttura e morfologia delle fibre di lana [Rif. 6-b].

a 1 )
a 2 )
a 3 )
a 4 )
Fig. 8: Morfologia e struttura di
fibre di lana di velli di varie razze
italiane di ovini [Rif. 6-b]:
a) Razza sarda
a 1 ) Sezione trasversale di un insieme
di fibre (micrografia ottica);
a 2 ), a 3 ), a 4 ) Micrografie elettroniche
(SEM) di fibre di diverso diametro
viste longitudinalmente.
7

8
b 1 )
b 2 )
b 3 )
b 4 )
Fig. 8: Morfologia e struttura di
fibre di lana di velli di varie razze
italiane di ovini [Rif. 6-b]:
b) Razza comisana
b 1 ) Sezione trasversale di un insieme
di fibre (micrografia ottica);
b 2 ), b 3 ), b 4 ) Micrografie elettroniche
al SEM (visione longitudinale)
di fibre aventi diverso spessore.

c 1 )
c 2 )
c 3 )
c 4 )
Fig. 8: Morfologia e struttura di
fibre di lana di velli di varie razze
italiane di ovini [Rif. 6-b]:
c) Razza delle langhe
c 1 ) Sezione trasversale di un insieme
di fibre (micrografia ottica);
c 2 ), c 3 ), c 4 ) Micrografie elettroniche
al SEM (visione longitudinale)
di fibre con diametro diverso.
9

10
degli ovini e, nell’ambito della stessa razza, dall’età della pecora, dal tipo
di allevamento, dalla natura dei pascoli e, quindi, dalla specificità dei
nutrienti. Inoltre, anche nel caso di una stessa pecora, è possibile riscontrare
notevoli variazioni a seconda della parte del corpo da cui la fibra
trae origine.
Quanto sopra trova riscontro nella serie di micrografie ottiche ed elettroniche
riportate nella figura 8, le quali si riferiscono a fibre derivanti da
velli di varie razze italiane di ovini.
In particolare, ogni lana viene rappresentata mediante una micrografia
ottica della sezione trasversale e tre micrografie al SEM (visioni longitudinali)
che descrivono la morfologia e struttura di fibre aventi spessori
diversi (una di finezza media, una di diametro superiore alla media e una
di diametro inferiore alla media) [6-b].

) La struttura primaria delle proteine fibrose appartenenti alla
famiglia delle cheratine
Le proteine che si trovano negli organismi viventi sono dei polipeptidi,
le cui macromolecole sono costituite dai residui di 20 -amminoacidi, a
formula generale:
HO
C
O R
H
()
C NH2
i quali si differenziano tra loro per la struttura chimica del gruppo R.
Sulla base della polarità del gruppo R è possibile classificare gli aamminoacidi
nelle seguenti classi: (I) dove i gruppi R sono non polari o
idrofobici; (II) con gruppi R polari ma privi di carica (neutri); (III) con
caratteristiche acide e con gruppi R polari con carica positiva (a pH tra
6,0 e 7,0) e (IV) basici con gruppi R carichi positivamente (a pH tra 6,0
e 7,0).
La formula di struttura, il nome, il simbolo ed il peso molecolare degli
amminoacidi, afferenti ai 4 gruppi sopra menzionati, sono riportati nella
figura 9. Gli amminoacidi sono rappresentati nella forma ionizzata che
prevale per valori del pH compresi tra 6,0 e 7,0 (zona di pH intracellulare).
In queste condizioni l’-ammino gruppo è protonato ( NH 3 + ) mentre
il carbossile è de-protonato ( COO – ) [7, 8].
Tutti gli -amminoacidi presenti nelle proteine, e che si ottengono dalle
stesse per idrolisi, mostrano un’attività ottica, cioè sono in grado, in
soluzione, di ruotare il piano della luce polarizzata.
Questa caratteristica (chiralità o stereoisomeria) deriva dal fatto che, ad
esclusione della glicina, l’atomo di carbonio in è asimmetrico essendo
legato a 4 gruppi atomici diversi tra loro. A causa della natura tetraedica
degli orbitali sp 3 dell’atomo di carbonio i quattro sostituenti possono
disporsi nello spazio secondo due differenti configurazioni a cui corrispondono
due stereoisomeri o enantiomeri (isomeria configurazionale). Le
configurazioni assolute di questi due enantiomeri, convenzionalmente indicati
come isomero (L) e isomero (D), sono rappresentate nella figura 10.
Tutti gli -amminoacidi, i cui residui sono presenti nelle proteine biologiche,
hanno una configurazione o chiralità assoluta di tipo L [7, 8].
Le cheratine appartengono alla classe di proteine naturali dette fibrose
11

12
a)
Fig. 9: Formula di struttura e peso
molecolare dei 20 più comuni amminoacidi
presenti nelle proteine
naturali.
Gli -amminoacidi sono suddivisi in
base alla polarità del gruppo R:
a) amminoacidi con gruppi R non
polari e idrofobici;

Fig. 9: Formula di struttura e peso
molecolare dei 20 più comuni amminoacidi
presenti nelle proteine
naturali.
Gli -amminoacidi sono suddivisi
in base alla polarità del gruppo R:
b) amminoacidi con gruppi R polari
privi di carica;
b)
13

14
c)
Fig. 9: Formula di struttura e peso molecolare dei 20 più comuni -amminoacidi presenti nelle
proteine naturali.
Gli -amminoacidi sono suddivisi in base alla polarità del gruppo R:
c) amminoacidi con caratteristiche acide, con gruppi R polari carichi negativamente;
poiché le loro macromolecole hanno la capacità di aggregarsi tra loro,
attraverso forti legami intercatena, dando luogo ad una strutturazione tridimensionale
fortemente allungata nella direzione assiale, caratterizzata
da elevate proprietà meccaniche, insolubilità in acqua o in soluzioni saline
diluite.
La struttura primaria di una proteina è determinata dai seguenti elementi:
i) la natura chimica e la proporzione degli amminoacidi che la
costituiscono;
ii) la sequenza e l’ordine secondo cui i residui degli amminoacidi
si succedono lungo la catena macromolecolare;
iii) la presenza di particolari legami covalenti di tipo cross link
(intramolecolari e intermolecolari) (figura 11) [9];
iv) la natura chimica dei gruppi terminali (indipendentemente
dalla loro costituzione, le macromolecole delle proteine termi

nano la loro catena con un gruppo acido COOH ad una delle
estremità e con un gruppo amminico (NH 2) ad un'altra).
La struttura primaria determina gli altri livelli di organizzazione strutturale
di una proteina; essa è di particolare rilevanza nel caso delle proteine
fibrose quali le cheratine della lana.
d)
Fig. 9: Formula di struttura e peso molecolare dei 20 più comuni -amminoacidi presenti nelle
proteine naturali.
Gli -amminoacidi sono suddivisi in base alla polarità del gruppo R:
d) amminoacidi basici, carichi positivamente.
Gli -amminoacidi sono rappresentati nella forma ionizzata che predomina a pH tra 6,0 e 7,0
[Rif. 7].
15

16
Una esemplificazione del concetto di struttura primaria si ricava riferendosi
al caso di un polipeptide semplice a catena corta derivante dalla
condensazione di 5-amminoacidi diversi (serina, glicina, tirosina, alanina
e leucina) (figura 12). Il pentapeptide si caratterizza per una sequenza di
amminoacidi che, a partire dalla estremità NH +
3 terminata, può essere
così descritta:
+
NH3 Ser Gly Tyr Ala Leu COO
Di conseguenza il pentapeptide prende il nome di serilgliciltirosinilalanilleucina
[7].
L’idrolisi totale della cheratina delle fibre di lana permette di ottenere e
riconoscere i singoli amminoacidi i cui residui ne costituiscono la catena
molecolare.
L’analisi dell’idrolizzato è un metodo che permette di determinare la
composizione media espressa in termini di moli per grammo di idrolizzato
dei singoli -amminoacidi recuperati.
Il risultato è illustrato nella tabella 2 nella quale sono riportati i dati
complessivi relativi a tre diversi campioni di lana merino. Dalla tabella 2
emerge che la composizione delle fibre di lana varia da campione a campione.
In generale è stato trovato che la composizione delle fibre dipen-
Fig. 10: Rappresentazione delle configurazioni assolute dei
due stereoisomeri L e D degli -amminoacidi. Nelle proteine
biologiche sono presenti solo le forme L.

de in maniera sostanziale dalla specie di ovino considerata [1].
Inoltre, come si ricava dalla tabella 3, i vari elementi delle fibre di lana
(cuticola, para e orto-cortice) hanno una differente composizione amminoacidica
e quindi caratteristiche chimiche, chimico-fisiche e fisiche
notevolmente diverse [9].
Tabella 2
Composizione amminoacidica di fibre di lana merino
Composizione mol/g (a)
Ammino acido Campione N° 1 N° 2 N° 3
Lisina 193 277 269
Istidina 58 76 82
Arginina 602 613 600
Triptofano (b) (b) (b)
Acido aspartico 503 602 560
Treonina 547 564 572
Serina 860 892 902
Acido glutammico 1020 1046 1049
Prolina 633 561 522
Glicina 688 815 757
Alanina 417 512 469
1/2 Cistina 943 1120 922
Valina 423 546 486
Metionina 37 47 44
Isoleucina 234 318 275
Leucina 583 721 676
Tiroxina 353 380 349
Fenilanina 208 268 257
NH3 887 855
(a) Sono riportati i risultati di tre differenti test.
(b) Il Triptofano viene distrutto nelle condizioni di idrolisi usate per le analisi riportate;
da tecniche alternative si ricavano valori che cadono nell'intervallo di 35-44
mol/g [Rif. 1].
17

18
Tabella 3
La composizione amminoacidica relativa ai vari elementi
delle fibre di lana (para-cortex, orto-cortex e cuticola)
messa a confronto con quella globale.
I dati sono in percentuale (peso/peso).
Ammino acido Totale Para Orto Cuticola
-cheratina Cortex Cortex (scaglie)
(%) (%) (%) (%)
Glicina 4.34 3.65 4.62 4.68
Alanina 3.48 3.64 3.59 4.32
Valina 5.30 5.61 5.91 6.54
Leucina 7.72 8.46 8.93 6.87
Isoleucina 3.46 3.97 3.85 2.89
Fenilanina 3.52 3.46 3.86 2.54
Prolina 5.94 5.74 5.35 9.23
Serina 9.03 8.89 8.79 12.50
Treonina 5.67 6.16 5.73 4.45
Tirosina 5.58 1.43 3.62 2.27
Acido aspartico 6.44 7.14 7.43 4.21
Acido glutammico 14.14 16.41 15.13 11.79
Lisina 3.33 3.48 3.47 3.81
Arginina 9.60 10.44 11.01 7.28
Istidina 1.10 0.98 0.95 1.30
Metionina 0.58 0.50 0.55 0.46
Cistina 10.56 10.50 7.83 14.34
Cisteina 0.12 0.10 0.20 0.35
Lantionina 0.06 - - 0.17

a)
b) c)
Fig. 11: Esempi di legami covalenti tipo cross link che possono riscontrarsi nelle proteine:
a) legame S S cistinico intracatena;
b) legame S S cistinico intercatena;
c) cross-link peptidico intercatena [Rif. 9].
Le cheratine biologiche, presenti in natura, a seconda della loro composizione,
possono essere suddivise in due classi:
- -cheratine: ad alto contenuto di residui di cistina e quindi con un elevato
numero di legami disulfidici ( S S ) (quelle
con un contenuto di cistina molto alto, fino al 22%, sono
caratterizzate da durezza, rigidità e friabilità, sono presenti
nelle corna e nelle unghie dei mammiferi, mentre
quelle più flessibili (10-14% di cistina) sono contenute
nella pelle, nei capelli e nelle fibre di lana).
19

20
- -cheratine: ad elevato contenuto di residui di -amminoacidi con
catene laterali a basso ingombro (glicina, alanina e serina)
( sono contenute nelle squame, negli artigli e nei becchi
dei rettili e degli uccelli) [7].
Dalle fibre di lana, così come dai capelli, dalle corna, dalle unghie e
dagli aculei dei mammiferi sono stati isolati tre diversi tipi di -cheratina:
i) una frazione a basso contenuto di zolfo con peso molecolare
pari a circa 40.000;
ii) una frazione ad alto contenuto di zolfo avente un peso molecolare
compreso tra 10.000 e 30.000;
iii) una frazione ad elevato contenuto di tirosina caratterizzato
da un peso molecolare inferiore a 10.000 [10].
Come già precedentemente scritto, la struttura primaria di una proteina
è definita oltre che dalla sua composizione e costituzione anche dalla
sequenza in base alla quale i residui di amminoacidi si succedono lungo
la catena macromolecolare.
Le proteine, a basso contenuto di zolfo, che si ottengono dagli estratti
della frazione microfibrillare delle fibre di lana, sono composte da due
famiglie (tipo I e tipo II).
Le sequenze amminoacidiche delle cheratine di origine microfibrillare,
appartenenti al tipo I [peso molecolare: 46674 Da (unità di massa atomica
pari a 1,66 x 10 -27 Kg) e costituite da 412 residui], delle cheratine di tipo II
[peso molecolare: 53681 Da; lunghezza di 491 residui] e delle cheratine
ricavate dalla matrice amorfa e rigida, ad alto contenuto di zolfo [peso
molecolare: 17603 Da e una lunghezza di 171residui] sono riportate,
rispettivamente, nelle tabelle 4, 5 e 6 [11, 12, 13].
Il confronto dei dati delle tabelle 4, 5 e 6 porta alla conclusione che frazioni
di cheratine isolate dai vari elementi costitutivi presentano strutture
primarie notevolmente diverse tra loro.
La conoscenza della struttura primaria di una proteina è essenziale ai fini:
i) della comprensione delle basi molecolari della sua attività
biologica;
ii) della deduzione delle regole che essendo alla base del processo
di rotazione intorno ai legami dello scheletro molecolare
determinano la sua geometria o conformazione spaziale
e cioè quella che viene definita come struttura secondaria
delle proteine.

Fig. 12: Esemplificazione del
concetto di struttura primaria
di una proteina nel caso di un
pentapeptide. La sequenza
peptidica, per consuetudine,
parte sempre dal residuo N-terminale.
I legami peptidici sono
ombreggiati in colore [Rif. 8].
21

22
Tabella 4
Sequenza amminoacidica di cheratine afferenti al tipo I
a basso contenuto di zolfo derivate dalla frazione
microfibrillare degli estratti di fibre di lana
(peso molecolare: 46674 Da*; lunghezza: 412 residui)**.
10 20 30 40 50 60
I I I I I I
SFNFCLPNLS FRSSCSSRPC VPSSCCGTTL PGACNIPANV GSCNWFCEGS FDGNEKETMQ
70 80 90 100 110 120
I I I I I I
FLNDRLASYL EKVRQLEREN AELESRILER SQQQEPLVCP NYQSYFRTIE ELQQKILCAK
130 140 150 160 170 180
I I I I I I
SENARLVVQI DNAKLAADDF RTKYETELGL RQLVESDING LRRILDELTL CKSDLEAQVE
190 200 210 220 230 240
I I I I I I
SLKEELICLK SNHEEEVNTL RSQLGDRLNV EVDAAPTVDL NRVLNETRAQ YEALVETNRR
250 260 270 280 290 300
I I I I I I
DVEEWYIRQT EELNKQVVSS SEQLQSCQTE IIELRRTVNA LEVELQAQHN LRDSLENTLT
310 320 330 340 350 360
I I I I I I
ETEARYSCQL NQVQSLISNV ESQLAEIRGD LERQNQEYQV LLDVRARLEC EINTYRGLLD
370 380 390 400 410
I I I I I
SEDCKLPCNP CATTNACGKT ITPCISSPCA PAAPCTPCVP RSRCGPCNSY VR
* Da= Dalton: unità di massa atomica (1 Da=1,66 x 10-27 Kg)
** I residui di amminoacidi sono indicati in maniera abbreviata con una lettera in conformità a quanto indicato
nella figura 9

Tabella 5
Sequenza amminoacidica nel caso di cheratine afferenti al tipo
II a basso contenuto di zolfo ottenute dalla frazione microfibrillare
degli estratti di fibre di lana (peso molecolare: 53681 Da;
lunghezza: 491 residui) (*), (**).
10 20 30 40 50 60
I I I I I I
CGFSTVGSGF GSRAFSCVSA CGPRPGRCCI TAAPYRGISC YRGLTGGFGS RSVCGGFRAG
70 80 90 100 110 120
I I I I I I
SCGRSFGYRS GGVCGPSPPC ITTVSVNESL LTPLNLEIDP NAQCVKQEEK EQIKCLNNRF
130 140 150 160 170 180
I I I I I I
AAFIDKVRFL EQQNKLLETK LQFFQNRQCC ESNLEPLFEG YIETLRREAE CVEADSGRLS
190 200 210 220 230 240
I I I I I I
SELNHVQEVL EGYKKKYEQE VALRATAENE FVALKKDVDC AYVRKSDLEA NSEALIQEID
250 260 270 280 290 300
I I I I I I
FLRRLYQEEI RVLQANISDT SVIVKMDNSR DLNMDCIVAE IKAQYDDIAS RSRAEAESWY
310 320 330 340 350 360
I I I I I I
RSKCEEIKAT VIRHGETLRR TKEEINELNR VIQRLTAEVE NAKCQNSKLE AAVTQAEQQG
370 380 390 400 410 420
I I I I I I
EVALNDARCK LAGLEEALQK AKQDMACLLK EYQEVMNSKL GLDIEIATYR RLLEGEEQRL
430 440 450 460 470 480
I I I I I I
CEGVGAVNVC VSSSRGGVVC GDLCVSGSRP VTGSVCSAPC SGNLAVSTGL CAPCGQLNTT
490
I
CGGGSCSLGR C
* Da= Dalton: unità di massa atomica (1 Da=1,66 x 10-27 Kg)
** I residui di amminoacidi sono indicati in maniera abbreviata con una lettera in conformità a quanto
indicato nella figura 9
23

24
Tabella 6
Sequenza amminoacidica di cheratine ad elevato
contenuto in zolfo derivate dalla matrice rigida nella quale
sono immerse le microfibrille (peso molecolare: 17603 Da;
lunghezza: 171 residui) (*), (**).
10 20 30 40 50 60
I I I I I I
ACCSTSFCGF PICSTGGTCG SSPCQPTCCQ TSCCQPTSIQ TSCCQPISIQ TSCCQPTSIQ
70 80 90 100 110 120
I I I I I I
TSCCQPTCLQ TSGCETGCGI GGSIGYGQVG SSGAVSSRTR WCRPDCRVEG TSLPPCCVVS
130 140 150 160 170
I I I I I
CTPPSCCQLY YAQASCCRPS YCGQSCCRPA CCCQPTCIEP ICEPSCCEPTC
* Da= Dalton: unità di massa atomica (1 Da=1,66 x 10-27 Kg)
** I residui di amminoacidi sono indicati in maniera abbreviata con una lettera in conformità a quanto
indicato nella figura 9

c) Struttura secondaria delle -cheratine
Una proteina è in grado di svolgere la sua funzione biologica solo se i
gruppi atomici che si susseguono lungo lo scheletro delle catene polipeptidiche
si dispongono, dal punto di vista geometrico, secondo una
conformazione regolare che permette alle macromolecole di aggregarsi
in modo tale da potere realizzare una strutturazione tridimensionale ben
definita.
Secondo T.E. Creighton, per struttura secondaria di una proteina deve
intendersi:
«any regular local structure of a linear segment of a polypeptide chain, such
as an helix or an extended strand» [14].
La struttura secondaria di una proteina, determinata dalla forma geometrica
che la macromolecola assume nello spazio o nel mezzo nell’ambito
del quale essa esplica la sua attività, è strettamente connessa alla sua
struttura primaria ed ad una serie di altri fattori quali:
- la lunghezza e gli angoli dei legami che si succedono lungo la catena
macromolecolare;
- le restrizioni imposte da interazioni steriche alle possibili conformazioni
che limitano quindi le successioni dei valori degli angoli di
rotazione interna, intorno ai legami covalenti dello scheletro molecolare;
- i legami secondari di tipo intramolecolare (legami ad idrogeno, dipolo-dipolo,
salini, ecc.).
c 1) Struttura molecolare e geometria del gruppo peptidico
Linus Pauling e Robert Corey, tra gli anni ‘30 e ‘40 del secolo scorso,
determinarono, utilizzando la tecnica della diffrazione dei raggi X ad alto
angolo, la struttura cristallina e molecolare di una serie di -amminoacidi
e di peptidi semplici.
Il loro obiettivo era quello di trovare principi di carattere generale che
potessero essere utilizzati anche per predire la struttura delle proteine allo
stato solido cristallino.
In particolare gli studi di Pauling e Corey permisero di:
i) determinare i valori degli angoli tra i legami e la lunghezza
dei legami relativi al gruppo peptidico;
ii) stabilire per il gruppo peptidico una conformazione rigida e
25

26
planare, conseguenza del fatto che il legame C N (legame
peptidico) possiede circa il 40% del carattere di doppio
legame potendo risuonare tra le due possibili strutture:
O
C
N
iii) definire una disposizione trans degli atomi di carbonio
rispetto al legame C N (analoga disposizione si verifica per
l’idrogeno legato all’azoto e per l’ossigeno del carbonile)
(figura 13).
Nella figura 13 sono riportate, per il gruppo peptidico in configurazione
trans, le dimensioni standard delle lunghezze di legame (in angstrom,
Å) e degli angoli di legame (in gradi) ottenute come media dei risultati di
determinazioni della struttura cristallina e molecolare ai raggi X di amminoacidi
e di peptidi [15, 16].
O
C
+
N
H H
Fig. 13: Parametri strutturali (in angstrom, Å, e in gradi) del gruppo peptidico (derivati dalla
media dei risultati di determinazioni della struttura cristallina e molecolare di cristalli di amminoacidi
e peptidi mediante diffrazione dei raggi X) [Rif. 15].

c 2) Angoli di rotazione interna intorno ai legami semplici e conformazione
dei polipeptidi delle -cheratine
Nel caso di un sistema di quattro atomi ABCD uniti tra loro in sequenza
come mostrato nella figura 14, l’angolo di rotazione interna () intorno
al legame BC è determinato dall’angolo formato tra i piani specificati
dai legami AB e BC e dai legami BC e CD. L’angolo di
torsione può essere negativo o positivo sulla base di una convenzione i
cui criteri, facendo riferimento ai diagrammi di Newman e alle relative
visioni prospettiche riprodotte nella figura 15, sono qui di seguito delineati,
[4, 8].
All’angolo viene attribuito un valore positivo se guardando lungo il
legame BC, per portare l’atomo in posizione frontale (A o D a seconda
che si guardi rispettivamente nella direzione B C oppure C B)
ad eclissarsi rispetto all’atomo posteriore (D o A) è necessario effettuare
una rotazione in senso orario (vedasi figura 15-a). Al contrario se per
posizionare l’atomo frontale in posizione eclissata con quello posteriore
bisogna ruotare in senso antiorario allora a viene attribuito un valore
negativo (vedasi figura 15-b).
Per convenzione all’angolo di torsione intorno al legame B C si
assegna un valore di 0° quando i legami A B e C D si dispongono
in una conformazione cis mentre in corrispondenza di una conformazione
trans a viene attribuito un valore di ±180°.
Lo scheletro di una macromolecola proteica può essere raffigurato
mediante una sequenza di gruppi peptidici planari e rigidi legati tra loro
Fig. 14: Schema per la definizione di angolo di rotazione interna () intorno al legame BC
(vedasi testo).
27

28
15a
15b
Fig. 15: Definizione e segno dall’angolo di torsione intorno al legame BC relativo ad un sistema
di quattro atomi ABCD.
a) Diagrammi di Newman e relative visioni prospettiche relativi a valori positivi di .
b) Diagrammi di Newman e relative visioni prospettiche per valori negativi di [Rif. 16].
mediante forti legami covalenti e la cui conformazione viene ad essere
determinata dai valori degli angoli di rotazione interna e rispettivamente
intorno ai legami CN e CC di ognuno dei suoi residui
amminoacidici (figura 16) [15].
In linea di principio sia che possono assumere ogni valore compreso
tra –180° e +180° anche se considerazioni steriche ed energetiche
portano alla conclusione che, per una catena polipeptidica, solo poche
conformazioni sono possibili.
Attraverso l’analisi conformazionale (una metodica sviluppata negli anni
‘60 da P.J. Flory e successivamente raffinata da G. C. Ramachandran e da
molti altri [16, 17]), che correla le forme spaziali che una molecola può
assumere nello spazio, senza modificare la sua configurazione, con i
rispettivi valori dell’energia potenziale, è stato possibile predire a tavolino
le conformazioni più probabili dei residui di amminoacidi che si succedono
lungo una macromolecola polipeptidica. Il principio fondamentale su
cui si basa l’analisi conformazionale è quello di derivare una funzione per
l’energia potenziale rotazionale E (, ) e dei metodi di calcolo appropriati
attraverso cui sia possibile determinare il valore di E (, ) per ogni coppia
di angoli di rotazione interna e e quindi costruire la mappa conformazionale
o diagramma di Ramachadran (Energy Contour Diagram).

L’energia potenziale totale di rotazione, per l’iesimo residuo di amminoacido
in catena, viene descritta, dal punto di vista analitico, attraverso
una funzione del tipo:
E (i, i) = [Ekl (i, i) + Ed (i, i) + ETOR (i, i)] (1)
kl
Dove la sommatoria si estende a tutte le coppie di atomi k e l, non legati
tra loro, la cui distanza di separazione dipende dai valori di i, e i [8].
Nella equazione (1), E d ( i, i) rappresenta il contributo energetico connesso
al potenziale intrinseco del legame singolo intorno al quale avviene
la rotazione. Quest’ultimo termine è da mettere in relazione al fatto
che indipendentemente dalle interazioni tra coppie di atomi non legati e
a quelle elettrostatiche il legame stesso presenta una barriera di potenziale
alla torsione [8].
La funzione E kl [ i, i], descrive l’energia di interazione tra gli atomi k
e l non legati. In generale l’andamento di E kl, come mostrato nella figura
17, presenta, per un particolare valore della distanza r kl, un minimo negativo
in corrispondenza del quale tra i due atomi viene ad esercitarsi la
massima energia di attrazione. Per distanze inferiori si verificano forti
Fig. 16: Raffigurazione di una parte di
catena polipeptidica attraverso cui viene
evidenziato il grado di libertà torsionale di
ogni unità peptidica. Gli unici movimenti
possibili sono rotazioni intorno al legame
CN () e intorno al legame CC
(). Entrambi gli angoli di torsione sono
uguali a 180° nella conformazione trans
planare mostrata in figura [Rif. 15].
29

30
kl
repulsioni e pertanto l’energia, al ridursi di r kl, passa rapidamente da valori
negativi a positivi.
Per larghe distanze di separazione praticamente non si verificano interazioni
(E kl0).
I valori di r kl relativi al minimo della curva della figura 17 si ricavano
dalle strutture molecolari e cristalline, risolte mediante l’ausilio della diffrattometria
dei raggi X. Pertanto per ogni coppia di atomi l’espressione
analitica di E kl [ i, i] viene tarata affinché essa presenti un minimo proprio
in corrispondenza dei valori sperimentalmente trovati di r kl.
Le distanze minime di contatto, relative a coppie di atomi presenti in
una catena polipeptidica sono riportate nella tabella 7 [15, 19].
La probabilità (p) affinché un residuo di amminoacido abbia energia E,
secondo la legge di Boltzman, è data dalla seguente equazione:
1
E
p = E X P [ ] (2)
Z
RT
dove Z è la funzione di ripartizione:
Ei Z = E X P [ ] (3)
RT
Fig. 17: Andamento dell’energia
di interazione tra due atomi non
legati (E kl ) (in particolare la curva
si riferisce alla coppia H H) in
funzione della distanza r kl [Rif.
8, 18].

Tabella 7
Distanze di contatto limite per le più importanti coppie di atomi
presenti lungo una catena polipeptidica
Tipo di contatto Permesso (Å) Fuori limite (Å)
H H 2 1,9
H O 2,4 2,2
H N 2,4 2,2
H C 2,4 2,2
O O 2,7 2,6
O N 2,7 2,6
O C 2,8 2,7
N N 2,7 2,6
N C 2,9 2,8
C C 3 2,9
C CH2 3,2 3
CH2 CH2 3,2 3
Nella (3) la sommatoria è estesa a tutti i possibili valori o livelli di energia
che il residuo di amminoacido può assumere in relazione agli angoli
di torsione e . Dall’equazione (2) si conclude che le conformazioni più
probabili sono quelle alle quali corrispondono valori di E più bassi [20].
Esempi di energy contour diagram, calcolati utilizzando l’equazione
(1), sono mostrati nelle figure 18 e 19 [8, 17]. In particolare la mappa
conformazionale della figura 18 si riferisce al residuo della glicina, mentre
quella della figura 19 al residuo della L-alanina. Dall’esame delle
curve di livello della figura 18 si evince la presenza di due minimi simmetrici
per = –80°, = +90° e per = +80°, = –90°.
Nel caso della L-alanina (figura 19) è possibile osservare la presenza di
tre distinte zone a bassa energia, esse sono etichettate con i numeri romani
I, II e III.
I punti a più bassa energia relativi alle zone I e II corrispondono a valori
di i, i compatibili con una conformazione di tipo elicoidale.
Mappe energetiche calcolate anche per altri residui di -amminoacidi,
presentano una distribuzione delle conformazioni possibili simili a quella
mostrata dal residuo della L-alanina.
31

32
Fig. 18: Energy contour diagram relativo al residuo della glicina in una macromolecola peptidica.
Le X indicano due conformazioni a cui corrispondono valori minimi dell’energia potenziale
[Rif. 8, 17].
L’analisi conformazionale e la determinazione della energia potenziale
in funzione degli angoli di torsione e , insieme alla determinazione
della struttura cristallina e molecolare di alcuni polipeptidi mediante diffrazione
dei raggi X all’alto angolo confermarono l’ipotesi, avanzata da
Pauling e Corey, secondo la quale le proteine possono assumere due possibili
conformazioni, una di tipo elicoidale (chiamata -elica) e l’altra a
foglietto ripiegato (denominata struttura ).
c 3) La struttura -elicoidale dei polipeptidi
In generale gli elementi che caratterizzano una struttura polipeptidica
elicoidale e regolare, facendo riferimento alla figura 20, sono:

- il passo (p) che rappresenta la distanza che percorre un giro completo
lungo il proprio asse;
- il numero di unità peptidiche per giro (n);
- l’incremento dell’elica per ogni unità ripetitiva (d=p/n).
L’elica è caratterizzata da una chiralità, infatti essa può essere destrorsa
oppure sinistrorsa; in particolare
«una elica destrorsa gira nella direzione che le dita della mano destra seguono
quando la mano si chiude sull’asse dell’elica e il suo pollice è posto sull’asse
dell’elica nella direzione in cui essa sta crescendo» [15].
Nel 1950 L. Pauling e R. Corey sulla base di studi di modellistica molecolare
scoprirono quella che essi chiamarono l’-elica. Questa scoperta
può essere considerata una delle pietre miliari della biochimica strutturale.
L’-elica è una particolare organizzazione tridimensionale delle catene
Fig. 19: Energy contour diagram relativo al residuo della L-alanina presente in una catena polipeptidica.
La X indica un minimo nella funzione dell’energia potenziale [Rif. 8, 17].
33

34
Fig. 20: Elementi che caratterizzano una struttura elicoidale: il passo, p, il numero di unità ripetitive
per giro, n, e l’incremento dell’elica per ogni unità ripetitiva, d=p/n. Le eliche destrorse o
sinistrorse sono indicate dal segno positivo o negativo davanti al valore di n. Per n=2, l’elica
degenera in un nastro non chiralico. Per p=0, l’elica degenera in un anello chiuso [Rif.15].
polipeptidiche definita da una conformazione alla quale corrisponde un
minimo di energia e quindi da una sequenza di angoli di torsione i i stericamente
permessi. Inoltre questa conformazione viene stabilizzata da
una favorevole disposizione intracatena di legami a idrogeno.
Se una catena polipeptidica contiene solo residui di L--amminoacidi,
l’-elica non può che essere di tipo destrorsa; mentre per una catena polipeptidica
fatta di soli D--amminoacidi, l’-elica è sinistrorsa.
I parametri fondamentali che definiscono una -elica polipeptidica
destrorsa sono i seguenti:
i) angoli di torsione e rispettivamente pari a –57° e – 47°;
ii) numero di residui per giro (n) pari a 3,6;
iii) un passo (p) uguale a 5,4 Å;
iv) una traslazione lungo l’asse per residuo pari a 1,5 Å;
v) un diametro, tralasciando i gruppi laterali R, di circa 6 Å.
Nel caso di un’-elica sinistrorsa, l’immagine speculare di quella
destrorsa, i e i sono pari rispettivamente a +57° e +47° mentre n e p
conservano lo stesso valore di quella destrorsa [15].
In un’-elica destrogira il carbonile del gruppo peptidico agisce da accettore
di legami a idrogeno nei confronti del gruppo donatore peptidico NH lontano
in catena quattro residui. Questa particolare disposizione porta a forti legami
a idrogeno con una distanza ottimale di 2,8 Å tra gli atomi di ossigeno e azoto.

Fig. 21: Raffigurazione di una -elica destrorsa
relativa ad un polipeptide contenente solo residui
di L--amminoacidi.
Nella figura sono riportati solo gli atomi dello
scheletro polipeptidico. I parallelogrammi indicano
il piano di ogni gruppo peptidico [Rif. 8].
Fig. 22: Proiezione lungo l’asse di
un’-elica destrorsa polipeptidica i cui
residui sono tutti L--amminoacidi.
Le catene laterali (i cerchi in verde in
figura) sono tutti orientati verso l’esterno
[Rif. 22].
35

36
Nel caso di una -elica destrorsa, orientata in maniera tale da presentarsi
con l’N–terminale in alto e con il C–terminale alla base, i gruppi
NH puntano verso il basso (figura 21), mentre quelli laterali puntano
verso l’esterno (figura 22).
La conformazione -elicoidale è una struttura molto compatta con
distanze tra atomi non direttamente legati tra loro che sono molto vicine
alle zone di massima energia di attrazione che corrispondono praticamente
al minimo nelle curve di energia potenziale di cui un esempio è
stato illustrato nella figura 17.
L’-elica prevista da L. Pauling e R. Corey sulla base di considerazioni
energetiche e steriche e sull’assunzione di parametri molecolari e
conformazionali dedotti da studi di cristallografia molecolare su peptidi
modelli, trovò la sua conferma sperimentale con la risoluzione della strut-
Fig. 23: La struttura secondaria e terziaria della Mioglobina consiste di tratti aventi una conformazione
di -elica destrorsa (etichettati A, B … H in figura) legati tra loro mediante tratti di catena
ripiegate su loro stesse. L’insieme della struttura mostrata rappresenta un classico esempio di
struttura terziaria globulare di una proteina naturale [Rif. 8].

tura cristallina e molecolare della mioglobina, che permise di dimostrare
che ben 121 dei suoi 153 residui sono disposti in sequenze secondo una
conformazione di -elica destrorsa. La lunghezza di ognuna di queste
sequenze varia da 7 a 26 residui di -amminoacidi. Le sequenze elicoidali,
come evidenziato nella figura 23, attraverso ripiegamenti, formano
nell’insieme una struttura terziaria di tipo globulare [8].
c 4) La struttura a foglietto ripiegato
L. Pauling e R. Corey, partendo dalle stesse considerazioni di base che
portarono alla scoperta dell’-elica, nel 1951, ipotizzarono per i polipeptidi
un’altra possibile struttura secondaria alla quale diedero il nome di
Struttura o Struttura a foglietto ripiegato (-pleated sheets).
La struttura si caratterizza per il fatto che le macromolecole polipeptidiche
si dispongono le une rispetto alle altre, unite da forti legami a
idrogeno di natura intermolecolare, formando strati aventi una configurazione
a foglietto ripiegato. Tutti i legami peptidici sono impegnati nella
formazione dei legami a idrogeno pertanto la struttura ne risulta fortemente
stabilizzata. I gruppi R giacciono, come si evince dalla figura 24,
sopra o sotto i piani secondo cui i foglietti sono ripiegati.
L’impacchettamento delle catene polipeptidiche in un foglietto ripiegato
può essere di due tipi: antiparallelo e parallelo.
Nel caso di una struttura antiparallela i legami a idrogeno si formano
tra macromolecole vicine orientate in senso opposto. Questo tipo di
impacchettamento è illustrato nella figura 25-a dove l’orientamento
rispetto ai gruppi terminali della macromolecola superiore è di tipo
CN, mentre quella inferiore è di tipo NC.
In un orientamento -parallelo i legami a idrogeno si esplicano tra due
macromolecole adiacenti aventi la stessa orientazione CN e CN (figura
25-b) [15].
Nelle strutture le singole catene polipeptidiche assumono una conformazione
che è vicina a quella di una catena estesa con valori stimati degli
angoli di torsione e rispettivamente pari a –119° e +113° [8].
La distanza assiale tra due residui di amminoacidi in sequenza è di 3,47
Å contro gli 1,5 Å dell’-elica [22, 23].
In molte proteine naturali, tra cui la fibroina prodotta dal baco della
seta, è stato trovato che nel cristallo strutture , parallele e antiparallele,
coesistono [22].
Dal diagramma di Ramachandran, riportato nella figura 26, si ricava
37

38
Fig. 24: Struttura polipeptidica a foglietto ripiegato (viene mostrato un foglietto ripiegato a due
catene); sono messe in risalto sia la disposizione dei piani peptidici che la tipologia di legami a
idrogeno intermolecolare (linee tratteggiate) [Rif. 15].

Fig. 25: Le due possibili strutture polipeptidiche a foglietto ripiegato:
a) foglietto ripiegato antiparallelo;
b) foglietto ripiegato parallelo [Rif. 15].
39

40
che sia le strutture [parallele ( p) e antiparallele ( a)], che quelle -elicoidali
[destrogire ( r) e levogire ( l)] corrispondono a coppie di valori
degli angoli di torsione e che cadono in zone energicamente e stericamente
permesse a dimostrazione di come attraverso calcoli conformazionali
sia stato possibile confermare quello che era stato solo previsto da
Pauling a da Corey e che successivamente fu trovato sperimentalmente
risolvendo la struttura cristallina e molecolare di una serie di proteine e
di polipeptidi sintetici.
Fig. 26: Grafico di Ramachandran relativo al residuo della l-alanina.
Sia le strutture antiparallele ( a ) e parallele ( p )], che quelle elicoidali [destrogire ( r ) e levogire
( v )] corrispondono a coppie di valori degli angoli di rotazione interna e che cadono in
zone permesse a più bassa energia (bianche nella figura). Le aree marroni indicano conformazioni
di minore stabilità. Le altre regioni identificano conformazioni proibite [Rif. 7].

d) La struttura fine delle -cheratine con particolare riguardo al
caso delle fibre di lana. Livelli strutturali (gerarchie) e architettura
globale delle fibre.
Nelle fibre di lana livelli strutturali e morfologici sono organizzati
secondo un’articolata gerarchia. Questa architettura, che parte dalla struttura
primaria e secondaria delle singole macromolecole (dimensione
molecolare), si realizza attraverso aggregazioni successive di elementi
aventi dimensioni man mano crescenti (-eliche, protofibrille, microfibrille,
macrofibrille e cellule).
Le tecniche che hanno permesso negli anni di comprendere la struttura
fine delle fibre di lana, sono fondamentalmente quelle basate sulla diffrazione
dei raggi X all’alto e basso angolo, la microscopia e la diffrazione
elettronica.
Qui di seguito vengono evidenziate per ognuna delle metodologie
sopraelencate, i risultati più importanti in base ai quali è stato possibile
delucidare la natura degli elementi strutturali e morfologici delle cheratine
fibrose.
d 1) Diffrazione dei raggi X all’alto angolo
Le cheratine possono essere classificate sulla base della tipologia dello
spettro di diffrazione dei raggi X ad alto angolo. Le cheratine dei mammiferi
(lana, capelli aculei di riccio, ecc.) presentano uno spettro di diffrazione
dei raggi X comunemente denominato (figura 27-a).
Le cheratine fibrose degli uccelli e dei rettili si caratterizzano per uno
spettro di diffrazione, detto Feather pattern, che è sostanzialmente diverso
da quello (figura 27-c). Le cheratine di tipo soft danno luogo ad uno
spettro poco definito con due aloni molto slargati corrispondenti a periodicità
di circa 4,5 e 9,5 Å (figura 27-d).
Un quarto tipo di spettro, detto (figura 27-b), mai osservato nelle cheratine
native, si ottiene sottoponendo a diffrazione dei raggi X fibre di
cheratine meccanicamente stirate nella direzione dell’asse di fibra [24].
Pertanto, sulla base del corrispondente pattern di diffrazione dei raggi
all’alto angolo, le cheratine vengono classificate in: -cheratine, cheratine;
feather cheratine e cheratine amorfe [24].
Nello spettro delle -cheratine (lana, capelli, ecc.) (figura 27-a) si
osservano due riflessi meridionali (a 5,15 Å (0,51 m) e a 1,5 Å (0,15
m)) e un riflesso equatoriale a circa 9,8 Å (0,98 m) [25, 26].
41

42
Fig. 27: Classificazione delle cheratine sulla base del loro spettro di diffrazione dei raggi X
all’alto angolo:
a) spettro-, ottenuto dagli aculei di riccio;
b) spettro-, ottenuto da aculei di riccio meccanicamente stirati nella direzione assiale;
c) spettro Feather, ottenuto dalle rachidi di penne di gabbiano;
d) spettro amorfo, mostrato dalle cheratine prive di una struttura secondaria regolare [Rif. 24].
Questi riflessi sono relativi a distanze interplanari (periodicità) del reticolo
cristallino che non corrispondono a quelle trovate sperimentalmente
in alcuni polipeptidi sintetici [poli (L-alanina) e poli (-metile-L-glutammato)]
i quali presentano una struttura, caratterizzata da un impacchettamento,
nei cristalli, di singole -eliche disposte parallelamente le une
rispetto alle altre, che dà luogo a due forti riflessi, spostati rispetto alla
linea meridionale dello spettro, a cui corrisponde una periodicità di strato
di 5,4 Å (0.54 m) che si identifica con il valore del passo, tipico dell’-elica
destrorsa prevista da Pauling e Corey.
Per interpretare il pattern degli spettri di diffrazione dei raggi X all’al-

Fig. 28: Rappresentazione diagrammatica
della distribuzione dei residui di -amminoacidi
in:
a) una -elica singola;
b) una -elica che si spiralizza;
c) un superavvolgimento a corda spiralizzata
fatto di due -eliche [Rif. 24].
Fig. 29: Modello coiled-coil per le -cheratine.
In figura viene mostrata l’elica minore e
cioè l’-elica insieme con l’elica maggiore
ottenuta dalla spiralizzazione dell’asse dell’elica
minore. Il passo P (Pitch) dell’elica maggiore
è più lungo del passo p dell’elica minore
[Rif. 25].
to angolo delle -cheratine e spiegare la presenza del riflesso meridionale
a 5,15 Å, Crick e Pauling e Corey, nel 1953, indipendentemente gli uni
dall’altro, avanzarono l’ipotesi di un modello basato sul concetto di superavvolgimento
di -eliche (modello coiled coil) [24] in base al quale l’asse
di ogni -elica (l’elica minore) descrive a sua volta un cammino spiraliforme
(elica maggiore) (figura 28 e 29) [3, 24, 25].
Nel modello coiled-coil il senso di rotazione dell’elica maggiore è levogiro
se quello dell’-elica originale è destrogiro [28].
Crick (1953), Long (1956), Ramachandran (1960), Fraser et al. (1964),
Parry e Suzuki (1969) e molti altri autori hanno sviluppato una serie di
importanti studi che partendo dal modello coiled coil si ponevano l’obiettivo
di predire il pattern di diffrazione dei raggi X all’alto angolo
delle -cheratine e la distribuzione delle intensità delle riflessioni [29]. I
risultati di questi studi hanno portato alle seguenti conclusioni:
i) nelle -cheratine allo stato cristallino due o tre -eliche si
impacchettano tra loro non in maniera parallela, ma dando
43

44
luogo ad una struttura a corda dove i singoli elementi (le eliche)
spiralizzano tra loro (figure 28 e 29);
ii) l’impacchettamento che viene a realizzarsi (figura 28-c) è tale
da riempire in maniera ottimale lo spazio poiché i gruppi laterali
di una -elica vanno a disporsi nello spazio libero che si
trova tra due gruppi laterali dell’altra elica, oppure delle altre
due eliche in un sistema a tre eliche (knob-hole packing);
iii) sia il modello coiled coil a due -eliche che quello a tre eliche
porta a predire una serie di riflessi meridionali che
sono ordini superiori di 1,03 m con una periodicità prodotta
dalla proiezione assiale di una unità asimmetrica di sette
residui di -amminoacidi. Le riflessioni osservate sperimentalmente
a 0,51 m e 0,15 m rappresentano rispettivamente
il secondo e settimo ordine di questo periodo di ripetizione.
In particolare il secondo ordine corrisponde ad una
distanza di crescita lungo l’asse pari a 3,5 residui, valore
quest’ultimo che è molto vicino a 3,6 che rappresenta il
numero di residui in un giro dell’-elica destrorsa. Il settimo
ordine corrisponde, invece, esattamente con lo spostamento
lungo l’asse di un residuo di amminoacido. Un esempio
schematico di modello di superavvolgimento di -eliche
a formare corde spiralizzate è mostrato nella figura 30 [7].
d 2) Diffrazione dei raggi X al basso angolo
La diffrazione dei raggi X al basso angolo permette di avere informazioni
relative alla presenza di motivi strutturali che si ripetono con regolarità
a distanze molto più grandi di quelle relative alle dimensioni atomiche
e molecolari.
Nello spettro di diffrazione al basso angolo delle -cheratine fibrose si
osservano due riflessi equatoriali a 86,45 e 28 Å. Queste periodicità forniscono
importanti informazioni circa il modo di impacchettarsi delle
macromolecole tra loro (figura 31) [24].
Wood e Tyson [30] nel 1966 elaborarono un modello, detto a cavo elettrico,
che teneva in considerazione anche le osservazioni effettuate da
altri autori mediante microscopia elettronica in trasmissione su sezioni
trasversali all’asse di fibra (vedasi prossimo paragrafo) e che facendo

Fig. 30: Rappresentazione schematica di superavvolgimenti
di più -eliche a formare corde
spiralizzate [Rif. 7].
riferimento alla figura 32, prevedeva:
i) un primo stadio di aggregazione dove due o tre -eliche,
avvitate tra loro in senso sinistrorso, secondo una configurazione
a spirale superavvolta a fune, formano una protofibrilla
(diametro di circa 20 Å);
ii) un secondo stadio di aggregazione dove undici protofibrille
(9 disposte lungo la circonferenza di un cerchio regolare e
due al centro) si impacchettano dando luogo alla costituzione
di una microfibrilla (diametro di circa 80 Å).
Questo modello spiegherebbe i riflessi equatoriali osservati nello spettro
di diffrazione dei raggi X al basso angolo. Infatti il riflesso a 27 Å
misurerebbe la distanza tra i centri di due protofibrille mentre quello a 86
Å deriverebbe dalla periodicità connessa alla distanza tra due microfibrille
adiacenti tenendo conto del fatto che sia le protofibrille che le
microfibrille sono cementate tra loro da una matrice amorfa ad elevato
contenuto di zolfo.
Lo spettro di diffrazione dei raggi X al basso angolo delle -cheratine
(figura 31) presenta una serie di riflessi meridionali. Alcuni autori hanno
interpretato questi riflessi come vari ordini di una periodicità, normale
all’asse di fibra, pari a 198 Å che coinciderebbe con il passo dell’elica
45

46
Fig. 31: Lo spettro di diffrazione dei raggi X al basso
angolo di -cheratine fibrose presenta riflessi meridionali
ed equatoriali corrispondenti rispettivamente a
periodicità lungo l’asse di fibra e in direzione trasversale
[Rif. 24].
Fig. 32: Il processo di aggregazione
delle -eliche secondo il modello a cavo
di Wood e Tyson prevede i seguenti
stadi:
a) Due o tre -eliche spiralizzando tra
loro vanno a formare una protofibrilla
(diametro ~20 Å);
b) Undici protofibrille associandosi (9
lungo la circonferenza esterna e 2 al
centro) danno luogo ad una microfibrilla
(diametro ~ 80 Å) [Rif.25].

maggiore derivante dalla spiralizzazione di due -eliche (coiled coil o
rope model).
Nel 1972 G.A. Wilson [28] ha proposto un modello per le -cheratine
congruente con il pattern dello spettro di diffrazione dei raggi X al basso
angolo. Questo modello, schematicamente riportato nella figura 33, si
caratterizza per i seguenti elementi:
- la matrice amorfa, che circonda le protofibrille, consiste essenzialmente
di macromolecole cheratiniche contenenti segmenti di catena
costituiti da tratti (lunghi 25 Å) aventi una conformazione -elicoidale
ordinata e da tratti disordinati;
- il residuo cistinico (mezzoresiduo è rappresentato nella parte (a) della
figura 33 dal simbolo “o”) è localizzato nei segmenti con struttura
irregolare; i legami disulfidici contribuiscono a rendere rigida la struttura
della matrice;
- nella matrice le varie unità elementari sono orientate a caso eccetto
nella regione nella quale vanno a formare la superficie delle singole
microfibrille dove tendono ad orientarsi lungo l’asse di fibra;
- una protofibrilla, situata alla periferia della microfibrilla consiste in un
superavvolgimento a fune di tre -eliche interdisperso, a intervalli
regolari, da sezioni non elicoidali (irregolari);
- l’unità di base, costituita dal tratto elicoidale più il tratto a struttura
irregolare, è lunga 66 Å;
- il modello presenta due periodicità; la prima pari a 66 Å è relativa alla
distanza tra gruppi cistinici, tutti contenuti nelle regioni disordinate
(mezzo residuo è rappresentato dal simbolo “o” nella parte b della
figura 33), mentre la seconda pari a 39,5 Å, misura la distanza tra
gruppi cistinici distribuiti in maniera irregolare lungo l’asse di fibra,
infatti essi possono essere localizzati sia nei tratti amorfi che in quelli
cristallini e regolari (mezza unità di questi residui cistinici è rappresentata
dal simbolo “X” nella parte b della figura 33);
- forti legami disulfidici tra macromolecole diverse appartenenti alla
matrice e alla superficie delle protofibrille contribuiscono a rendere la
struttura molto rigida [28, 25].
47

48
Fig. 33: Il modello di
microfibrilla proposto da
Wilson per interpretare il
pattern di diffrazione dei
raggi X al basso angolo
delle -cheratine e in particolare
delle fibre di lana
(per spiegazioni vedasi
testo) [Rif. 27, 25].
Dalle fibre di lana è possibile estrarre frazioni di cheratine aventi una
diversa struttura molecolare. In particolare quando si sottopone la cheratina
fibrosa prima a reazione di riduzione e quindi di alchilazione si isolano
tre distinte frazioni:
- Frazione A: a basso contenuto di zolfo (s-carbossimetil-cheratina-
SCMKA).
- Frazione B: ad alto contenuto di zolfo (s-carbossimetil-cheratina-
SCMKB).
- Frazione C: ad alto contenuto di glicina e tirosina.

Le proteine SCMKA hanno un contenuto in -elica pari a circa il 50%
e un peso molecolare compreso tra 4,5 e 6x10 3 . Le frazioni B e C non
contengono -eliche e le macromolecole costituenti hanno un peso
molecolare rispettivamente di 11-28x10 3 e 11-13x10 3 . Da quanto sopra
scaturisce l’ipotesi che la matrice, nella quale sono immerse le protofibrille
e le fibrille, sia principalmente costituita da proteine SCMKB e da
proteine ad alto contenuto di glicina e tirosina mentre le eliche superavvolte
delle protofibrille abbiano come componente principale le proteine
SCMKA.
Il fatto che i riflessi meridionali al basso angolo, al contrario di quanto
osservato sull’equatore, siano molto netti, indica che nella direzione
dell’asse di fibra vi debba essere un elevato grado di ordine che si protrae
per distanze relativamente lunghe. Pertanto è lecito ipotizzare che le
microfibrille siano caratterizzate da un alto valore della cristallinità e
questo spiegherebbe l’elevata stabilità meccanica delle fibre sottoposte a
deformazioni assiali [3].
Queste ultime considerazioni sono in accordo con le osservazioni di
alcuni autori in base alle quali la periodicità, lungo l’asse, dedotta dagli
spacing delle riflessioni al basso angolo non sarebbe 19,8 m (198 Å)
bensì molto più elevata e cioè uguale a 47,0 m (470 Å) (Fraser e
MacRae-1971) [31] e addirittura pari a 121,3 m (1213 Å) secondo
Crewther (1973) [32].
d 3)Microscopia elettronica ed ottica
Tecniche di microscopia, accoppiate a sofisticate metodologie di preparazione
dei campioni, hanno permesso di delucidare alcuni aspetti
concernenti la struttura fine delle fibre di lana ed in generale delle -cheratine
fibrose.
Informazioni di grande rilevanza sono state ottenute esaminando sezioni
sottili trasversali della parte centrale di fibre di lana e quelle longitudinali
mediante microscopia elettronica in trasmissione ad alta risoluzione.
Per aumentare il contrasto le sezioni sono state sottoposte a procedimenti
di staining basati sull’utilizzo di tetra-ossido di osmio, di idrossido
di piombo e di acido fosforo-tungstenico [10, 25].
Esempi significativi di micrografie elettroniche relative a sezioni trasversali
di fibre di lana merino, ottenute ad ingrandimenti crescenti, sono
mostrati nelle figure 34, 35, 36, 37 e 38, mentre nella figura 39 è riprodotta
una micrografia elettronica che si riferisce ad una sezione sottile
49

50
Fig. 34: Micrografia elettronica della sezione trasversale di una fibra di lana merino trattata con
acido fosforo tungstenico per aumentare il contrasto (8.400 x) [Rif. 10].
longitudinale [10, 24, 25].
Le osservazioni condotte ad ingrandimenti relativamente bassi (~8000
x) permettono di avere una visione di insieme di tutta la sezione trasversale
relativa alla parte centrale (corticale) delle fibre di lana. In particolare,
come si ricava dalla micrografia della figura 34, a questi ingrandimenti
vengono evidenziate le varie cellule corticali, già descritte precedentemente
nel presente capitolo, che compongono il cortice che rappresenta
circa il 90% della massa totale della fibra nel caso delle lane fini,
come le merine, che non presentano midollo centrale.
Un esame approfondito condotto mediante l’ausilio della microscopia
elettronica ad alta definizione rivela la presenza dei due tipi di cellule

Fig. 35: Sezione trasversale di una fibra di lana trattata con un colorante (il janus green) al fine
di mostrare il comportamento asimmetrico nei confronti dell’accessibilità al colorante. La parte
accessibile è quella indicata come “DA” (Dye-Accesible) in figura, quella non accessibile al
colorante è etichettata in figura come “NON DA” [Da M. Horio e T. Kondo in Rif. 33].
corticali: cellule corticali “orto” (orto-cortex) e “para” (para-cortex) le
quali si differenziano tra loro non solo per come appaiono al microscopio
elettronico ma anche per la loro reattività chimica e per lo spettro di diffrazione
elettronico. E’ stato dimostrato che le cellule orto sono più reattive
(si tingono più facilmente) e si rigonfiano in misura maggiore in un
ambiente basico (figura 35) [2, 25, 33].
Le cellule orto-cortex e para-cortex, a seconda dell’origine delle fibre di
lana possono essere presenti nel cortex in percentuali diverse e con una
diversa distribuzione. Nelle fibre di lana merino, dove il contenuto di cellule
orto e para è praticamente uguale, esse si dispongono in modo tale da
51

52
costituire due semicilindri affiancati, avvolti ad elica (figura 40) dando
luogo ad una struttura bilaterale del cortice che determina il classico fenomeno
dell’arricciatura delle fibra di lana (vedasi capitolo successivo).
Le cellule corticali di tipo orto, rispetto alle para, contengono un più
elevato numero di protofobrille e una minore percentuale di matrice
amorfa. A loro volta le cellule para si caratterizzano per un più elevato
numero di cross-link disulfidici.
Le proprietà delle fibre di lana dipendono fortemente dalla struttura del
cortice, il quale è costituito da milioni di cellule corticali [2, 9].
Ingrandimenti più alti (figura 36 e 37) mettono in risalto la presenza di
microfibrille, interdisperse in una matrice amorfa, le quali si raggruppano
in macrofibrille, i cui contorni sono bene evidenziati in figura 36. Il
diametro medio di queste macrofibrille si aggira mediamente intorno ai
200 nm. Le microfibrille sono separate tra loro attraverso una matrice ad
elevato contenuto di cistina e quindi di zolfo. Ogni macrofibrilla nel suo
insieme si comporta come un’unica unità dal punto di vista meccanico.
Le micro fibrille, come risulta chiaramente dalla micrografia elettronica
riprodotta nella figura 37 si dispongono secondo un impacchettamen-
Fig. 36: Micrografia elettronica della sezione trasversale di una fibra di capello. Le microfibrille,
immerse in una matrice, sono raggruppate tra loro in unità più larghe (macrofibrille) aventi un
diametro medio di 200 nm [Rif. 3].

to pseudo esagonale. Il loro diametro medio risulta essere pari a circa 7,0
m (70 Å) mentre la distanza media tra i centri di due microfibrille è di
circa 8,3 m (83 Å).
L’osservazione delle sezioni sottili trasversali ad ingrandimenti molto
elevati (>500.000x) evidenzia la struttura fine delle singole microfibrille
(fig. 38) la quale risulta essere congruente con il modello a cavo, precedentemente
illustrato, in base al quale ogni microfibrilla è costituita da 11
protofibrille elementari, 9 delle quali disposte lungo la circonferenza
esterna e 2 al centro (organizzazione 9+2) (vedasi figura 32).
L’analisi delle sezioni tagliate longitudinalmente e cioè parallelamente
all’asse della fibra evidenziano la presenza di strutture che confermano la
struttura microfibrillare e macrofibrillare della fibre di lana (fig. 39).
Fig. 37: Micrografia elettronica
relativa alla sezione
trasversale della parte
centrale di una fibra di
lana ad ingrandimento
molto più elevato di quello
della figura 35 (275.000
x). Viene evidenziata la
presenza di microfibrille
che aggregandosi vanno a
costituire le macrofibrille
[Rif. 10].
53

54
Fig. 38: a) Micrografia
elettronica di una sezione
trasversale del paracortex
di una fibra di lana merino
(stained con tetraossido di
osmio e idrossido di piombo).
E’ visibile la struttura
ring-core delle microfibrille.
b) Microfibrille isolate
dalla radice di un capello
dopo trattamento con chemotripsina
– stained con
acetato di uranile [Rif. 24].
L’utilizzo di tecniche diverse (microscopia ottica ed elettronica, diffrazione
elettronica, diffrazione dei raggi X all’alto e al basso angolo, ecc.)
ha permesso di delucidare la struttura fine delle -cheratine fibrose ed in
particolare delle fibre di lana. E’ stato possibile definire i vari livelli strutturali
attraverso cui dalla singola macromolecola (struttura primaria e
secondaria) mediante successive aggregazioni (protofibrille, micro fibrille,
macrofibrille, cellule corticali) si viene a costituire la fibra così come
si presenta nei velli delle pecore.
Una chiara ed esemplificativa rappresentazione che mette in risalto i
processi evolutivi delle fibre di lana è mostrata nella figura 41 [31].
Il processo di crescita delle fibre di lana segue un preciso “programma
genetico” che facendo riferimento alla figura 42 prevede la sequenza dei
seguenti stadi:
i) formazione, nella parte centrale del bulbo pilifero, di macromolecole
proteiche elicoidali (con un relativamente basso contenuto di cistina)

le quali aggregandosi tra loro vanno a costituire le protofibrille;
ii) sintesi, nella parte superiore del bulbo pilifero, delle proteine
della matrice amorfa che va a circondare e a cementare tra loro
le varie protofibrille.
Il rigoroso programma genetico impone alle macromolecole non solo
una conformazione -elicoidale-destrorsa ma anche una particolare
disposizione nelle protofibrille in base alla quale i gruppi laterali “R” più
ingombranti di una macromolecola vengono accomodati nelle rientranze
delle macromolecole adiacenti che partecipano alla formazione delle
super-eliche (modello knob-hole) facilitando altresì l’attivazione di forti
legami intermolecolari.
Fig. 39: Micrografia elettronica
di una sezione longitudinale
della parte
interna di una fibra di lana
(450.000 x) [Rif. 6].
55

56
Fig. 40: Visione longitudinale che mostra due cellule corticali di tipo orto e para che crescendo
si avviluppano tra di loro in una struttura a spirale che a livello macroscopico si evidenzia attraverso
l’arricciatura delle fibre di lana [Rif. 9].
Fig. 41: La struttura fine delle
fibre di lana merino. Sono
riportati i vari livelli strutturali
e gerarchie a partire da quello
molecolare [Rif. 9].

Fig. 42: Gli stadi evolutivi relativi alla crescita delle fibre di lana: dall’-elica alle cellule corticali
e alla cuticola [Rif. 34, 35].
57

58
e) Il polimorfismo conformazionale delle -cheratine: la transizione
delle fibre di lana
Le fibre di lana, in ambiente umido, possono essere deformate, mediante
stiro uniassiale, fino a raggiungere una lunghezza che è quasi doppia
di quella iniziale.
Questo processo (che è irreversibile) a livello molecolare comporta la
rottura dei legami disulfidici nella matrice amorfa, e lo sgomitolo delle eliche
destrogire con fusione dei cristalli. Le macromolecole si distendono
assumendo una conformazione di tipo e quindi si riaggregano tra
loro (ricristallizzazione) dando luogo ad una strutturazione a foglietto
ripiegato (-pleated sheet-structure), analoga a quella che si osserva nel
caso della fibroina della seta, con conseguente riarrangiamento dei legami
ad idrogeno che passano da una strutturazione di tipo intramolecolare
a quella intermolecolare [36].
Questa transizione delle fibre di lana, dalla struttura “” a quella “”,
schematicamente rappresentata nella figura 43, può essere documentata
confrontando lo spettro di diffrazione dei raggi X all’alto angolo relativo
alla fibra tal quale (figura 44-a) e alla fibra stirata del 100% in presenza
di umidità (figura 44-b) [37].
Come si ricava dalla figura 44-b nello spettro di diffrazione dei raggi X
delle cheratine nella forma si osserva un riflesso meridionale a 0,33 μm
e due riflessi equatoriali a 0,46 μm e a 0,94 μm [1].
Fig. 43: Raffigurazione schematica della transizione che si verifica quando le fibre di lana
vengono stirate in ambiente umido.
In figura la forza viene applicata nella direzione assiale (vedasi freccia) [Rif. 36].

Nel 1931 W.T. Astbury propose per le -cheratine una cella elementare
ortorombica con i seguenti parametri [38]:
a= 0,93 μm (9,3 Å);
b= 0,66 μm (6,6 Å) (asse di fibra);
c= 0,98 μm (9,8 Å) (direzione delle catene laterali);
===90°
Nel 1962 R.D.B. Fraser e T.P. MacRae [39], ipotizzarono per le cheratine,
una cella monoclina, avente gli stessi valori di a, b, c, e di ,
e , contenente due residui di amminoacidi nella direzione dell’asse
b. Il riflesso principale meridionale a 0,33 μm venne identificato con il
periodo di ripetizione di un singolo residuo nella direzione dell’asse di
fibra.
Il riflesso equatoriale a 0,46 μm misurerebbe la distanza tra due scheletri
macromolecolari ad indicare che nella cella sono contenute due catene
polipeptidiche.
L’applicazione delle metodologie della cristallografia chimica ha permesso
di indicizzare i riflessi e di elaborare una struttura cristallina e
molecolare congruente con la distribuzione delle intensità delle riflessioni
osservate.
L’insieme di questi studi hanno portato alla conclusione che allo stato
cristallino le -cheratine si aggregano a livello molecolare secondo una
strutturazione a foglietto ripiegato, dove coesistono impacchettamenti
a) b)
Fig. 44: Spettro di diffrazione dei raggi X all’alto angolo di fibre di cheratina fibrosa:
a) fibra di -cheratina non deformata;
b) fibra deformata irreversibilmente fino al 100% in ambiente umido [Rif. 37].
59

60
a)
b)
Fig. 45: Architettura tridimensionale della fibroina della seta.
(a) Le catene laterali di residui di Gly e di Ala (o Ser) si estendono alternativamente ai lati opposti
della catena di un dato foglietto , così che le catene laterali di Ala si vanno a porre tra quelle
della catena vicina; le catene laterali di Gly si dispongono ovviamente nello stesso modo.
(b) Le catene laterali dei residui di Gly sono in contatto con altri residui di Gly di una catena vicina.
Gli spazi tra le varie catene sono di 3,5 Å in un caso e di 5,7 Å nell’altro [Rif. 15, 22]

di tipo antiparallelo e parallelo, secondo una organizzazione tridimensionale
che è molto simile, come già scritto, a quella della fibroina da seta
(figura 45) [Rif. 15, 22].
Nel 1997 «a model for the pleated sheet in -keratin was refined on the basic
of energy calculations, infrared dichroism and X-ray intensities and used to
phase the reflections. A fourier synthesis using the calculated phases and
observed intensities» è mostrata nella figura 46 [40].
Fig. 46: Mappa della densità elettronica (fourier synthesis) dalla quale si evince l’impacchettamento
nel cristallo di macromolecole aventi una conformazione “pleated sheet” nel caso di cheratine
(proiezione in una direzione normale all’asse di fibra) [Rif. 40].
61

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