Bioingegneria Elettronica I. Potenziali interatomici e interazioni speciali

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Antonietta Marrone
4 anni fa
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1 Bioingegneria Elettronica I Potenziali interatomici e interazioni speciali

2 Interazioni repulsive Per completare il quadro delle interazioni possibili tra molecole, occorre ricordare che a cortissima distanza, atomi e molecole interagiscono in modo repulsivo, ovvero tendono a respingersi. Questo fenomeno assicura la stabilita dei sistemi molecolari (che collasserebbero se fossero soggetti solo ad interazioni di tipo attrattivo) ed e dovuto al fatto che a corta distanza le nuvole elettroniche dei vari elementi si sovrappongono dando luogo a un interazione repulsiva. Ci sono diversi modi di descrivere questo tipo di interazione: il piu semplice e intuitivo e quello di immaginare gli atomi come se fossero delle sfere rigide incompressibili, come palle da biliardo, il cui raggio definisce l effettivo ingombro dell atomo. Da notare che se l atomo diventa uno ione, il suo raggio cambia (aumentando se e un anione, diminuendo se e un catione), senza considerare che nei mezzi, come ad esempio l acqua, il suo raggio effettivo e ancora diverso.

3 Interazioni repulsive L ingombro effettivo di una molecola e un po piu complesso da calcolare, perche dipende dagli atomi e dai legami che li uniscono e puo essere effettivamente diverso da una sfera (specie nel caso di molecole molto asimmetriche). Il potenziale repulsivo corrispondente al modello a sfere rigide si puo scrivere come: Gli altri due sono modelli n σ meno drastici che w( r) = +, n = r corrispondono all idea di n una compressibilita non nulla degli atomi w( r) w( r) = σ = + r ce r σ 0, n = 9 :16

4 Potenziale di Lennard-Jones Complessivamente dunque il potenziale complessivo agente tra due atomi interagenti, e descrivibile come la somma di una parte repulsiva che agisce a corta distanza e di una parte attrattiva. Sono stati sviluppati diversi modelli, il piu universale dei quali e il potenziale di Lennard-Jones, espresso da: w( r) = r A 12 B r 6 σ = 4ε r 12 6 σ r La forma e l intensita di questi potenziali determina la modalita con cui gli atomi si organizzano sia allo stato solido che nello stato liquido.

5 Abbiamo gia accennato ad alcune importanti proprieta dell acqua quali la alta costante dielettrica. Ci sono altre importanti proprieta legate allo stato fisico dell acqua: ad esempio, il volume occupato dall acqua allo stato solido (ghiaccio) e superiore a quello occupato nello stato liquido, ovvero la sua densita e inferiore nello stato solido. Questa carattaristica e piuttosto inusuale perche indica che allo stato solido le molecole di acqua stanno piu lontane tra loro che allo stato liquido. Similmente, la costante dielettrica dell acqua diminuisce, invece che aumentare al passaggio di stato.

6 Queste proprieta si giustificano considerando l acqua su scala molecolare. La distanza del legame covalente O-H in una molecola d acqua e 0.10 nm, mentre la distanza tra un atomo di ossigeno e uno di idrogeno appartenenti a due molecole distinte e nm, molto meno di quanto ci si potrebbe aspettare da considerazioni alla Lennard-Jones. Questo avviene a causa del cosiddetto legame idrogeno che si manifesta, come abbiamo gia visto, tra l idrogeno e gli elementi molto elettronegativi come l Ossigeno. L aspetto interessante e che questo tipo di interazione coinvolge atomi appartenenti a molecole diverse! L effetto finale e quello di causare un interazione tra atomi elettronegativi vicini (gli ossigeni nel caso dell acqua) mediati dalla presenza di un idrogeno. Si indica questa speciale interazione con il simbolo O-H..O. Queste interazioni sono abbastanza forti e molto direzionali e si manifestano anche in mezzi non polari (per esempio nelle biomolecole).

7 Una conseguenza molto interessante di questo legame e che le molecole d acqua (che sono interamente costituite da H e O) sono strutturate, nel solido ma anche nel liquido, in un reticolo in cui ogni ossigeno e coordinato in un tetraedro con altri 4 ossigeni con un idrogeno sulla linea di collegamento tra 2 ossigeni. Quando l acqua viene usata come solvente e si usa come soluto una sostanza incapace di formare legami idrogeno (ad esempio gli alcani, gli idrocarburi, etc), le molecole di acqua tendono a ingabbiare la molecola estranea, cercando di minimizzare il numero di legami idrogeno spezzati a causa della presenza della molecola estranea. Se la molecola e piccola, puo succedere che nessun legame idrogeno sia influenzato e l unico effetto e quello di reorientare le molecole d acqua intorno alla molecola. Inserendo molecole piu grandi, la gabbia ha una struttura piu complicata. Complessivamente l effetto e quello di rendere la struttura dell acqua piu ordinata e percio aumentare il livello di coordinazione delle molecole. Questo effetto e detto interazione idrofobica.

8 Piu molecole di questo tipo nell acqua tendono ad aggregarsi, molto piu che nel vuoto. Questo perche l effetto gabbia delle molecole d acqua aumenta la loro energia di interazione. Questo effetto e particolare e non puo essere descritto dalle teorie viste finora sull interazione delle molecole nei mezzi che al contrario prevedono una riduzione delle interazioni a causa dell aumento della costante dielettrica del mezzo rispetto al vuoto. Questo effetto gioca un ruolo chiave nei fenomeni di auto-assemblamento molecolare di cui la membrana cellulare e un esempio di particolare importanza. Al contrario, ci sono molecole che in acqua si respingono fortemente, preferendo il contatto con l acqua a quello con molecole identiche. Puo capitare sia nel caso di ioni e molecole polari che in caso di molecole non cariche o apolari; capita se queste molecole contengono degli atomi elettronegativi capaci di formare legami idrogeno con l acqua.

9 Queste molecole, capaci di interazioni idrofiliche, hanno un effetto di disordine sulla struttura dell acqua e possono essere usate per alterare la struttura di altre sostanze soggette in acqua a legami idrogeno. E ad esempio il caso dell urea che aggiunta ad una soluzione contenente proteine e in grado di denaturarle. Infine ci sono molecole anfifiliche, ovvero contenenti parti idrofiliche e parti idrofobiche. testa idrofilica coda idrofobica

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