SEZIONE D - LE BIOMOLECOLE di Mauro Festa Larel, Patrizia Panunzio, Elisabetta Rusconi, Giovanni Valsecchi

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1 SEZIONE D - LE BIOMOLECOLE di Mauro Festa Larel, Patrizia Panunzio, Elisabetta Rusconi, Giovanni Valsecchi SEZIONE D - LE BIOMOLECOLE D.1 - PREMESSA: UN PO DI CHIMICA Tutta la materia è formata da atomi e anche gli organismi viventi non fanno eccezione. Per questo motivo nei prossimi paragrafi riprenderemo alcuni concetti essenziali sugli atomi, la loro costituzione e struttura, le loro proprietà e il modo con cui si possono legare tra loro a formare strutture complesse. D Gli atomi: costituzione e struttura Gli atomi sono minuscole particelle materiali formate a loro volta da tre tipi di particelle più piccole: protoni, neutroni ed elettroni; queste particelle sono dette subatomiche I protoni hanno carica positiva unitaria e massa unitaria. I neutroni hanno carica nulla e massa unitaria. Gli elettroni hanno carica negativa unitaria e massa circa 1850 volte minore rispetto a quella di protoni e neutroni. 75

2 particella massa carica protone 1 +1 neutrone 1 0 elettrone 1/ Ogni atomo è formato da due parti: il nucleo e la zona orbitale (vedi nella figura sotto la rappresentazione di un atomo di elio; fonte: wikipedia). Il nucleo è formato da protoni e neutroni; essi sono legati assai strettamente tra loro da una forza, detta forza nucleare forte. Il nucleo, pur costituendo la quasi totalità della massa di un atomo, occupa un volume piccolissimo al suo centro. La zona orbitale di un atomo è una regione di spazio in cui è massima la probabilità di trovare i suoi elettroni. Gli elettroni, a causa della loro carica negativa, sono trattenuti in prossimità del nucleo da una forza, detta forza elettromagnetica. Essi non cadono sul nucleo: si muovono continuamente e in maniera imprevedibile, ossia senza seguire traiettorie ben precise, in una regione di spazio centrata sul nucleo, detta zona orbitale. La zona orbitale è enormemente più grande del nucleo: volendo fare un paragone, se un atomo fosse grande come lo stadio di San Siro a Milano, il nucleo si potrebbe rappresentare come una pallina da ping-pong posta al suo centro. D Gli atomi: numeri caratteristici Date le caratteristiche di massa e carica delle particelle subatomiche, per ciascun atomo è possibile determinare tre numeri caratteristici che ne definiscono le proprietà: si tratta del numero atomico, del numero di massa e della carica elettrica. Il numero atomico (simbolo Z) è il numero di protoni di un atomo. Si tratta di un numero assai importante poiché ad esso sono legate le proprietà chimiche degli atomi. Per questo motivo è proprio in base a questo parametro che gli atomi vengono classificati in insiemi distinti, detti elementi chimici. Il numero di neutroni (simbolo N) è importante poiché può essere diverso tra atomi dello stesso elemento chimico. Si definiscono isotopi atomi dello stesso elemento chimico (cioè con ugual numero di protoni) con diverso numero di neutroni. Due isotopi hanno le stesse caratteristiche chimiche ma differenti proprietà fisiche. Il numero di massa (simbolo A) esprime la massa di un atomo. Il numero di massa è dato dalla somma tra il numero di protoni e il numero di neutroni. Come si può notare, dal calcolo della massa sono esclusi gli elettroni: la loro massa è così piccola da essere considerata trascurabile. La carica di un atomo (simbolo c) è data dalla differenza tra il numero di protoni che formano il suo nucleo e il numero di elettroni che si muovono nella sua zona orbitale. Ovviamente non si considerano i neutroni in quanto privi di carica. Quando il numero di protoni è uguale a quello degli elettroni, la carica è zero e l atomo si dice neutro. Si definisce ione un atomo in cui il numero di protoni è differente dal numero di elettroni. Gli ioni si distinguono in cationi, dotati di carica positiva e in anioni, dotati di carica negativa. 76

3 Numero Simbolo N atomico Z n (p + ) N di neutroni N n (n) N di massa A n (p + ) + n (n) Carica c n (p + ) - n (e - ) D Disposizione degli elettroni Gli elettroni si dispongono secondo modalità ben precise, generando nello spazio attorno ai nuclei atomici zone orbitali di forme e dimensioni diverse. A questo riguardo, occorre fare una serie di osservazioni. In primo luogo si osserva che gli elettroni tendono a restare il più vicino possibile al nucleo a causa della forza attrattiva che si esercita tra essi e i protoni, carichi positivamente. In secondo luogo occorre notare che a ciascun elettrone è possibile associare un dato valore di energia potenziale, che dipende dalla distanza media tra l elettrone stesso e il nucleo atomico. Si osserva inoltre che un elettrone non può assumere qualsiasi valore di energia potenziale, ma solo valori ben definiti: questi valori si definiscono livelli energetici. I livelli energetici si numerano a partire dal più basso, corrispondente a distanze medie nucleoelettrone molto ridotte, cioè agli elettroni che si muovono in prossimità del nucleo, verso livelli di energia potenziale via via maggiori: si è verificato che esistono 7 diversi livelli energetici. Un ulteriore osservazione riguarda il fatto che a livelli energetici diversi possono essere associati numeri di elettroni differenti: max 2 elettroni al livello 1, max 8 elettroni al livello 2, max 18 elettroni al livello 3, max 32 elettroni al livello 4, 5 e 6 Un ultima importante osservazione riguarda la stabilità chimica degli atomi. In questo caso vale la cosiddetta regola dell ottetto: un atomo è stabile, cioè tende a non reagire con altri atomi, quando sono presenti 8 elettroni nel suo livello più esterno. Questo fatto comporta che atomi con numero di elettroni nel livello più esterno diverso da 8 tendano a interagire con altri atomi cedendo, acquistando o condividendo elettroni. Le innumerevoli sostanze chimiche presenti sul nostro pianeta sono il risultato dell interazione tra atomi che da soli sarebbero assai instabili. D I legami chimici I legami chimici sono le forze che tengono uniti più o meno intensamente gli atomi tra loro: le particelle coinvolte nella formazione dei legami chimici sono gli elettroni. Il tipo di legame che si forma tra due atomi dipende dal numero e della disposizione degli elettroni attorno ai nuclei degli atomi. Ciascun legame chimico è la risultante tra le forze attrattive e repulsive che si sviluppano tra gli atomi. Le forze repulsive sono quelle tra particelle con la stessa carica, le forze attrattive sono quelle che si sviluppano, tra i nuclei degli atomi, carichi positivamente, e i loro elettroni, dotati di carica negativa. Se tra due atomi prevalgono queste ultime, gli atomi potranno legarsi tra loro più o meno stabilmente. In natura, gli atomi che da soli sarebbero instabili, cioè quelli che non hanno 8 elettroni nel livello energetico più esterno, si ritrovano quasi esclusivamente legati ad altri atomi: per questa ragione sul nostro pianeta si trovano un gran numero di sostanze diverse. D Tipi di sostanze e tipi di legami In natura esistono 5 principali tipi di sostanze chimiche, caratterizzate da diversi tipi di legame tra gli atomi che le costituiscono: 77

4 sostanze covalenti (es. quarzo, diamante), sostanze molecolari (es. acqua, ossigeno, anidride carbonica e tutte le sostanze organiche), sostanze ioniche (i sali in genere), sostanze metalliche (qualsiasi metallo), sostanze monoatomiche (i gas nobili). In biologia si ha a che fare soprattutto con sostanze molecolari e sostanze ioniche, quindi i concetti che seguono riguardano questi due tipi di sostanze. Nel caso di queste sostanze, gli atomi dei vari elementi chimici possono legarsi tra loro in due diversi modi, quindi è possibile individuare due tipi di legami chimici: legami covalenti: si tratta della forza di attrazione tra coppie di atomi dovute alla condivisione tra di essi di una o più coppie di elettroni, legami ionici: si tratta di forze di attrazione tra ioni di cariche opposte. D Modelli e formule Nella trattazione che segue verranno utilizzati due tipi di rappresentazioni: modelli molecolari: i pallini colorati rappresentano gli atomi comprensivi della loro zona orbitale e la loro disposizione rispecchia la disposizione degli atomi nelle molecole o nei cristalli ionici, modelli di Lewis, il pallino centrale colorato rappresenta il nucleo dell atomo, la circonferenza rappresenta il livello energetico più esterno, i pallini grigi rappresentano gli elettroni presenti su questo livello, detti anche elettroni di valenza, cioè quelli coinvolti nella formazione dei legami chimici. Verranno inoltre riportati due tipi di formule: le formule brute, che indicano il tipo di atomi coinvolti, il loro rapporto numerico nella sostanza considerata e, nelle sole sostanze molecolari, il numero e tipo di atomi costituenti la molecola, le formule di struttura, relativamente alle sole sostanze molecolari, che evidenziano anche il numero e il tipo di legami covalenti che tengono insieme i vari atomi di ciascuna molecola e la loro disposizione nello spazio. Per capire meglio, consideriamo alcuni esempi, partendo da sostanze che hanno a che fare con la nostra vita quotidiana. D Alcuni esempi applicativi L ossigeno molecolare costituisce il 21% dell aria che respiriamo. Si tratta di una sostanza formata da molecole biatomiche, cioè da particelle formate ciascuna da due atomi di ossigeno legati tra loro. Nel caso dell ossigeno molecolare, i due atomi di ossigeno di una molecola condividono 4 elettroni, due messi a disposizione da un atomo e due dall altro. In questo modo ognuno dei due viene ad avere 8 elettroni nel livello energetico più esterno. Nella realtà, gli elettroni condivisi si muovono in una regione di spazio compresa tra i nuclei dei due atomi. La forza di attrazione che questi elettroni esercitano su ciascuno dei due nuclei di ossigeno fa sì che i due atomi restino legati in maniera permanente. Questo tipo di legame si definisce legame covalente puro o omeopolare. La formula bruta è O 2; essa indica che ogni molecola di ossigeno molecolare è formata da due atomi di ossigeno. 78

5 La formula di struttura è: O=O essa indica che i due atomi di ossigeno sono legati con due legami covalenti (o con un doppio legame covalente), ossia che condividono due coppie di elettroni. P o s s i a m o a n c h e immaginare che ciascuna molecola si sia f o r m a t a dall interazione di una coppia di atomi neutri che abbiano m e s s o i n comune due elettroni ciascuno. In realtà, come già chiarito in precedenza, gli atomi neutri di ossigeno si possono ottenere solamente in laboratorio, in condizioni molto particolari, mentre in natura gli atomi di ossigeno si ritrovano sempre legati tra loro o ad altri tipi di atomi. L anidride carbonica costituisce quasi lo 0,004% dell aria ed è un altra sostanza molecolare. Ciascuna molecola di anidride carbonica è formata da tre atomi, due di ossigeno e uno di carbonio, legati tra loro da legami covalenti. L atomo di carbonio (rappresentato in rosso) si trova tra i due atomi di ossigeno (in blu). Nel caso dell anidride carbonica, l atomo di carbonio di ciascuna molecola condivide 2 elettroni con ciascun atomo di ossigeno; a loro volta gli atomi di ossigeno condividono due dei propri elettroni con l atomo di carbonio. In questo modo i tre atomi si trovano ad avere ciascuno 8 elettroni nel livello energetico più esterno. Anche in questo caso, gli elettroni condivisi si muovono nella regione di spazio compresa tra i nuclei degli atomi. Tuttavia, tra carbonio e ossigeno, quest ultimo è più elettronegativo, cioè esercita una maggiore forza di attrazione sulle due coppie di elettroni condivisi. Questo fa sì che gli elettroni siano spostati verso l ossigeno. Questo secondo tipo di legame covalente si definisce legame covalente eteropolare. Anche in questo caso, con i limiti già indicati, è p o s s i b i l e immaginare che la molecola di anidride carbonica si formi a partire da tre atomi neutri, due di ossigeno e uno di carbonio. La formula bruta è CO 2; essa indica che ogni molecola di anidride carbonica è formata da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. La formula di struttura è: O=C=O essa indica che la molecola è lineare e che vi è un atomo di carbonio centrale legato con ciascuno dei due atomi di ossigeno mediante due legami covalenti; in altri termini, l atomo di carbonio condivide 2 coppie di elettroni con ciascun atomo di ossigeno. L acqua è un altra sostanza molecolare. Ogni molecola d acqua è formata da tre atomi: due di idrogeno e uno di ossigeno, legati tra loro con legami covalenti. In questo caso è l ossigeno (sempre in blu) a che lega a sé due atomi di idrogeno (in bianco). 79

6 Nel caso dell acqua, vi è condivisione di 1 coppia di elettroni tra l atomo di ossigeno centrale e ciascuno dei due atomi di idrogeno. In questo modo sia l atomo di ossigeno sia gli atomi di idrogeno si trovano in condizioni di stabilità. La formula bruta è H2O; essa indica che ogni molecola d acqua è formata da due atomi di idrogeno e da un atomo di ossigeno. H La formula di struttura è H riportata qui a destra: essa O indica che la molecola non è lineare (l angolo tra i legami tra H e O è di circa 104 ) e che vi è un atomo di ossigeno centrale legato con ciascuno dei due atomi di idrogeno mediante un legame covalente, cioè che l atomo di ossigeno condivide una coppia di elettroni con ciascun atomo di idrogeno. La molecola d acqua, tuttavia, ha una specificità particolare. A differenza delle molecole di ossigeno e anidride carbonica, la molecola dell acqua è asimmetrica. I due atomi di idrogeno sono posti dalla stessa parte rispetto all atomo di ossigeno. Inoltre, l ossigeno è più elettronegativo, cioè è in grado di attrarre a sé con maggiore forza gli elettroni condivisi. Questo fa sì che la parte della molecola dove si trova l ossigeno (a sinistra nell immagine) abbia una leggera carica negativa, indicata con il simbolo δ-. I due atomi di idrogeno (a destra nell immagine) hanno una leggera carica positiva, indicata con il simbolo δ+. La presenza di queste piccole cariche positive e negative fa sì che le molecole d acqua si attraggano debolmente l una con l altra. Questa leggera attrazione si definisce legame idrogeno o ponte idrogeno (indicato in figura con linee tratteggiate); il legame idrogeno è una forma di legame intermolecolare ed è responsabile del 80 fatto che l acqua sul nostro pianeta sia presente anche allo stato liquido e solido, e non solo allo stato aeriforme come l ossigeno molecolare e l anidride carbonica. Il cloruro di sodio è una sostanza ionica. Ciascun cristallo di una sostanza ionica è formato da un gran numero di ioni di carica opposta (nel nostro caso si tratta di piccoli cationi sodio Na+ e grandi anioni cloruro Cl-). Gli ioni sono disposti ordinatamente l uno a fianco dell altro in maniera alternata. Il cloruro di sodio è un solido che fonde a 804 C. Questo significa che tra le particelle costituenti (cationi sodio Na+ e anioni cloruro Cl-) vi sono forze molto intense che tengono unite queste particelle. queste forze sono definite legami ionici. Na+ Cl- Anche in questo caso, con i limiti già indicati per l ossigeno molecolare, è possibile immaginare che il cloruro di sodio si formi a partire da atomi neutri di sodio e di cloro. L atomo neutro di sodio ha un solo elettrone sul terzo livello energetico, mentre l atomo neutro di cloro ne ha sette. Il passaggio dell unico

7 elettrone spaiato dal sodio al cloro rende stabili entrambi gli atomi, trasformati in ioni: catione sodio, Na + e anione cloruro, Cl -, che si attraggono vicendevolmente con forza a causa della loro carica opposta. Na Na + Cl - Cl Se gli atomi di carbonio sono almeno due, essi sono legati tra loro con legami covalenti. Sempre mediante legami covalenti agli atomi di carbonio sono legati atomi di alcuni altri elementi chimici: idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. I simboli di questi elementi chimici sono rispettivamente C, H, O, N, P, S. Come già detto, gli atomi di ognuno di questi elementi chimici possono legarsi tra loro con legami covalenti; ogni tipo di atomo può formare con altri atomi un numero specifico di legami, come elencato di seguito: Carbonio (C): 4 legami Idrogeno (H): 1 legame Ossigeno (O): 2 legami Azoto (N): 3 legami Fosforo (P): 4/5 legami Zolfo (S): 2 legami D.2 - LE SOSTANZE ORGANICHE Gli organismi viventi sono formati da sostanze chimiche. Si tratta quasi esclusivamente di sostanze composte, cioè costituite da atomi di elementi chimici diversi. In termini di quantità e di peso, la principale sostanza chimica che li costituisce è l'acqua, seguono le sostanze organiche. Le sostanze organiche sono sostanze formate da molecole, cioè da gruppi di atomi legati tra loro con legami covalenti e sono tutte ricche di energia. Le molecole organiche sono formate da uno scheletro costituito da uno o più atomi di carbonio, detto scheletro carbonioso. C C C C D.3 - GLI IDROCARBURI Le sostanze organiche più semplici sono gli idrocarburi: essi sono formati da molecole costituite solamente da atomi di carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi sono i principali costituenti del petrolio e dei giacimenti di gas naturale ad esso associati: si tratta di miscele di sostanze derivate dalla degradazione e trasformazione in assenza di ossigeno in tempi lunghissimi di microrganismi marini. Gli idrocarburi sono sostanze ricche di energia: a contatto con l'ossigeno dell'atmosfera, essi bruciano emettendo calore e luce e vengono usati come combustibili per la produzione di energia elettrica e nei mezzi di trasporto a combustione interna (auto, camion, navi, aerei). Gli idrocarburi sono sostanze non polari e per questo sono insolubili in acqua; inoltre essi hanno una densità inferiore a quella dell acqua: per questo motivo, se mescolati con l'acqua, si separano da essa e si dispongono sulla sua superficie (galleggiano). 81