Chimica e chimica della vita

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1 Chimica e chimica della vita Tocca, Oliver diceva, lanciandomi una barretta non c è niente al mondo come il tungsteno sinterizzato Batteva sulle barrette e queste emettevano un tintinnio profondo Il suono del tungsteno diceva zio Dave. Non esiste nulla di simile. Non sapevo se fosse vero, ma non lo misi mai in dubbio. Da: Oliver Sacks Zio Tungsteno Ed. Adelphi Per chiunque tema che la chimica (o la fisica) siano materie impossibili : un percorso di riconciliazione: Sacks, Zio Tungsteno, Adelphi; Feynman, Sei pezzi facili, Adelphi. (in modo particolare il capitolo 1) Chimica della vita: elementi da ripassare Materia ed elementi Atomi e molecole Legami chimici Reazioni chimiche Chimica della vita: argomento della lezione Chimica organica Macromolecole organiche: Carboidrati Fosfolipidi Amminoacidi e proteine Acidi nucleici Materia ed elementi Materia: tutto ciò che occupa spazio e ha una massa - può essere in tre stati: solido,liquido e gassoso Elementi - Singole forme della materia che non possono essere divise in forme più semplici con delle reazioni chimiche ordinarie. Dei 115 elementi conosciuti 4 (C, O, N, ) costituiscono il 96% della massa degli organismi viventi. Ognuno dei 115 elementi presenta distinte categorie chimiche. Elementi ed atomi Atomi Atomi - Particelle più piccole che possiedono le caratteristiche degli elementi.sono costituiti da: Nucleo Protoni (carica elettrica positiva unitaria) Neutroni (carica neutra) Elettroni (carica elettrica negativa unitaria) Numero atomico: n di protoni per atomo; Massa atomica: somma di protoni e neutroni in un singolo atomo (massa elettrone = 1/1800 della massa di un protone e/o neutrone). Unità di misura = uma (unità di massa atomica) o dalton. 1 uma massa di un protone o neutrone Isotopo - Forme di un elemento che variano per differenze di massa atomica (differiscono per il numero di neutroni). Ciascun elemento ha nel nucleo un numero fisso di protoni. Tale numero è detto numero atomico. Nella tavola periodica gli elementi sono sistemati in un ordine che dipende (anche) dal loro numero atomico. 1

2 Tavola periodica degli elementi Da Figura 2-1 Solomon, Berg, Martin Elettroni ed orbitali Gli elettroni si muovono in particolari regioni dello spazio dette orbitali (rappresentati come nuvole elettroniche ). Ogni orbitale contiene al massimo due elettroni. L energia di un elettrone dipende dall orbitale che esso occupa. Elettroni posti in orbitali con energie simili hanno lo stesso livello energetico principale e costituiscono un guscio elettronico (modello di Bohr) Elettroni ed orbitali Modello di Bohr: configurazione elettronica dei primi 18 elementi Da Figura 2-4 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-9 Campbell - Reece Da Figura 2-10 Campbell - Reece Elettroni ed orbitali Gli elettroni di maggiore energia vengono detti elettroni di valenza e occupano il guscio di valenza che costituisce il cerchio più esterno del modello proposto da Bohr Da Figura 2-4 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-11 Campbell - Reece 2

3 Formule chimiche Una formula chimica è il modo più abbreviato per descrivere la composizione chimica di una sostanza. I simboli chimici identificano gli atomi presenti, e i numeri a pedice il rapporto tra gli atomi. Formula semplice o formula empirica: i.e. N 2 (rapporto 1:2 azoto e idrogeno). Formula molecolare: i.e. N 2 4 (ogni molecola di idrazina è in realtà composta da 2 atomi di azoto e quattro di idrogeno); 2 O (ogni molecola di acqua è in realtà composta da 2 atomi di idrogeno e uno di ossigeno). Formula di struttura: i.e. -O- (riporta non solo il tipo e il numero di atomi, ma anche la loro organizzazione reciproca). Molecole e composti Composto chimico. Atomi di due o più elementi differenti combinati in un rapporto fisso: i.e. NaCl (cloruro da sodio sale da cucina). Molecola. Due o più atomi che si combinano chimicamente e formano unità dette molecole 2 O (ogni molecola di acqua è in realtà composta da 2 atomi di idrogeno e uno di ossigeno). Molecole e composti Massa molecolare. La massa molecolare di un composto è la somma delle masse atomiche degli atomi che compongono ogni molecola. Acqua 2 O = (: 2 X 1uma) + (O: 1 X 16 uma) = 18 uma Glucosio C 6 12 O 6 = (C: 6 X 12 uma) + (: 12 X 1uma) + (O: 6 X 16 uma) = 180 uma Molecole e composti : moli Mole. La mole è la quantità di un composto la cui massa in grammi è equivalente alla sua massa atomica o molecolare. 1 mole di acqua corrisponde è 18 grammi (g), una mole di glucosio ha una massa di 180 g. Permette paragoni tra atomi e molecole di massa diversa perché una mole di ciascuna sostanza contiene sempre lo stesso numero di unità (sia che si tratti di piccoli atomi che di grandi molecole). In una mole ci sono 6,02 X unità (numero di Avogadro). 1 mole di 2 0 = 18 g = 6,02 X molecole 1 mole di 2 = 2 g = 6,02 X molecole 5 moli di C 6 12 O 6 = 900 g [5X180] = 30,1 [5X 6,02] X molecole Non si possono contare singolarmente gli atomi e le molecole, grazie al numero di Avogadro è possibile calcolarne il numero attraverso una pesatura. Molecole e composti: moli Il concetto di mole permette anche di paragonare tra loro le soluzioni. Una soluzione 1 molare si indica come 1M, contiene una mole di una data sostanza sciolta in un litro di soluzione. 1 litro di soluzione 1M glucosio [C 6 12 O 6 ] 1 litro di soluzione 1M saccarosio [C O 11 ] differiscono per la massa di zucchero disciolto (180 e 340 g) ma entrambe contengono 6,02 X molecole di zucchero Reazioni chimiche Il comportamento chimico di un atomo è determinato dal numero e dalla posizione degli elettroni di valenza. Il guscio di valenza di e e è completo (e cioè stabile) quando contiene 2 elettroni. Quando il guscio di valenza non è completo l atomo tende ad acquisire, cedere o condividere elettroni per completare il guscio esterno. Le reazioni chimiche possono essere descritte attraverso delle equazioni: C 6 12 O 6 + 6O 2 6CO O + Energia reagenti prodotti 3

4 Legami chimici Legami chimici - Forze (energia chimica) che uniscono gli atomi in molecole. L energia di legame è l energia necessaria per rompere il legame chimico. Covalenti - condivisione di elettroni tra due atomi adiacenti Ionici - Cationi (caricati positivamente) ed anioni (caricati negativamente) Idrogeno - Ineguale attrazione degli elettroni condivisi (nell acqua l atomo di ossigeno attrae gli elettroni condivisi molto di più di quanto non facciano gli atomi di idrogeno e questo fa si che gli atomi di idrogeno siano parzialmente positivi, mentre quello di ossigeno sia parzialmente negativo; ne consegue che gli atomi di idrogeno sono debolmente attratti dagli atomi di ossigeno delle molecole circostanti Legami covalenti Comportano la condivisione di elettroni tra due atomi adiacenti in modo tale che ogni atomo un guscio di valenza completo. I.e. Ogni atomo di idrogeno ha un solo elettrone di valenza e per completare il guscio di valenza ne sono necessari due. I due atomi hanno la stessa capacità di attrarre elettroni, quindi nessuno dona un elettrone all altro, ma condividono gli unici elettroni che vengono attratti dai due protoni. Di conseguenza gli elettroni ruotano attorno ad entrambi i nuclei, tenendo uniti gli atomi Da Figura 2-5 Solomon, Berg, Martin Legami covalenti I legami covalenti possono essere rappresentati mediante la formula di struttura o la forma di Lewis Formula di struttura Acqua ( 2 0): -O- Idrogeno molecolare ( 2 ): - Ammoniaca (N 3 ) Metano (C 4 ) N C Formula di Lewis Acqua ( 2 0): : O: Idrogeno molecolare ( 2 ): : Ammoniaca (N 3 ) Metano (C 4 ) : : : : : N: : : C: : Legami covalenti Singolo legame covalente: un doppietto di elettroni condiviso da due atomi Doppio legame covalente: due doppietti di elettroni condivisi da due atomi Triplo legame covalente: tre doppietti di elettroni condivisi da due atomi Da Figura 2-5 Solomon, Berg, Martin Legami covalenti Ogni molecola ha forma e caratteristiche ben precise. La forma geometrica di una molecola permette di mantenere la distanza ottimale tra gli elettroni per controbilanciare la repulsione dei doppietti elettronici. Un atomo legato covalentemente con altri atomi può presentare un riarrangiamento degli orbitali del guscio di valenza, in un processo detto ibridazione degli orbitali. Da Figura 2-6 Solomon, Berg, Martin Legami covalenti Gli atomi di ogni elemento differiscono per l affinità per gli elettroni. L elettronegatività è la misura dell attrazione esercitata da un atomo sulla coppia di elettroni di un legame covalente. Tra due atomi dello stesso elemento l attrazione è in equilibrio (legame covalente non polare). Tra due atomi con diversa elettronegatività gli elettroni sono attratti dal nucleo con maggior affinità (nell acqua dall ossigeno). Si parla in questo caso di legame covalente polare. Tale legame ha due estremità (o poli) diverse, una con carica negativa e una con carica positiva. Da Figura 2-7 Solomon, Berg, Martin 4

5 Legami ionici Ioni - Atomi che contengono un numero maggiore o minore di elettroni rispetto a protoni (sono quindi carichi elettricamente). Se un atomo ha 1,2,3 elettroni nel guscio di valenza tende a cederli, mentre se un atomo ha 5,6,7, elettroni nel guscio di valenza tende ad accettare elettroni da altri atomi. Cationi: caricati positivamente Anioni: caricati negativamente Legami ionici Legame ionico: conseguenza dell attrazione tra la carica positiva di un catione e la carica negativa di un anione. Esempio è il sale da cucina (cloruro di sodio NaCl) Da Figura 2-7 Solomon, Berg, Martin Da Figura 2-9 Solomon, Berg, Martin Legami ionici Un composto ionico tende ad essere i legami molto forti quando si trova allo stato solido (i.e. NaCl), ma posto in un solvente, come l acqua (anche grazie alla sua polarità) il solido si scioglie. Nella soluzione ogni catione e anione è circondato da estremità di molecole di acqua con la carica opposta Da Figura 2-10 Solomon, Berg, Martin Legami idrogeno Da Figura 2-11 Solomon, Berg, Martin L idrogeno può combinarsi con atomi elettronegativi, e questo conferisce una parziale carica positiva all idrogeno, che si lega anche ad altri atomi elettronegativi. Sono legami deboli (si formano e si rompono facilmente) ma se numerosi l insieme è molto forte Acqua Buona parte degli organismi è costituita da acqua 70% del nostro peso corporeo è costituito da acqua Nelle cellule umane il 20% delle ossa è costituito da acqua e il 85% delle cellule cerebrali è costituito da acqua. L acqua ha un ruolo fondamentale nel permettere la vita sulla terra Sostanze possono essere idrofile/idrofobe Acqua Da Figura 2-12 Solomon, Berg, Martin 5

6 Ioni, Acidi, e Basi Ioni - Atomi che contengono un numero maggiore o minore di elettroni rispetto a protoni (sono quindi carichi elettricamente). Acidi - sostanze che rilasciano ioni idorgeno. Basi - sostanze che legano ioni idrogeno. Scala p : 0-14 (usata per descrivere il numero di ioni idrogeno in una soluzione acquosa) < 7 Acidi > 7 Basi I composti organici Atomi e molecole di carbonio Carboidrati Lipidi Proteine Acidi nucleici Composti organici Materiale composto da biomolecole - Formate in buona parte da legami ed anelli di carbonio. Quattro categorie principali: Carboidrati: in genere formula (C 2 O) n dove n rappresenta una serie di unità ripetitive che si organizzano in catene od anelli i.e. glucosio - C 6 12 O 6 Lipidi: i.e. grassi ed oli, - i lipidi costituiscono le pareti delle membrane cellulari Proteine: costituiscono la maggioranza dei componenti strutturali e funzionali delle cellule, sono composte da subunità -amminoacidi- e danno origine a catene e forme tridimensionali; gli enzimi sono esempi di proteine Acidi nucleici: sono le molecole contenti le informazioni genetiche che governano i processi vitali; sono costituiti da nucleotidi: combinazioni di molecole di zuccheri, strutture circolari contenenti azoto e ponti di fosforo che legano i nucleotidi Atomi e molecole di carbonio Atomi e molecole di carbonio Il carbonio possiede alcune proprietà, grazie alle quali può formare grandi molecole: possiede 4 elettroni di valenza e completa il suo guscio di valenza formando 4 legami covalenti; i legami carboniocarbonio sono forti e non vengono rotti facilmente (si possono avere 1, 2, 3 legami indicati rispettivamente C-C, C=C, C=C); le (macro)molecole organiche composte da C e possono formare catene ed anelli; Le molecole hanno una forma tridimensionale, anche se spesso vengono rappresentate su base bidimensionale; Da Figura 3-2 Solomon, Berg, Martin 6

7 Gruppi funzionali Gruppi funzionali Quando una o più atomi di idrogeno legati allo scheletro carbonioso di un idrocarburo vengono sostituiti da altri gruppi di atomi, detti gruppi funzionali si possono modificare le proprietà delle molecole organiche. Negli idrocarburi i legami covalenti C- sono apolari e non ci sono regioni cariche, quindi sono insolubili in acqua e tendono a raggrupparsi attraverso reazioni idrofobiche Gruppo ossidrilico R-O Polare Gruppo carbonilico Polare Aldeidi R-C- Chetoni R-C-R Carbossilico R-C-O Debolmente acido, può rilasciare uno ione + =O =O =O Amminico R-N Debolmente basico, può accettare uno o due ioni + Fosfato Debolmente acido, può rilasciare uno o due ioni + =O R-P-O - O Polimeri e monomeri Carboidrati Monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi Carboidrati: in genere formula (C2O)n dove n rappresenta una serie di unità ripetitive che si organizzano in catene od anelli i.e. glucosio - C 6 12 O 6 Monosaccaridi Contengono in genere da tre a sette atomi di carbonio. Nei monosaccaridi tutti gli atomi di carbonio sono legati a un gruppo ossidrilico (-O), eccetto uno, che è legato con doppio legame a un ossigeno (=O) e forma un gruppo carbonilico. Disaccaridi Sono due monosaccaridi legati tra loro da mediante un legame glicosidico (un ossigeno centrale legato covalentemente a due atomi di carbonio, uno per anello. Polisaccaridi Sono costituiti da unità ripetute di uno zucchero semplice (generalmente il glucosio) Da Figura 3-6 Solomon, Berg, Martin 7

8 Glucosio: è il monoscaccaride più abbondante. Viene utilizzato come fonte di energia da quasi tutti gli organismi. Durante le fasi di respirazione cellulare le cellule ossidano il glucosio e rilasciano energia che può essere utilizzata per compiere il lavoro cellulare. Il glucosio serve anche per la sintesi di altri composti (i.e. amminoacidi e acidi grassi). Disaccaridi: Saccarosio e maltosio Maltosio + Acqua Glucosio + Glucosio Saccarosio + Acqua Glucosio + fruttosio Da Figura 3-7 Solomon, Berg, Martin Da Figura 3-8 Solomon, Berg, Martin Polisaccaridi - unità ripetute di uno zucchero semplice - Amido: (carboidrato di riserva delle piante) Cellulosa: rappresenta il 50% del carbonio vegetale. Per essere idrolizzato richiede enzimi specifici che non tutti gli animali hanno (i.e. l uomo ne è privo, e quindi la cellulosa non è un nutrimento, ovini, bovini e termiti ospitano dei batteri che sono in grado di digerire la cellulosa). Chitina: carboidrato con cui gli insetti costruiscono il loro esoscheletro I lipidi sono un gruppo eterogeneo di composti, generalmente solubili in solventi apolari e insolubili in solventi polari come l acqua. I lipidi più abbondanti negli organismi sono i trigliceridi, detti comunemente grassi. Sono una riserva di energia importante perché quando vengono metabolizzati forniscono più del doppio dell energia per grammo rispetto ai carboidrati. I fosfolipidi sono caratterizzati da avere una estremità polare e una apolare. Lipidi Da Figura 5-7 Campbell & Reece Da Figura 5-8 Campbell & Reece 8

9 Proteine Le proteine sono macromolecole costituite da amminoacidi. Sono coinvolte in tutti gli aspetti del metabolismo di un organismo Amminoacidi Gli amminoacidi hanno un gruppo amminico (-N 2 ) e uno carbossilico (-COO) legati allo stesso atomo di carbonio, detto carbonio α (carbonio alfa). Gli amminoacidi più comuni sono 20 Tutte le piante e i batteri sono in grado di sintetizzare a partire da sostanze semplici gli amminoacidi Gli animali no, e devono assumere attraverso la dieta alcuni amminoacidi, detti amminoacidi essenziali (variano da specie a specie) Da Figura 3-16 Solomon, Berg, Martin Gli amminoacidi si combinano tra loro legando il carbonio del gruppo carbossilico di una molecola all azoto del gruppo amminico di un altra molecola. Il legame covalente che tiene insieme due amminoacidi è detto legame peptidico. Da Figura 3-18 Solomon, Berg, Martin Proteine: livelli di organizzazione Le proteine hanno quattro livelli di organizzazione: struttura primaria (catena polipeptidica); struttura secondaria (legami idrogeno dello scheletro amminoacidico); struttura terziaria (interazioni tra gruppi laterali); struttura quaternaria (interazioni tra polipeptidi). struttura primaria: sequenza degli amminoacidi, Es. lisozima è una proteina costituita da 129 unità amminoacidi Nb una proteina composta da 129 unità di amminoacidi produrrebbe modi diversi di disporre tali amminoacidi. La struttura primaria di una proteina è determinata dall informazione genetica ereditaria presente in ogni organismo. Da Figura 3-19 Solomon, Berg, Martin Da Figura 5-18 Campbell & Reece 9

10 Piccole variazioni nella struttura primaria di una proteina possono influenzare la conformazione e la possibilità di funzionamento della proteina: i.e. anemia falciforme è un disordine ereditario del sangue dovuto alla sostituzione di un amminoacido con un altro in una singola posizione della struttura primaria dell emoglobina struttura secondaria (legami idrogeno dello scheletro amminoacidico); Due forme: α elica β foglietto Da Figura 3-20 Solomon, Berg, Martin Da Figura 5-19 Campbell & Reece Struttura terziaria è la forma complessiva assunta da ciascuna catena polipeptidica legami a idrogeno che si formano tra i gruppi R di alcune subunità amminoacidiche; Legami ionici tra i gruppi R carichi positivamente e quelli carichi negativamente interazioni idrofobiche (i gruppi R tendono a disporsi all interno della struttura globulare, lontano dall acqua circostante; legami covalenti che legano atomi di zolfo di due unità di cisteina detti ponti disolfuro S-S- Molte proteine sono costituite da più catene polipeptidiche, che interagiscono tra loro in modo specifico. La struttura quaternaria deriva dall interazione delle diverse catene polipeptidiche Da Figura 3-22 Solomon, Berg, Martin Da Figura 3-21 Solomon, Berg, Martin Acidi nucleici: Acidi nucleici: sono le molecole contenti le informazioni genetiche che governano i processi vitali; sono costituiti da nucleotidi: combinazioni di molecole di zuccheri, strutture circolari contenenti azoto e ponti di fosforo che legano i nucleotidi Nelle cellule ci sono due tipi di acidi nucleici: RNA (acido ribonucleico) DNA (acido desossiribonucleico) Acidi nucleici: Polimeri di nucleotidi zucchero a 5 atomi di carbonio (ribosio e desossiribosio) uno o più gruppi fosfati; basi azotate (purine e pirimidine) DNA contine le purine A (adenina), G (guanina) e le pirimidine C (citosina) e T (timina). RNA contine le purine A (adenina), G (guanina) e le pirimidine C (citosina) e U (uracile). 10

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