Chimica Appplicata Ai Sistemi Biologici

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1 Chimica Appplicata Ai Sistemi Biologici

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3 FACEBOOK (gruppo chiuso) ChimFisBio

4 TESTI CONSIGLIATI Metodi fisici in Chimica Organica (GF Pedulli, Ed. PICCIN) Identificazione spettrometrica di composti organici (Rober M. Silverstein )

5 SPETTROSCOPIA Spettro elettromagnetico Radiazioni elettromagnetiche (r.e.m) Modello classico e quantistico Assorbimento di r.e.m Emissione di r.e.m. Spettroscopia di assorbimento Spettroscopia di emissione

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7 Nobel 2012 per la CHIMICA

8 Nobel 2012 per la chimica a Lefkowitz e Kobilka Per i loro studi sui recettori accoppiati a proteine G (una famiglia di recettori cellulari molto importante) che si trovano sulla superficie delle cellule e che le aiutano ad adattarsi all'ambiente esterno.

9 BIOLOGIA MOLECOLARE studia gli esseri viventi a livello dei meccanismi molecolari alla base della loro fisiologia, concentrandosi in particolare sulle interazioni tra le macromolecole, ovvero proteine e acidi nucleici (DNA e RNA). Per biologia molecolare si intendono spesso una serie di tecniche che consentono la rilevazione, l'analisi, la manipolazione, l'amplificazione (PCR) e la copia (clonaggio) degli acidi nucleici.

10 BIOLOGIA MOLECOLARE studia gli esseri viventi a livello dei meccanismi molecolari alla base della loro fisiologia, concentrandosi in particolare sulle interazioni tra le macromolecole, ovvero proteine e acidi nucleici (DNA e RNA). Per biologia molecolare si intendono spesso una serie di tecniche che consentono la rilevazione, l'analisi, la manipolazione, l'amplificazione (PCR) e la copia (clonaggio) degli acidi nucleici. Il campo della biologia molecolare si interseca anche con altre discipline non biologiche: Ad esempio Informatica per l'elaborazione dell'enorme mole di dati che vengono prodotti Biologia molecolare Fisica nello studio delle biomolecole a livello di struttura tridimensionale (biologia strutturale).

11 Struttura Attivita ESEMPIO: RICONOSCIMENTO MOLECOLARE E il punto di partenza per quasi tutti i processi biologici. Un modello di riconoscimento tra molecole biologiche prevede che le molecole interagiscono in una maniera altamente specifica: modello CHIAVE-SERRATURA (Fisher e Ehrilch)

12 Struttura Attivita ESEMPIO: RICONOSCIMENTO MOLECOLARE E il punto di partenza per quasi tutti i processi biologici. Un modello di riconoscimento tra molecole biologiche prevede che le molecole interagiscono in una maniera altamente specifica: modello CHIAVE-SERRATURA (Fisher e Ehrilch)

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14 Spettroscopia Studia le proprietà della materia attraverso l interazione con diverse componenti dello spettro elettromagnetico

15 Riflessione Si verifica quando la luce incontra una superficie lucida, per esempio uno specchio. Il raggio che proviene dall'oggetto, (chiamato raggio incidente), e il raggio che ritorna dalla superficie lucida (chiamato raggio riflesso), formano angoli uguali con la superficie riflettente.

16 Rifrazione cannucce È un fenomeno dovuto alla diversa velocità della luce in mezzi diversi: il passaggio da un mezzo a bassa densità come l'aria a un mezzo a densità elevata come l'acqua ne riduce la velocità e ne causa la deviazione (eccetto nel caso in cui entri perpendicolarmente alla superficie del mezzo).

17 Dispersione e rifrazione della luce solare contro le pareti delle gocce.

18 Quando LA LUCE incontra la materia vi è sempre una interazione; la natura di questa interazione può variare da un caso all altro.

19 Che cosa è la luce? Il termine luce si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, approssimativamente compresa tra 400 e 700 nm di lunghezza d onda, ovvero tra 790 e 435 THz di frequenza. Che cosa è lo spettro elettromagnetico? In fisica, indica l'insieme di tutte le possibili frequenze delle radiazioni elettromagnetiche Che cosa è una radiazione elettromagnetica? una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio ad altissima velocità

20 Spettro elettromagnetico

21 Radiazione del visibile

22 Spettroscopia

23 Radiazione Elettromagnetica Che cosa è la radiazione elettromagnetica? una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio ad altissima velocità.

24 Modello classico ad onda sinusoidale La radiazione elettromagnetica è composta da onde elettromagnetiche, consistenti, cioè, nell'oscillazione concertata di un campo elettrico e di un campo magnetico. Queste onde si propagano in direzione ortogonale a quella di oscillazione

25 Radiazione Elettromagnetica Le onde elettromagnetiche sono definite da alcuni parametri quali: lunghezza ampiezza frequenza velocità di propagazione energia intensità

26 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde l= lunghezza d onda l

27 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde l= lunghezza d onda Nel SI l unita di misura e il metro (m). Per lunghezze d onda corte si usano i prefissi: p pico n 10-9 nano μ 10-6 micro m 10-3 milli c 10-2 centi l Si usa anche l Angström (Å) che corrisponde a m.

28 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde l= lunghezza d onda

29 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde n = frequenza Nel SI l unita di misura e l Hertz (Hz, ha le dimensioni di s -1 ). Corrisponde al numero di cicli al secondo. Si usano i prefissi: M 10 6 mega G 10 9 giga T tera P peta E exa

30 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde c=velocità c=l n=2,9979*10 8 m/s

31 Radiazione Elettromagnetica Proprietà delle onde E=energia E=hn h=6,62618*10-34 J s Costante di Planck la quantità di energia trasportata per unità di tempo e di superficie ortogonale alla direzione di propagazione. Intensità (legata all ampiezza dell onda) Joule su metri quadrati al secondo (J/(m 2 s)).

32 Radiazione Elettromagnetica

33 Modello corpuscolare la radiazione è descritta come un flusso di particelle discrete, o pacchetti d onde, chiamati fotoni. Da una parte, i fotoni hanno caratteristiche simili a quella di un onda (es. hanno una frequenza e danno fenomeni di interferenza), dall altra hanno proprietà simili a quella di una particella. L energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione elettromagnetica a cui appartiene: E=hn

34 DIFFRAZIONE È un fenomeno tipico delle onde, che non si spiega con il modello corpuscolare della luce.

35 DIFFRAZIONE È un fenomeno tipico delle onde, che non si spiega con il modello corpuscolare della luce. Si ha diffrazione quando la luce non si propaga in linea retta e invade quella che dovrebbe essere una zona d ombra. Il modello corpuscolare non va bene in quanto prevede che i corpuscoli di luce si propaghino sempre in linea retta.

36 Effetto fotoelettrico Nel tardo 800 i risultati di alcuni esperimenti indicavano che, quando la luce ultravioletta colpiva una superficie metallica, questa emetteva elettroni. Ciò accadeva solo con luce ultravioletta Con raggi di luce di frequenza più piccola (lunghezza d'onda più lunga) il fenomeno non si verificava.

37 Secondo la teoria corpuscolare i fotoni possono provocare l espulsione degli elettroni atomici oppure possono venire assorbiti cedendo l energia che trasportano. Nell'ambito della fisica classica i risultati sperimentali potevano essere spiegati con l'idea che: quando le onde luminose colpivano gli elettroni, questi si sarebbero messi a VIBRARE fino a quando non avessero raggiunta l'energia sufficiente per essere emessi dalla piastra. Tuttavia ci sono dei punti deboli in questa spiegazione. Si ha emissione fotoelettrica solo se le frequenza della radiazione incidente è superiore al valore della soglia fotoelettrica precedentemente citata. L energia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della radiazione incidente e non dalla sua intensità. Il numero degli elettroni emessi per unità di tempo aumenta all aumentare dell intensità della radiazione elettromagnetica incidente.

38 I Fotoni La teoria dei quanti di luce, o fotoni, fu proposta da Albert Einstein nel 1905 a seguito dei suoi studi sull effetto fotoeletrico. Per i suoi studi sull effetto fotolerttrico e la conseguente scoperta dei quanti di luce, Einstein ricevette il Premio Nobel in Fisica nel Questa ipotesi spiega i risultati ottenuti sperimentalmente. Appena un fotone con sufficiente energia colpisce un elettrone, l'elettrone l'assorbe ed acquisisce una energia sufficiente a liberarsi dei suoi legami atomici. La quantità minima di energia necessaria a causare ciò corrisponde direttamente alla frequenza critica menzionata sopra. E quando il fotone ha maggior energia rispetto a quella richiesta, quella energia in più viene convertita in energia cinetica

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40 Radiazione Elettromagnetica 1923: Un terzo tipo di interazione tra la radiazione e la materia venne descritto in maniera semplice e soddisfacente da Arthur Holly Compton, il quale riprese l'idea di Einstein che la luce fosse costituita da particelle dotate di energia e impulso. Quest'ultima era la prova definitiva che convinse la comunità scientifica circa la NATURA CORPUSCOLARE DELLA LUCE.

41 Radiazione Elettromagnetica Emerse quindi un nuovo modello del campo elettromagnetico, descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA: la luce, accanto alle proprietà ondulatorie classiche, in determinate condizioni, manifesta anche proprietà corpuscolari. Questi "quanti di luce" di cui è composta la radiazione elettromagnetica sono detti fotoni

42 Quantizzazione di Energia Base comune di tutte le forme di spettroscopia è il concetto di transizione: il passaggio di un atomo o molecola da uno stato energetico ad un altro. L interazione tra energia radiante e materia segue differenti meccanismi a seconda della radiazione impiegata

43 Quantizzazione di Energia Rotazione in virtù della rotazione intorno al suo centro di massa Vibrazione per gli spostamenti periodici degli atomi dalla loro posizione di equilibrio Elettronica poiché gli elettroni intorno all atomo o quelli di legame sono in continuo movimento.

44 Quantizzazione di Energia L energia interna delle molecole è quantizzata (sono permessi solo valori finiti) e l energia di ogni molecola poliatomica deriva da diversi contributi : E tot = E tras + E rot + E vib +E ele + E elv + E n E tras = Energia traslazionale dovuta al movimento dovuta al movimento traslazionale della molecola della molecola E rot = Energia rotazionale dovuta al movimento di rotazione della molecola E vib = Energia vibrazionale dovuta alle vibrazioni cui sono soggetti gli atomi della molecola E ele = Energia dovuta agli elettroni di non legame (interni) E elv = Energia dovuta agli elettroni di valenza E n = Energia nucleare legata all energia delle particelle che compongono il nucleo

45 Ognuno dei termini energetici ha valori quantizzati e compresi in un intervallo di valori di energia paragonabile alle energie delle differenti zone dello spettro elettromagnetico. Primo livello elettronico eccitato DE 1 DE 1 >DE 2 >DE 3 Livello elettronico fondamentale DE 2 DE 3 Livelli rotazionali Livelli vibrazionali

46 Eccitazione e Rilassamento Primo livello elettronico eccitato e - Eccitazione assorbimento e - Livello elettronico fondamentale

47 Eccitazione e Rilassamento Rilassamento non radioattivo: Primo livello elettronico eccitato l energia viene trasferita mediante piccole collisioni alle molecole circondanti, ma senza emissione di fotoni. C è un piccolo aumento di temperatura nel mezzo. Rilassamento radioattivo (EMISSIONE): l energia viene trasferita mediante emissione di fotoni. Si può raggiungere uno stato intermedio di decadimento termico e riemissione di una radiazione con frequenza minore della radiazione che provoca l eccitazione, si parla in questo caso di fluorescenza e di fosforescenza. In alcuni casi, l energia elettromagnetica assorbita è rilassata interamente in forma di radiazione con frequenza diversa, si ha allora la diffusione per effetto Raman. Rilassamento emissione

48 Spettroscopia Spettroscopia di assorbimento studia l assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte di atomi e molecule.

49 Spettroscopia Spettroscopia di emissione studia l emissione di radiazione elettromagnetica da parte di atomi e molecole.

50 Spettroscopia Tanto la spettroscopia di emissione quanto quella di assorbimento forniscono identica informazione circa gli intervalli che separano i livelli energetici; la scelta di una tecnica rispetto ad un altra poggia su considerazione di ordine pratico.

51 Spettroscopia

52 Spettro d Assorbimento Asse X Asse Y: l assorbimento

53 Domande di riepilogo: Che cosa si intende per spettro elettromagnetico? Che cosa si intende per radiazioni elettromagnetiche (r.e.m)? Come viene descritta la rem secondo il modello classico? Come viene descritta la rem secondo il modello quantistico? Che cosa succede alla materia quando avviene assorbimento di r.e.m? Che cosa succede alla materia quando avviene assorbimento di r.e.m emissione di r.e.m.? Che cosa studia la spettroscopia di assorbimento? Che cosa studia la spettroscopia di emissione?