La chimica della vita. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012

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1 La chimica della vita 1

2 Tutta la materia è composta da elementi chimici È materia qualsiasi cosa, vivente e non vivente, che occupi dello spazio e che abbia una massa. La materia è composta da elementi chimici ed esiste in tre stati distinti: solido, liquido e gassoso. Un elemento è una sostanza formata da un solo tipo di atomi; ogni elemento è contraddistinto da un simbolo. 2

3 Tutta la materia è composta da elementi chimici I sei elementi più importanti per i viventi sono il carbonio (C), l idrogeno (H), l azoto (N), l ossigeno (O), il fosforo (P) e lo zolfo (S). Questi elementi formano il 95% in peso degli organismi. I principali elementi chimici che formano la crosta terrestre e gli organismi viventi 3

4 Tutta la materia è composta da elementi chimici La materia è composta da atomi, che rappresentano la più piccola unità di un elemento. Gli atomi sono costituiti da varie particelle subatomiche: i protoni (con carica elettrica positiva) e i neutroni (privi di carica), che sono localizzati nel nucleo; gli elettroni (con carica elettrica negativa), che orbitano intorno al nucleo e sono localizzati nei livelli elettronici. 4

5 Tutta la materia è composta da elementi chimici La maggior parte della massa atomica è localizzata nel nucleo, in quanto gli elettroni sono così piccoli da essere considerati privi di massa. Particella Carica elettrica Massa atomica Localizzazione Protone +1 1 Nucleo Neutrone 0 1 Nucleo Elettrone -1 0 Livelli elettronici 5

6 Tutta la materia è composta da elementi chimici Il numero atomico indica il numero di protoni presenti nel nucleo di un elemento. Il numero di massa (massa atomica) indica il numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo di un elemento. 6

7 Tutta la materia è composta da elementi chimici Gli atomi di un elemento che presentano lo stesso numero atomico ma differiscono per la massa atomica sono definiti isotopi. Il carbonio-14 è chimicamente instabile ed emette radiazioni. Per questo motivo, esso è un «isotopo radioattivo». C 13 C C * 6 6 C * *radioattivo 7

8 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Gli elementi sono disposti nella tavola periodica in modo ordinato secondo il numero atomico. Gli elementi con caratteristiche di reattività simili sono raggruppati in gruppi e periodi. Piccola porzione della tavola periodica degli elementi. 8

9 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Gli elementi dello stesso periodo hanno lo stesso numero di livelli elettronici. Gli elementi dello stesso gruppo presentano lo stesso numero di elettroni nel livello elettronico più esterno. 9

10 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Secondo la regola dell ottetto, il livello elettronico esterno è più stabile (livello esterno completo) quando ospita otto elettroni. Fanno eccezione gli atomi che hanno un solo livello elettronico. Nel caso del primo elemento della tavola periodica, l idrogeno (H), il livello elettronico è al completo quando ospita due elettroni. 10

11 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici La molecola è la parte più piccola di un composto che ne mantiene le proprietà chimiche e fisiche tipiche. Il legame chimico è la forza che consente di tenere uniti più atomi per formare una molecola. Esistono due tipi principali di legame: legame ionico; legame covalente. 11

12 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Nel legame ionico gli elettroni vengono trasferiti da un atomo all altro. Ciò provoca la formazione di particelle atomiche caricate elettricamente, gli ioni. Gli ioni sono tenuti uniti grazie all attrazione elettrica tra cariche positive e negative. 12

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14 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Molti ioni rivestono grande importanza in tutti gli organismi viventi. Nome Simbolo Ruolo Sodio Na + Presente nei fluidi corporei; importante nella contrazione muscolare e nella conduzione nervosa. Cloro Cl - Presente nei fluidi corporei. Potassio K + Presente soprattutto all interno delle cellule; importante nella contrazione muscolare e nella conduzione nervosa. Fosfato PO 3-4 Presente nelle ossa e nei denti; componente della molecola ad alta energia ATP. Calcio Ca 2+ Presente nelle ossa e nei denti; importante nella contrazione muscolare e nella conduzione nervosa. Bicarbonato HCO 3 - Importante nel bilancio acido-base. Ioni importanti nel corpo umano 14

15 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Nel legame covalente gli elettroni vengono condivisi tra gli atomi. Nella molecola di idrogeno (H 2 ), ciascun atomo condivide un elettrone con un altro atomo. Il legame covalente è molto forte (è necessaria molta energia per spezzarlo) e può essere di due tipi: legame covalente apolare (o non polare); legame covalente polare. 15

16 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Quando la condivisione degli elettroni tra atomi è all incirca bilanciata, il legame si dice covalente apolare (o non polare). Metano (CH4) L ineguale condivisione degli elettroni crea invece un legame polare. In questo caso, gli atomi mantengono una leggera carica (positiva e negativa) e la molecola stessa viene definita polare. δ + δ - δ + Acqua (H2O) 16

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18 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Il tipo di legame che si forma tra due atomi dipende da una proprietà detta elettronegatività, che rappresenta l attrazione di un atomo per gli elettroni. Il grado di elettronegatività dipende dalla carica positiva del nucleo e dalla distanza tra il nucleo e gli elettroni. 18

19 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Il legame a idrogeno si forma quando gli atomi di idrogeno, poco elettronegativi, vengono attratti debolmente dagli atomi più elettronegativi di altre molecole. 19

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22 Importanza del legame idrogeno Se non ci fosse il legame idrogeno, l'acqua bollirebbe a circa 200 gradi di differenza rispetto alla realtà C, ben Interviene in moltissime sostanze di natura organica (es. alcoli e ammine) La struttura secondaria tipo α-elica è stabilizzata dalla formazione di legami a idrogeno tra l'idrogeno ammidico di un legame peptidico e l'ossigeno carbossilico che lo sovrasta. La struttura terziaria di alcune proteine ed enzimi viene mantenuta anche con il contributo di questo tipo di legame Alcune proteine sono formate da più subunità cioè da più catene polipeptidiche uguali o diverse tra di loro. La struttura quaternaria descrive l assemblaggio delle diverse subunità. L' emoglobina è un esempio classico di una proteina in struttura quaternaria. Le subunità sono tenute insieme da numerose interazioni idrofobiche e da diversi legami a idrogeno che rendono la struttura quaternaria assai stabile. L'accoppiamento delle basi, nel DNA, è ottenuto e in parte mantenuto, da un certo numero di opportuni legami idrogeno che si instaurano tra le coppie Adenina-Timina (2 legami idrogeno) e Guanina-Citosina (tre legami idrogeno) 22

23 Importanza del legame idrogeno 23

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25 legame H in azione nel DNA Nella parte destra della figura seguente viene rappresentata la generica struttura a doppia elica di uno spezzone di B-DNA. Nell'espanso in forma piana (a sinistra) viene illustrato l'accoppiamento delle coppie di basi (in grigio) mediante il legame idrogeno (magenta - fuchsia). Le basi sono supportate da un "Backbone" (dorsale) di molecole di zucchero (deossiribosio) collegate mediante gruppi fosfato 25

26 Energia dei 3 legami a confronto Nella immagine in basso puoi mettere a confronto le "forze" dei tre tipi di legame 26

27 Le proprietà dell acqua sono utili alla vita La coesione e l adesione mantengono le molecole d acqua unite tra loro e ad altre molecole polari importanti per la vita. Per questo motivo, l acqua è un eccellente mezzo di trasporto per i nutrienti e le sostanze di rifiuto. 27

28 Le proprietà dell acqua sono utili alla vita Grazie ai legami a idrogeno, l acqua possiede un elevata capacità termica. La tendenza dell acqua a ridurre gli sbalzi termici protegge gli organismi dai cambiamenti termici repentini. L elevato calore di vaporizzazione permette agli animali di evitare il surriscaldamento perdendo calore attraverso la sudorazione. 28

29 Le proprietà dell acqua sono utili alla vita A causa della sua polarità, l acqua è un buon solvente. È infatti in grado di sciogliere altre sostanze polari. Le molecole idrofile, come il sale, attirano l acqua. Le molecole idrofobiche, invece, non attraggono l acqua. Un sale ionico, NaCl (cloruro di sodio) in acqua si scioglie (le linee punteggiate indicano i legami a idrogeno). 29

30 Le proprietà dell acqua sono utili alla vita L acqua e il ghiaccio hanno una densità diversa. A causa della sua struttura cristallina, l acqua in forma solida è meno densa di quella in forma liquida. Ciò è dovuto alla presenza di spazi vuoti tra le molecole di ghiaccio. Il fatto che il ghiaccio galleggi sull acqua ha importanti implicazioni per la vita. Per esempio, la superficie ghiacciata di uno stagno consente agli organismi di sopravvivere nell ambiente sottostante. 30

31 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di ph ristretto L acqua è un liquido polare; quando si dissocia, l acqua pura rilascia un identico numero di ioni idrogeno (H + ) e di ioni ossidrile (OH ). Normalmente, soltanto poche molecole di acqua sono nello stato dissociato. La concentrazione degli ioni H + è uguale a quella degli ioni OH e corrisponde a 10-7 moli/litro. 31

32 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di ph ristretto L acidità è un eccesso di ioni idrogeno. ph<7 gli ioni H + sono più degli ioni OH - la soluzione è acida Un acido è una sostanza che aumenta la concentrazione di ioni H + in una soluzione. 32

33 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di ph ristretto La basicità è un eccesso di ioni ossidrile. ph>7 gli ioni H + sono meno degli ioni OH - la soluzione è basica (o alcalina) Una base è una sostanza che aumenta la concentrazione di ioni OH in una soluzione. 33

34 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di ph ristretto La scala del ph misura il grado di acidità o di basicità di una soluzione. 34

35 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di ph ristretto In tutti gli organismi viventi, il valore del ph dei fluidi corporei deve essere mantenuto entro determinati e ristretti limiti fisiologici. Per esempio, un essere umano in buona salute avrà un ph del sangue compreso tra valori del 7,35 e del 7,45. Se il ph aumenta e supera il 7,45 ci troviamo in condizione di alcalosi del sangue, se scende sotto il 7,35 in condizione di acidosi. 35

36 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di ph ristretto Un tampone è una sostanza (o più spesso una combinazione di sostanze) che aumenta la resistenza ai cambiamenti del ph quando in una soluzione vengono aggiunti o sottratti ioni OH e H +. Il sistema acido carbonico/bicarbonato è il sistema tampone che mantiene il ph del sangue entro limiti fisiologici. - H2CO3 HCO3 + H + acido carbonico bicarbonato 36

37 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di ph ristretto Vediamo più nel dettaglio come funziona il sistema acido carbonico/bicarbonato. Quando una base rilascia ioni OH nel sangue, essi si combinano con gli ioni H + provenienti dalla dissociazione dell acido carbonico, formando acqua (H2O). OH - + H + H2O Quando, invece, un acido rilascia ioni H + nel sangue, essi si combinano con il bicarbonato e si riforma l acido carbonico. - HCO3 + H + H2CO3 37

38 Le deposizioni acide hanno effetti dannosi sui viventi e sull ambiente Le deposizioni acide hanno un ph inferiore a 5 e si formano quando una sostanza inquinante, come l anidride solforosa (SO2), si combina con l acqua. Questa reazione provoca la formazione di sostanze acide nocive, come l acido solforico. 38