Il Livello Chimico di Organizzazione

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1 Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Course (095857) Introduction to Green and Sustainable Chemistry Il Livello Chimico di Organizzazione Prof. (e Dr.ssa Ada Truscello) Dept. CMIC

2 Riassunto Atomi e Molecole Struttura dell atomo Elettroni Legami Notazione Chimica Reazioni Chimiche Concetti base sull energia Tipi di reazioni Acidi e basi ph Composti Inorganici Biossido di Carbonio e ossigeno Acqua Acidi e basi Sali Composti Organici ATP Carboidrati Lipidi Proteine Acidi Nucleici

3 Materia, Elementi e Atomi Materia: qualunque cosa che occupa spazio e possiede massa 3 stati di aggregazione Solido Liquido Gas Tutta la materia è composta da elementi Non si possono rompere (a bassa T) Il componente minimo di un elemento è l atomo Ogni elemento ha un unico simbolo chimico e n 0 n 0 p + p + 2p + Helium (He) e L Atomo è costituito da 3 particelle subatomiche Protoni Neutroni Elettroni

4 Struttura dell Atomo Protoni e neutroni si trovano nel nucleo (d = m) Gli elettroni occupano una nuvola elettronica (strato) esterno (d = m) Queste particelle caratterizzano le dimensioni dell atomo (Å) e la reattività chimica (cinetica e termodinamica). e p + (a) Nuvola elettronica o Modello «space filling» (b) Modello a strato elettronico

5 Struttura dell Atomo ed Elementi Numero Atomico = Z = # di protoni ed anche # di elettroni in un atomo neutro. Numero di Massa = A = # p + # n Gli atomi che differiscono per A ma hanno lo stesso Z sono chiamati isotopi ( ) C, C, C Gli Elementi rappresentano la distribuzione naturale degli isotopi. A (1) Cl = (0.758) 35 Cl + (0.242) 37 Cl Z

6 Elettroni e Strati Elettronici Solo gli elettroni dello strato più esterno interagiscono (formando legami)! Se lo strato esterno è pieno, l elemento è stabile a bassa T (He) Se lo strato esterno non è pieno, l elemento è instabile e si lega Il primo strato ospita 2 elettroni Il secondo strato ne ospita 8 Secondo strato elettronico Elettrone Primo strato elettronico (a) Atomo di Carbonio (6p +, 6n 0, 6e ) (b) Atomo di Neon (10p +, 10n 0, 10e )

7 Molecole e Composti Gli Atomi si stabilizzano mediante: Condivisione di elettroni Acquisto di elettroni Perdita di elettroni Ciò corrisponde ad una reazione chimica Molecole e composti ne sono il risultato Gli Elementi Molecolari sono strutture chimiche contenenti 2 o più atomi dello stesso elemento Per Es.: O 2, O 3, S 8 I Composti contengono 2 o più atomi di diversi elementi Per es.: H 2 O, CH 3 COOH, H 2 NCH 2 COOH

8 Importanti Concetti sui Legami Chimici Tutti gli atomi tendono a raggiungere uno stato stabile! Stabilità significa raggiungere la configurazione a 8 elettroni nello strato esterno per gli atomi dei primi periodi e 18 per i successivi A meno che non riempiano il primo strato (2 elettroni) (o gli orbitali d e f) Gli Opposti si attraggono! (per es. Ioni: Na + Cl ) Gli atomi sono elettricamente neutri! (N p + = N e ) 3 tipi di legami Ionico Covalente Polare Apolare Metallico Interazioni Legami a idrogeno, Van der Waals e altri

9 Legami Ionici Gli ioni sono atomi con una carica positiva o negativa Anioni Ioni con carica negativa L atomo guadagna un elettrone (accettore di elettroni) Più elettroni che protoni Stadio 1: Formazione Cationi di ioni Ioni con carica positiva L atomo perde un elettrone (datore di elettroni) più protoni che elettroni I legami ionici sono legami polimerici tra molti anioni e molti cationi Per es.: NaCl, KCl Atomo di Sodio Ione Sodio Na + Stadio 2: Attrazione tra cariche opposte Stadio 3: Formazione di un composto ionico Cloruro di Sodio (NaCl) (a) Atomo di Cloro Ione Cloruro Cl Ione Cloruro Cl (b) Cristallo di Cloruro di Sodio Ione Sodio Na +

10 Legami Covalenti Formano un legame scambiando elettroni Legame covalente Singolo Legame covalente Doppio (triplo) Scambiano una copia di elettroni Scambiano due (o tre) coppie di elettroni MODELLO A STRATO ELETTRONICO E FORMULA STRUTTURALE MODELLO A RIEMPIMENTO SPAZIALE Idrogeno Nitrogen Azoto (N 2 ) N N Biossido carbonio

11 Legami Covalenti Legami covalenti apolari Gli elettroni sono ugualmente condivisi Atomi di carbonio Creano strutture complesse di numerosi atomi negli organismi Tipicamente simmetrico (non polare) Legami covalenti polari Scambio diseguale di elettroni L acqua ne è un grande esempio Tipicamente contengono atomi elettronegativi, quali O, N, F

12 Interazioni: Legami ad Idrogeno Semplice interazione non un vero legame chimico. Debole (20-60 kj mol -1 ) Attrazione tra atomi di idrogeno di una molecola e atomi parzialmente carichi negativi di altre molecole (è essenzialmente elettrostatico) Non genera molecole Altera la forma di molecole L acqua è l esempio tipico Spiega l elevata tensione superficiale di H 2 O

13 Regole di Notazione Chimica L abbreviazione dell elemento rappresenta 1 atomo Il numero (#) prima dell abbreviazione dell elemento indica più di 1 atomo Una freccia suddivide a sinistra i Reagenti e a destra i Prodotti (reagenti e prodotti hanno formule chimiche diverse att. Isomeri!) Gli apici indicano uno ione + = perdita di 1 elettrone (Na + ione sodio) - = guadagno di 1 elettrone (Cl ione cloruro) ecc. Le reazioni chimiche devono essere bilanciate : La massa non cambia in una reazione chimica gli atomi in materie prime e in scarti sono gli stessi e sono quindi perfettamente riusabili!

14 Reazioni Chimiche Si hanno quando i legami tra atomi si spezzano e gli atomi si traspongono in nuove combinazioni Hanno un ruolo importante Consentono di ottenere prodotti non stabili inesistenti in natura Forniscono energia (combustione, glicolisi) Il metabolismo è l insieme delle reazioni chimiche che avvengono in un orgasmo vivente. Una reazione particolarmente importante è C 6 H 12 O 6 6CO 2 + 6H 2 O + ATP 3 tipi generali di reazioni importanti in biochimica: Reazioni di decomposizione Reazioni di sintesi Reazioni di scambio

15 Concetti di Base sull Energia Lavoro: movimento o variazione nella struttura fisica della materia Energia: capacità di compiere lavoro Energia cinetica Energia associata al movimento (rilasciata) E = ½(mv 2 ) Energia potenziale Energia accumulata (in un campo di forze, in legami, ecc.) Altre forme (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare, calore) Si trasforma facilmente da una forma all altra Una forma importante di rilascio di energia è il calore L'Energia è anche associata a variazioni di configurazioni del sistema (entropia)

16 Reazioni di Decomposizione (C 6 H 10 O 5 ) n + n H 2 O n C 6 H 12 O 6 Catabolismo L energia è rilasciata nella reazione di depolimerizzazione idrolitica. Glicogeno Molecole di glucosio Esempio di reazione di decomposizione: rottura idrolitica del glicogeno con rilascio di unità di glucosio

17 Reazioni di Sintesi A + B AB + H 2 O Anabolismo Dell energia è immagazzinata nei legami della macromolecola. Amminoacidi Molecola di proteina Esempio di reazione di sintesi: degli amminoacidi sono legati in sequenza per formare una molecola di proteina

18 Reazioni di Scambio AB + CD AD + CB Reazioni di decomposizioni e sintesi. Scambio di atomi o gruppi. Reazione esotermica ( H < 0) Se i legami nei prodotti hanno E leg superiore a quella dei reagenti L energia è rilasciata sotto forma di calore Reazioni endotermiche ( H > 0) Se i legami nei prodotti hanno E leg inferiore a quella dei reagenti Si deve fornire e assorbire energia (calore) dal sistema Reazioni Spontanee : ( G < 0) : la reazione avviene spontaneamente da reagenti a prodotti (non si sa in quanto tempo!!); la reazione inversa avviene solo se si fornisce energia.

19 Acidi e Basi (secondo Brönsted) Acido: una sostanza che dissocia rilasciando ioni H + Acidi forti dissociano completamente HCl + H 2 O H 3 O + + Cl Acidi deboli dissociano solo parzialmente HCOOH + H 2 O a H 3 O + + HCOO Base: una sostanza che sottrae ioni idrogeno dalla soluzione o dissocia a dare ioni ossidrile (OH ) Basi forti dissociano completamente Basi deboli dissociano solo parzialmente NaOH + H 2 O Na + + OH NH 3 + H 2 O a NH OH

20 ph Misura la concentrazione di [H + ] in un mezzo acquoso (ph = -log[h + ]) Se elevata, altera le strutture e le funzioni di sistemi biologici Il ph varia tra 0-14; il mezzo è neutro se ph = 7 (acqua distillata) ph sotto 7 = acido; ph sopra 7 = basico Le cellule in sistemi biologici devono mantenere il ph in uno specifico intervallo attorno a 7 (per es. Il sangue è tamponato tra ) Tamponi: Combinazione di un acido e la sua base coniugata che stabilizzano il ph rimuovendo o fornendo ioni idrogeno. Per esempio, Acido Acetico (CH 3 COOH) e ione acetato (CH 3 COO ).

21 Biochimica Nutrienti: elementi e molecole essenziali Metaboliti: tutte le molecole sintetizzate o degradate in reazioni chimiche in un organismo vivente Si classificano in base al tipo di atomo e complessità dell aggregato: Composti Inorganici (tutte le combinazioni di elementi senza C); Composti di coordinazione (combinazioni di atomi organizzate attorno ad atomi centrali metallici); Composti Organici (tutte le combinazioni di scheletri di atomi C contenenti anche elementi importanti (H, O, N, P, S, Cl); Composti organometallici (tutte le combinazioni di scheletri di atomi C contenenti anche elementi metallici).

22 Composti Inorganici Elementi e Metalli Biossido di Carbonio (CO 2 ) Ossigeno (O 2 ) Acqua (H 2 O) e acqua ossigenata (H 2 O 2 ) Acidi inorganici (HCl, HNO 3, H 2 SO 4, H 3 PO 4 ) e basi (NaOH, NH 3, NH 2 NH 2 Sali (NaCl, Na 2 CO 3, NaH 2 PO 4, ecc.) Metalli e leghe metalliche Complessi Inorganici e clusters Polimeri inorganici (diamante, SiO 2, Silicati, Fosforo rosso, ecc.) Materiali inorganici Composti organometallici

23 Biossido di Carbonio e Ossigeno Biossido di Carbonio Prodotto dalle cellule tramite attività metabolica (fermentazione al.) C 6 H 12 O 6 2 CH 3 CH 2 OH + 2H 2 O + ATP (*) Si sposta nel sangue fino ai polmoni, dove viene rilasciato. Reagisce con acqua a dare acido carbonico e suoi ioni (il processo è lento! Catalisi dell enzima anidrasi carbonica) CO 2 + H 2 O a H 2 CO 3 a H + + HCO 3 a H + + CO 32 Ossigeno Prodotto dalle piante tramite la fotosintesi 6CO 2 + 6H 2 O + luce (E) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Usato per processi di combustione e nella respirazione: (*) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + ATP

24 Acqua (H 2 O) e sue Proprietà Costituisce il 60-80% in volume delle cellule Tutti i sistemi biologici sono dipendenti dall acqua Proprietà importanti Eccellente solvente per composti ionici e molecole ad elevata polarità Capacità termica (calore specifico) molto elevata Reagente essenziale per molte reazioni metaboliche Soluzioni Solvente vs. soluto L acqua tramite il fenomeno della solvatazione rompe i legami ionici allontanando gli ioni di segno opposto (alta costante dielettrica)

25 Solvatazione di Ioni e Dissociazione di Composti Ionici Polo Negativo Sfere di solvatazione di molecole d acqua Polo Positivo Molecola d acqua Soluzione di cloruro di sodio (NaCl)

26 Acidi e Basi Inorganici Molti acidi inorganici si trovano nelle cellule di organismi viventi. I più importanti sono: Acido carbonico (H 2 CO 3 pk a1 = 6.35; pk a2 = 10.33)* Acido solforico (H 2 SO 4 pk a1 = strong; pk a2 = 1.92)* Acido fosforico (H 3 PO 4 pk a1 = 2.16; pk a2 = 7.21; pk a3 = 12.32)* Acido cloridrico (HCl; strong) Acido nitrico (HNO 3 pk a = strong) Acido silicico (H 4 SiO 4 e i suoi oligomeri, tutti deboli) Acido solfidrico (H 2 S pk a1 = 7.00; pk a2 = > 14)* Tra le basi rilevanti le più importanti sono: Ammoniaca (NH 3 pk b = 4.74)* Molti anioni (per es. HCO 3, H 2 PO 4, HPO 2 4 ) * a 20 C

27 Sali Un composto ionico formato da qualsiasi catione (eccetto H + ) e qualsiasi anione (eccetto OH - ) Per es. NaCl, CaCO 3, Ca 3 (PO 4 ) 3, CaSO 4, Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 (Talco) Si dissociano in acqua (più o meno in funzione del loro K ps ) NaCl + n (H 2 O) Na + (id) + Cl (id) Nelle cellule tali composti si indicano come elettroliti Conducono la corrente elettrica in soluzione Devono essere mantenuti in intervalli di concentrazione adeguati In soluzione i cationi non sono legati agli anioni per cui l identità del sale non è evidente se non quando questi si separano per raggiunti limiti di solubilità.

28 Composti Organici Contengono H, C e altri elementi Sono caratterizzati da legami covalenti C-C e C-H forti. Carboidrati Monosaccaridi Disaccaridi Polisaccaridi Lipidi Acidi grassi Grassi Steroidi Fosfolipidi Proteine Funzione delle Proteine Struttura delle Proteine Enzimi Acidi Nucleici Struttura Funzioni ATP Metaboliti secondari

29 Principali Composti Organici in Sistemi Viventi COMPOSTI ORGANICI Carboidrati Lipidi Proteine includono includono composte da Acidi Nucleici includono Composti ad Alta Energia includono Polisaccaridi Trigliceridi Peptidi RNA DNA ATP contengono Disaccaridi Acidi grassi composti da composti da Ammino acidi composti da composto da Nucleotide Nucleotidi composti da due Monosaccaridi e e Glicerolo Gruppi Fosfato

30 Carboidrati Rapporto 1:2:1 di atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno Principale fonte di energia per dismutazione o ossidazione con O 2 Costituiscono solo il 3% del peso totale del corpo umano! 3 principali tipi Monosaccaridi Disaccaridi Polisaccaridi Monosaccaridi: zuccheri semplici contenenti 3-7 C. Glucosio (il combustibile più importante nel corpo), fruttosio, ecc. H HO H H HC C C C C C H 2 O OH H OH OH OH H H OH HO H OH O OH (a) (b) (c) H OH H O

31 Disaccaridi Formati da 2 zuccheri semplici per reazione di condensazione con eliminazione di acqua Saccarosio, lattosio, maltosio Si possono idrolizzare con acqua a formare zuccheri semplici Sintesi per disidratazione Glucosio Fruttosio Saccarosio (a) Nel corso della condensazione si legano due molecole per rimozione di una molecola d acqua. Idrolisi Saccarosio Glucosio Fruttosio (b) L idrolisi inverte il processo; la molecola complessa viene spezzata per aggiunta di una molecola d acqua.

32 Polisaccaridi Nelle piante Amido Cellulosa Pectine Polisaccaridi complessi Molecole di glucosio Negli animali glicogeno Lunghe catene di glucosio Non si scioglie in acqua Immagazzinato in fegato e muscoli Idrolizzato in glucosio quando serve come combustibile Polisaccaridi complessi (c) Glicogeno, un polisaccaride ramificato di molecole di glucosio è immagazzinato nelle cellule dei muscoli e del fegato

33 Lipidi Contengono H, O, C, P, S, o N Grassi, oli, Cere Insolubili in acqua Costituiscono componenti strutturali essenziali delle cellule Servono come riserva energetica Forniscono il doppio di energia de carboidrati 12% del peso corporeo Si dividono in acidi grassi e grassi, steroidi, fosfolipidi terpeni

34 Acidi Grassi Lunghe catene idrocarburiche con in fondo un gruppo COOH FA Saturi Tutti i carboni sono saturi (singoli legami covalenti C-C) FA Insaturi Contengono C saturi ma anche doppi legami tra i Carboni Meno atomi di Idrogeno Hanno un ruolo essenziale come riserva di energia e come costituenti delle pareti cellulari. Saturo Insaturo (a) Acido laurico (C 12 H 24 O 2 ) (b)

35 Grassi Trigliceridi 1 molecola di glicerolo e 3 di acidi grassi Sono deputati allo stoccaggio dell energia Acido grasso 1 Saturo Acido grasso 2 Saturo condensazione Acido grasso 3 Insaturo Idrolisi Glicerolo

36 Steroidi Colesterolo Si trova in: H 3 C H 3 C H H Membrane cellulari H 3 C H Ormoni HO H H Estrogeni e testosterone H Deriva da: Dieta Fegato

37 Fosfolipidi Sono fatti da digliceridi e gruppi fosfato Hanno regioni polare e nonpolari Compongono le membrane cellulari Gruppi nonlipidici Gruppo fosfato Glicerolo Acidi grassi

38 Proteine Abbondanti e diverse 100,000 differenti tipi nel corpo 20% del peso corporeo Contengono C, H, O, N, e dello S Funzione Struttura Enzimi

39 Funzioni delle Proteine Supporto Movimento Trasporto Tamponamento Regolazioni Metaboliche Coordinazione, comunicazione e controllo Difesa

40 Struttura delle Proteine Composti di catene di amminoacidi Tipiche proteine contengono 1000 amminoacidi Le più grandi contengono 100,000 aa o più Il legame peptidico interconnette gli aa Dipeptide polipeptide Carbonio centrale Gruppo ammino Gruppo R Gruppo acido carbossilico (a) Struttura di un amminoacido Condensazione Idrolisi Glicina (gly) Alanina (ala) (b) Formazione del legame peptidico Legame peptidico

41 Struttura delle Proteine La forma di una proteina dipende dall interazione degli amminoacidi : Gruppo R Legami a idrogeno Solvatazione di molecole d acqua Forma = funzione!!!! Piccole variazioni nella struttura possono cambiare le funzioni! Modifiche: Sostituzione di un amminoacido Temperatura ph Denaturazione Se la temperatura è troppo alta, le proteine perdono la loro forma e non hanno più le loro funzioni Se il fenomeno continua, ne consegue la morte

42 Struttura delle Proteine: Proteine Globulari vs. Fibrose (a) Catena polipeptidica Subunità di proteina globulare (b) Mioglobina (c) Emoglobina (d) Fibre di cheratina

43 Enzimi e Reazioni Chimiche La maggior parte delle reazioni chimiche non avviene spontaneamente o così lentamente che saremmo già tutti morti! Gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni Si rigenerano nel corso della reazione. Substrati of Sito attivo ENZIMA Stadio 1: I substrati si legano al sito attivo dell enzima Azione di un Enzima Complesso enzima-substrato

44 Acidi Nucleici Costituenti: C, H, O, N, P Immagazzinano ed elaborano le informazioni a livello molecolare Si trovano nelle cellule 2 tipi principali DNA (ac. deossiribonucleico) RNA (ac. ribonucleico) Composti da nucleotidi 3 componenti Zucchero Gruppo fosfato Base azotata Deossiribosio Gruppo fosfato Timina Adenina Legame a idrogeno Adenina Guanina Citosina Timina (DNA) Uracile (RNA) (a) molecola di RNA (b) molecola di DNA

45 Composti ad Alta Energia L energia è ottenuta dal catabolismo di composti organici (glucosio) I legami sono ad alta energia Covalenti; immagazzinano grandi quantità di energia ATP (adenosina trifosfato) Generato dall ADP (adenosina difosfato)