Capitolo 2 La chimica della vita
Atomi e molecole 2.1 Le proprietà caratteristiche dei viventi si possono osservare a ogni livello della loro struttura gerarchica Le strutture biologiche hanno un organizzazione gerarchica D. Organo: muscolo delle ali C. Cellule e tessuti: Cellule muscolari all interno del tessuto muscolare B. Organulo: miofibrilla (solo nelle cellule muscolari) Actina Miosina Figura 2.1 A. Molecola: actina Atomo
Atomi e molecole 2.2 La vita richiede circa 25 elementi che si possono combinare tra loro per formare i composti Per la vita sono fondamentali circa 25 differenti elementi chimici (sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze mediante mezzi chimici tradizionali).
Carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto sono i quattro elementi fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente. Tabella 2.2
Gli elementi in tracce (oligoelementi) sono essenziali almeno per alcuni organismi, ma soltanto in minime quantità. Certi oligoelementi, come il ferro, sono indispensabili per tutte le forme di vita, mentre altri lo sono solo per alcune specie.
Gli oligoelementi sono additivi comuni di cibo e acqua. Carenze alimentari in alcuni oligoelementi possono causare diverse condizioni fisiologiche. Per esempio, una carenza o un eccesso di iodio impediscono il normale funzionamento della ghiandola tiroide, provocandone l ingrossamento (gozzo). Figura 2.2A
Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per formare i composti. Un composto è una sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso. Figura 2.2C Sodio Cloro Cloruro di sodio
2.3 Gli atomi sono formati da protoni, neutroni ed elettroni L atomo (il cui nome deriva dalla parola greca àtomos che significa «indivisibile») è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un elemento.
Le particelle subatomiche Un atomo è costituito da protoni e neutroni situati in un nucleo centrale. Il nucleo è circondato da elettroni organizzati in gusci elettronici. + + 2e + + Nuvola elettronica Nucleo 2 2 + Protoni Neutroni Numero di massa = 4 Figura 2.3A 2 Elettroni
La diversità tra elementi Gli atomi di ciascun elemento sono caratterizzati da uno specifico numero di protoni, che rappresenta il numero atomico. Nuvola elettronica 6e + + Nucleo 6 6 + Protoni Neutroni Numero di massa = 12 Figura 2.3B 6 Elettroni
Gli isotopi Il numero di neutroni in un atomo può variare. Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi dette isotopi. Alcuni isotopi sono radioattivi. Tabella 2.3
COLLEGAMENTI 2.4 Gli isotopi radioattivi possono essere utili ma anche pericolosi La ricerca scientifica I biologi spesso usano i traccianti radioattivi per seguire le trasformazioni chimiche subite dalle molecole negli organismi.
La diagnostica medica I traccianti radioattivi sono spesso usati nella diagnostica medica in combinazione con sofisticate strumentazioni per la realizzazione di immagini. Figura 2.4A Figura 2.4B
I pericoli della radioattività Nonostante le loro molteplici applicazioni positive, l esposizione incontrollata agli isotopi radioattivi può essere nociva per gli organismi viventi. Le particelle e l energia emesse dagli atomi radioattivi possono spezzare i legami originari tra gli atomi, formandone altri. Questi processi possono danneggiare molecole importanti all interno dell organismo (in particolare, il DNA).
2.5 La configurazione elettronica di un atomo ne determina le proprietà chimiche Gli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettronici che possono contenere numeri diversi di elettroni. Elettrone Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni) Guscio elettronico più interno (può contenere fino a 2 elettroni) Idrogeno (H) Numero atomico = 1 Figura 2.5 Carbonio (C) Numero atomico = 6 Azoto (N) Numero atomico = 7 Ossigeno (O) Numero atomico = 8
Quando due atomi con un guscio elettronico incompleto reagiscono, ciascuno di essi mette in comune (cede oppure riceve) elettroni, in modo da occuparlo completamente. Queste interazioni solitamente fanno sì che gli atomi vengano tenuti insieme da forze di attrazione chiamate legami chimici.
2.6 I legami ionici sono interazioni che si stabiliscono tra ioni di carica opposta Quando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creano atomi carichi chiamati ioni. Trasferimento di elettroni + Na Cl Na Cl Na Atomo di sodio Cl Atomo di cloro Na + Ione sodio Cl Ione cloro Figura 2.6A Cloruro di sodio (NaCl)
Due ioni aventi cariche opposte si attraggono. Se l attrazione è abbastanza forte, si forma un legame detto legame ionico. Per esempio, gli ioni sodio e gli ioni cloro si legano per formare il cloruro di sodio, il comune sale da cucina. Na + Cl Figura 2.6B
2.7 Mediante i legami covalenti gli atomi condividono elettroni formando molecole Nei legami covalenti due atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni poste sui loro livelli energetici più esterni, formando molecole. Le molecole possono essere rappresentate in molti modi. Tabella 2.7
2.8 Le reazioni chimiche consentono alle sostanze di ricombinarsi In una reazione chimica i reagenti (materiali di partenza) interagiscono, cambiano l organizzazione degli atomi e formano il prodotto finale. Figura 2.8A 2 H 2 O 2 2 H 2 O
Nelle cellule viventi avvengono migliaia di reazioni chimiche che trasformano la materia. Per esempio, il beta-carotene viene convertito in vitamina A. CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 H 2 C C CH C CH C CH CH CH CH CH C C CH 2 CH 2 H 2 C C CH 3 CH 3 CH 3 H CH C CH C C H CH 2 C CH CH CH CH CH C CH C CH C CH 2 O 2 4H 2 CH 2 C CH CH CH CH OH H 2 C C CH 3 CH 3 CH 3 H 2 C C CH 3 CH 3 Beta-carotene CH 3 CH 3 Vitamina A (2 molecole) Figura 2.8B
Le proprietà dell acqua 2.9 La molecola dell acqua è polare Una molecola è non polare quando i suoi atomi legati da legame covalente condividono gli elettroni equamente. In un legame covalente polare la condivisione degli elettroni tra gli atomi è asimmetrica e crea una molecola polare (dotata cioè di poli con cariche parziali opposte). ( ) ( ) O H H Figura 2.9 (+) (+)
2.10 La polarità della molecola dell acqua consente la formazione del legame idrogeno Le estremità cariche delle molecole d acqua vengono attratte dalle estremità dotate di carica opposta delle molecole vicine. Questa attrazione forma legami deboli chiamati legami idrogeno. ( ) Legame idrogeno (+) H O ( ) (+) ( ) (+) H (+) ( ) Figura 2.10A
2.11 I legami idrogeno sono responsabili della coesione dell acqua Grazie ai legami idrogeno, le molecole d acqua possono spostarsi dalle radici alle foglie di una pianta. Gli insetti riescono a camminare sull acqua grazie alla tensione superficiale creata dalla coesione delle molecole d acqua. Figura 2.11
2.12 I legami idrogeno regolano la temperatura dell acqua La capacità dell acqua di immagazzinare calore regola la temperatura del corpo e il clima.
Per rompere i legami idrogeno serve energia (la rottura dei legami è accompagnata da assorbimento di calore). Per questo, l acqua è in grado di assorbire una grande quantità di calore senza un grande aumento nella temperatura. Mentre l acqua si raffredda, un piccolo calo nella temperatura libera una grande quantità di calore.
Quando una molecola d acqua evapora, assorbe energia. Questo permette il raffreddamento (abbassamento di temperatura) per evaporazione. Figura 2.12
2.13 Il ghiaccio è meno denso dell acqua allo stato liquido I legami idrogeno tengono insieme le molecole nel ghiaccio in modo meno denso che nell acqua allo stato liquido. Legame idrogeno Figura 2.13 Ghiaccio I legami idrogeno sono stabili Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente
Il ghiaccio è meno denso dell acqua allo stato liquido ed è per questo che galleggia. Il fatto che il ghiaccio galleggi, protegge i laghi e gli oceani dal congelamento solido.
2.14 L acqua è un solvente versatile I soluti polari o carichi si sciolgono quando le molecole d acqua li circondano, formando soluzioni acquose. Figura 2.14 Cl Na + Ioni in soluzione + + + Na + Cl + + + + Cristallo di sale
2.15 La chimica della vita è influenzata dall acidità e dalla basicità Un composto chimico che cede ioni H + a una soluzione è un acido. Un composto che è in grado di accettare ioni H + rimuovendoli da una soluzione è una base. L acidità è misurata sulla scala del ph che va da 0 (massima acidità) a 14 (massima basicità).
La scala del ph: Scala del ph 0 H + H+ H + OH H + OH H + H + H + H + Soluzione acida ACIDITÀ in aumento 1 2 3 4 5 Succo di limone, succhi gastrici Succo di pompelmo Succo di pomodoro Figura 2.15 OH OH H + H + OH OH OH H + H + H + Soluzione neutra OH OH OH H + OH OH OH OH Soluzione basica NEUTRALITÀ [H + ]=[OH ] BASICITÀ in aumento 6 7 8 9 10 11 12 13 H + 14 Urina Acqua pura Sangue umano Acqua di mare Bicarbonato Ammoniaca per uso domestico Candeggina per uso domestico Schiuma detergente per f orni Acqua
Il ph della maggior parte delle cellule è tenuto vicino a 7 (neutro) dalle sostanze tampone. Le sostanze tampone contrastano i cambiamenti di ph (accettando ioni H + quando sono presenti in eccesso e cedendoli se la loro concentrazione diventa troppo bassa).