I COMPONENTI ELEMENTARI DELLA MATERIA VIVENTE L acqua ed il carbonio Psicobiologia Lezione nr. 2
I componenti elementari della materia vivente 23 Bioelementi Microelementi Oligoelementi Scarse percentuali ma componenti obbligati ed ubiquitari (es. Fosforo, Calcio etc..) Macroelementi Idrogeno Carbonio Ossigeno Azoto Presenti solo in parte nella materia vivte ma compiti essenziali (es. Ferro nel corpo umano)
L acqua
L acqua è l elemento più presente in natura e la totalità degli esseri viventi sono composti d acqua in una buona percentuale Umani 70% Neonato 80% Medusa 90%
La convinzione che l'acqua fosse un elemento primitivo e indivisibile si protrasse fino agli ultimi decenni del XVIII secolo, quando gli scienziati Lavoisier e Cavendish scoprirono che questa sostanza è formata in realtà da due costituenti: idrogeno e ossigeno. Nel 1742, Anders Celsius definì la scala di temperatura che prende il suo nome, ponendo il punto di fusione dell'acqua (alla normale pressione atmosferica) a 0 gradi ed il punto di ebollizione a 100 gradi. La prima scomposizione dell'acqua in idrogeno e ossigeno (i suoi componenti elementari) fu eseguita nel 1800 dal chimico inglese William Nicholson, tramite il processo di elettrolisi.
Struttura molecolare dell acqua L acqua è un dipolo con la carica negativa interamente posizionata verso l atomo di ossigeno e le cariche positive verso i due atomi di idrogeno. Questo fa si che l acqua possa legare facilmente legami a idrogeno.
Per via della debolezza dei legami idrogeno le molecole dell acqua allo stato liquido sono tenute insieme fra loro ma allo stesso tempo si dividono fra loro costantemente, formando nuovi legami con altre molecole d acqua. All aumentare della temperatura i legami idrogeno vengono invece totalmente eliminati e l acqua passa allo stato gassoso. Figura 1.10 Libro basi biologiche All abbassarsi della temperatura le molecole si fermano per via della mancata agitazione termica ed i legami idrogeno rimangono stabili fra loro, portando alla formazione del ghiaccio. Poiché la lunghezza dei legami idrogeno «cristallizzati» del ghiaccio è superiore a quella dei legami durante lo stato liquido, il ghiaccio risulta essere meno denso dell acqua allo stato liquido.
Il gran numero di legami idrogeno è anche il responsabile di altre due importanti caratteristiche dell acqua: La coesione consente alle masse d acqua di muoversi insieme, anche in direzione antigravitazionale La tensione superficiale dovuta all orientamento dei legami H della superfice acquosa, consente alla superfice dell acqua di avere uno strato molecolare più compatto
Struttura molecolare dell acqua guscio di idratazione potere solvente di molecole polari potere ionizzante, i.e. capacità di scindere i legami ionici liberando i singoli ioni che diventano così ioni idratati
Sostanze idrofobe e legami idrofobi
Dissociazione dell acqua In una soluzione acquosa, raramente può accadere che un legame H, vince la forza di un legame covalente, rubando il protone di un H, portando alla formazione di: Ione Idronio H 3 O + H + Ione Ossidrile OH -
In una soluzione acquosa la reazione di dissociazione si mantiene in equilibrio, ovvero la concentrazione degli ioni positivi e negativi è uguale fra loro e risponde al valore di 10 elevato alla -7, tale valore può essere riportato tramite il suo logaritmo in base 10, cambiato di segno e quindi uguale a 7! Tale valore viene definito ph e definisce la condizione di neutralità assoluta di una soluzione acquosa. Figura 1.12 Libro basi biologiche
Il ph, le soluzioni acide e basiche Se però nell acqua vengono disciolte sostanze (dette acidi) capaci di rilasciare ioni idrogenioni H+ allora il valore degli H+ supererà il valore degli OH- ed il valore del ph diverrà minore di 7. Al contrario, se verranno introdotte sostanze (dette basi o basiche) che rilasciano OH- o in grado di abbassare la concentrazione degli H- il ph salirà a valori maggiori di 7. Di norma l interno delle cellule è mantenuto in condizione di leggera basicità (ph 7,2-7,4) Figura 1.12 Libro basi biologiche
Il carbonio È un elemento non metallico, insolubile nei solventi, inodore e insapore. Le sue differenti forme (o più precisamente "allotropi") includono uno dei più morbidi (grafite) e dei più duri (diamante) materiali conosciuti. Inoltre, ha una grande affinità per i legami chimici con atomi di altri elementi a basso peso atomico (tra cui il carbonio stesso) e le sue piccole dimensioni lo rendono in grado di formare legami multipli (proprietà che viene definita "desmalusogenia"). Queste proprietà permettono l'esistenza di 10 milioni di composti del carbonio. Il carbonio si trova in tutte le forme di vita organica ed è la base della chimica organica. Sebbene l'isotopo più comune sia il carbonio-12 (il cui nucleo è formato da 6 protoni e 6 neutroni), l'isotopo carbonio-14 è anch'esso di fondamentale importanza per le sue applicazioni pratiche, essendo comunemente usato per la datazione radioattiva di antichi reperti.
Il carbonio Struttura atomica del carbonio Legami covalenti rotazionali Macromolecole
La prima forma strutturale corretta fu proposta nel 1865 dal chimico tedesco Friedrich August Kekulé von Stradonitz.
Nel 1984 i biochimici John Wotiz, dell'università dell'illinois, e Susanna Rudofsky, dell'università di Chicago, vollero tuttavia approfondire il motivo che aveva spinto Kekulé a un silenzio di 25 anni sul suo metodo di ricerca. Avuta l'autorizzazione da Klaus Hafner, direttore degli archivi di Kekulé all'università di Darmstadt, i due biochimici trovarono una lettera scritta nel 1854 ad un editore tedesco, in cui lo scienziato proponeva la traduzione e la pubblicazione di un saggio del chimico francese Auguste Laurent. Inoltre, trovarono una pubblicazione del 1858 in cui sempre Kekulé citava di nuovo il saggio di Laurent, ed in particolare pagina 408: il saggio non verrà più citato in alcun modo dallo scienziato tedesco. Wotiz e Rudofsky cercarono il saggio di Laurent, lo trovarono, e a pagina 408 scoprirono che il chimico francese proponeva per il cloruro di benzoile una formula di struttura esagonale. Quindi, quando nel 1866 Kekulé rese pubblica la formula, in realtà già la conosceva da 12 anni. Ciò non toglie nulla alla grandezza dello scienziato tedesco, ma di sicuro rende la storia del "serpente di Kekulé" solamente una leggenda edificante
Il carbonio La grande versatilità del C fa si che molecole policarboniose formate dagli stessi atomi possa esistere in diverse forme dette isomeri Le forme isomeriche possono essere: Di struttura Ottica Geometrica
Isomeri di struttura Di struttura Ottica Geometrica Le molecole sono costituite dagli stessi atomi, ma differiscono per la loro diversa disposizione Figura 1.18 Libro basi biologiche
Isomeri ottici enantiomeri Di struttura Ottica Geometrica L atomo di carbonio si lega a 4 atomi tutti differenti fra loro e per ragioni puramente geometriche si dispongono in maniera l una speculare all altra. Essi sono distinguibili l uno dall altro per la capacità di ruotare verso destra (isomero destrogiro D) o verso sinistra (isomero levogiro L)
Isomeri gemometrici Di struttura Ottica Geometrica Isomero cis ed isomero trans. Cis ha i sostituenti sullo stesso piano, trans su piani opposti.
I gruppi funzionali Data la grandezza delle molecole biologiche, è bene definire alcuni gruppi molecolari molto frequenti, che costituiscono spesso lo scheletro delle macromolecole. In genere questi gruppi si formano grazie all aggiunta di ossigeno ed azoto a delle catene policarboniose. Il gruppo funzionale spesso «dona» le sue caratteristiche chimiche alla molecola che va a costituire. E cosa ancora più importante, può costituire delle estremità reattive sulla molecola che le consentono di legarsi ad altre molecole ad essa complementari portando a strutture sempre più complesse. L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH
L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH
ALCOLI Gli alcoli derivano dagli idrocarburi per sostituzione di un idrogeno con un gruppo ossidrile ( OH) che ne diventa il gruppo funzionale. La formula generale degli alcoli è R OH.
ALCOLI Gli alcoli si classificano in primari, secondari e terziari a seconda che l atomo di carbonio a cui è legato l ossidrile sia unito rispettivamente a uno, due o tre atomi di carbonio. Secondo la nomenclatura IUPAC, il nome dell alcol deriva da quello dell idrocarburo corrispondente a cui si aggiunge la desinenza -olo. Se presentano due o tre gruppi ossidrili, gli alcoli prendono il nome di dioli e trioli.
Gli alcoli sono acidi molto deboli ALCOLI
ALCOLI Il metanolo (CH 3 OH) è una sostanza altamente tossica: 30 ml provocano la morte di un essere umano adulto. È un importante intermedio dell industria chimica, inoltre viene impiegato come carburante per autotrazione e nelle celle a combustibile. L etanolo (CH 3 CH 2 OH) è il costituente di tutte le bevande alcoliche. Si ottiene per fermentazione degli zuccheri da parte di microorganismi. Viene adoperato come combustibile al posto della benzina e trova impiego nell industria dei solventi, dei profumi e dei cosmetici. Il glicerolo, più noto come glicerina, è un triolo. Trova impiego nell industria dei cosmetici e delle vernici. Il derivato nitrato del glicerolo, la nitroglicerina, è un potente esplosivo che viene impiegato anche, in soluzione alcolica molto diluita, nella terapia dell angina pectoris.
L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH L unione di un atomo di ossigeno ad un atomo di carbonio, forma il carbonile, tipico di due composti: gli aldeidi ed i chetoni. Nei chetoni il carbonile è posto all interno di una catena policarboniosa e le due valenze libere sono entrambe occupate da altri atomi di carbonio, la desinenza delle sue molecole è one Negli aldeidi il carbonile è posto alla fine di una catena policarbniosa ed una delle due valenze libere è sempre occupata da un atomo di idrogeno.
L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH Il carbossile è definito dalla presenza di due atomi di ossigeno entrambi legati allo stesso atomo di carbonio, e conferisce alla molecola che lo contiene una forte idrofolia. In ambiente acquoso tendono a perdere facilmente l atomo di idrogeno, con la seguente formazione di uno ione idrogeno ed uno ione carbossile. Il carbossile è quindi un donatore di ioni idrogeni e conferisce qualità acide alle molecole che lo contengono (i.e. acidi organici) Il carbossile è un acido debole, cioè incapace di dissociarci in ambienti già fortemente acidi
La nomenclatura degli acidi carbossilici prevede l aggiunta del suffisso -oico al nome dell alcano corrispondente. Alla nomenclatura IUPAC ne è affiancata una corrente tutt ora in uso. IL CARBOSSILE
IL CARBOSSILE Gli acidi carbossilici tendono a formare legami a idrogeno intermolecolari; pertanto presentano punti di ebollizione abbastanza alti. In acqua sono solubili solo gli acidi formico, acetico e propionico.
Gli acidi carbossilici sono acidi deboli, ma sono più forti dei fenoli e degli alcoli. Reagiscono con basi forti formando dei sali. IL CARBOSSILE
IL CARBOSSILE A partire dagli acidi carbossilici, con reagenti adeguati, si ottengono diversi derivati, tutti caratterizzati dalla presenza del gruppo acilico RCO.
Gli esteri si ottengono per reazione fra un acido carbossilico e alcol ad alta temperatura. IL CARBOSSILE
Esteri naturali ad alto peso molecolare sono le cere, i grassi e gli oli. Le cere sono esteri di un acido carbossilico e di un alcol entrambi a lunga catena. IL CARBOSSILE
IL CARBOSSILE I grassi (solidi e saturi) e gli oli (liquidi e insaturi) sono esteri del glicerolo (trigliceridi) con acidi carbossilici a lunga catena sia saturi sia insaturi.
L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH A differenza del carbossile si tratta di un gruppo acido forte. In biologia i gruppi fosfati rivestono una grande importanza come vedremo in seguito nel caso dei nucleotidi. Un gruppo fosfato riesce a legarsi in maniera covalente ad uno (pirofosfato) o due altre molecole di acido fosforico. La sintesi di legami fosfato-fosfato richiede una grande spesa energetica, e queste molecole possono fungere a loro volta da veri e propri depositi energetici.
L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH A differenza dei gruppi funzionali acidi visti in precedenza, il gruppo amminico conferisce alle molecole proprietà basiche, ovvero tendono a catturare ioni H dall ambiente acquoso circostante, diventando così la formazione NH 3 Presente in molte molecole biologiche che devono mantenere un ambiente basico
LE AMMINE Le ammine derivano dall ammoniaca (NH 3 ) per sostituzione di uno, due o tutti gli atomi di idrogeno con altrettanti gruppi alchilici. Il gruppo funzionale delle ammine è il gruppo amminico.
LE AMMINE La nomenclatura delle ammine prevede che si indichino i nome dei gruppi alchilici legati all azoto con la desinenza -ammina.
LE AMMINE Le ammine primarie e secondarie formano legami a idrogeno intermolecolari, per cui i loro punti di ebollizione sono più alti di quelli degli alcani a uguale massa molecolare. Le ammine con pochi atomi di carbonio sono solubili in acqua. Le ammine sono composti basici (deboli) in virtù del doppietto elettronico libero dell azoto.
L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH Solitamente presente nelle proteine, il sulfiidrile è un gruppo funzionale a base di zolfo e va facilmente incontro all ossidazione che conduce alla unione di due atomi di zolfo mediante un legame chiamato ponte disolfuro
L ossidrile OH Il carbonile >C=O Il carbossile COOH Il gruppo fosfato H 2 PO 4 Il gruppo amminico NH 2 Il sulfidrile SH I gruppi idrofobi CH Una serie di gruppi che per via della loro apolarità, tendono ad essere fortemente idrofobici ed a conferire quindi, tale proprietà alle molecole che li contengono. Anch essi possono essere riscontrati nelle proteine.