Capitolo 2 La chimica della vita Copyright © 2006 Zanichelli editore Atomi e molecole 2.1 Le proprietà caratteristiche dei viventi si possono osservare a ogni livello della loro D. Organo: struttura gerarchica muscolo delle ali Le strutture biologiche hanno un’organizzazione gerarchica C. Cellule e tessuti: Cellule muscolari all’interno del tessuto muscolare B. Organulo: miofibrilla (solo nelle cellule muscolari) Figura 2.1 Copyright © 2006 Zanichelli editore Actina Miosina 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). Copyright © 2006 Zanichelli editore Carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto sono i quattro elementi fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente. Tabella 2.2 Copyright © 2006 Zanichelli editore • 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. Copyright © 2006 Zanichelli editore • 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore • Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per formare i composti. • Un composto è una sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso. Sodio Figura 2.2C Copyright © 2006 Zanichelli editore 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. Copyright © 2006 Zanichelli editore 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 + Protoni 2 Figura 2.3A Copyright © 2006 Zanichelli editore Neutroni 2 – Elettroni Numero di massa = 4 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 + Protoni 6 Figura 2.3B Copyright © 2006 Zanichelli editore Neutroni 6 – Elettroni Numero di massa = 12 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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. Copyright © 2006 Zanichelli editore 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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). Copyright © 2006 Zanichelli editore 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. Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni) Guscio elettronico più interno (può contenere fino a 2 elettroni) Elettrone Idrogeno (H) Numero atomico = 1 Figura 2.5 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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. Copyright © 2006 Zanichelli editore 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 Atomo di sodio Cl Atomo di cloro Figura 2.6A Copyright © 2006 Zanichelli editore – + Na Na+ Ione sodio – Cl Cl– Ione cloro 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore 2 H2 O2 2 H2O • Nelle cellule viventi avvengono migliaia di reazioni chimiche che trasformano la materia. • Per esempio, il beta-carotene viene convertito in vitamina A. CH3 CH3 CH3 H2C C CH2 H2C CH C C CH CH3 CH CH CH C C CH CH CH C CH3 CH3 CH CH C CH3 Beta-carotene Figura 2.8B Copyright © 2006 Zanichelli editore CH CH CH C CH3 CH C CH3 CH2 H2C CH2 C CH3 CH2 CH3 CH3 O2 4H 2 CH2 H2C CH C C CH CH3 H C C CH C CH CH CH C CH3 CH3 Vitamina A (2 molecole) H OH 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 Figura 2.9 (+) Copyright © 2006 Zanichelli editore H (+) 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. Legame idrogeno Figura 2.10A Copyright © 2006 Zanichelli editore (+) H (+) • Questa attrazione forma legami deboli chiamati legami idrogeno. (–) O (–) H (–) (+) (–) (+) 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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. Copyright © 2006 Zanichelli editore • 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. Copyright © 2006 Zanichelli editore • Quando una molecola d’acqua evapora, assorbe energia. • Questo permette il raffreddamento (abbassamento di temperatura) per evaporazione. Figura 2.12 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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. Copyright © 2006 Zanichelli editore 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. Na+ – + – Cl– + – + – Ioni in soluzione Figura 2.14 Copyright © 2006 Zanichelli editore 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). Copyright © 2006 Zanichelli editore La scala del pH: Scala del pH 0 Soluzione acida OH– OH– OH– H+ H+ – OH– OH H+ H+ H+ Soluzione neutra OH– OH– OH– H+ OH– OH– OH– – OH H+ Figura 2.15 Copyright © 2006 Zanichelli editore Soluzione basica ACIDITÀ in aumento H+ H+ 1 [H+]=[OH–] 2 Succo di limone, succhi gastrici 3 Succo di pompelmo 4 Succo di pomodoro 5 NEUTRALITÀ 6 Urina 7 Acqua pura Sangue umano 8 BASICITÀ in aumento + H+ H H+ OH– H+ OH– H+ H+ Acqua di mare 9 10 Bicarbonato 11 12 13 14 Ammoniaca per uso domestico Candeggina per uso domestico Schiuma detergente per forni 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). Copyright © 2006 Zanichelli editore