CORSO INTEGRATO DI BIOLOGIA, FISICA E CHIMICA
a.a.2010-2011
Dott.ssa Alessandra Forgione
[email protected]
PROGRAMMA
Elementi di chimica, introduzione alla biochimica
Acqua, PH, Acidi, basi, Sali e tamponi
I composti del carbonio
Carboidrati
Lipidi
Proteine
Enzimi
Metabolismi
Vitamine
ORARIO DELLE LEZIONI
Novembre
8 – orario 8.00 – 10.30
10 – orario 8.00 – 10.30
12 – orario 8.00 – 10.30
17 - orario 8.00 – 10.30
Dicembre
20 – orario 8.00 – 10.30
21 – orario 17.00 – 18.30
Gennaio
10 – orario 8.00 – 10.30
17 – orario 8.00 – 10.30
BIOCHIMICA
E’ lo studio della chimica della vita, un ponte fra la biologia e la chimica , che
studia le reazioni chimiche complesse che danno origine alla vita: oggetto di
studio sono la struttura e le trasformazioni dei componenti delle cellule, come
proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici.
CHIMICA: Oggetto di studio della chimica sono le proprietà e le strutture dei
costituenti della materia (atomi, molecole) e le loro interazioni reciproche, da
cui hanno origine gli statio della materia. Tale studio della materia non è
limitato alle sue proprietà e struttura in un dato istante, ma riguarda anche le
sue trasformazioni, dette reazioni chimiche
BIOLOGIA: (dal greco βιολογία, composto da βίος, bìos = "vita" e λόγος, lògos =
nel senso di "studio") è la scienza che studia tutto ciò che riguarda la vita.
LIVELLO DI ORGANIZZAZIONE DEGLI ORGANISMI
Il più semplice livello di organizzazione è costituito da atomi e molecole
Atomo: è la più piccola unità di un elemento chimico, di cui possiede tutte le
caratteristiche
Molecole: si ottengono dalla combinazione chimica di più atomi
Diversi tipi di atomi e molecole possono
associarsi a formare cellule (struttura di
base fondamentale degli organismi
viventi): il più semplice componente della
materia vivente in grado di svolgere le
attività necessarie per la vita
Tessuti: sono formati da diverse cellule
Organi formati da diversi tessuti
Sistemi: diversi gruppi di organi coordinati
tra loro
Organismi pluricellulari: formati da sistemi
che funzionano tra loro
LIVELLO DI ORGANIZZAZIONE ECOLOGICA
Popolazione: è costituita da
tutti i membri di una specie
che vivono
contemporaneamente nella
stessa regione geografica.
Le diverse popolazioni che
vivono in una stessa area
geografica interagiscono tra di
loro formando una comunità
Ecositema: una cominità
insieme all’ambiente in cui
vive
Biosfera: insime di tutti gli
ecosistemi..:Ecologia
ELEMENTI CHIMICI
La materia è costituita da sostanze semplici (detti elementi) e da
sostanze composte.
Elementi: sostanze che non possono essere scisse in sostanze più
semplici, ciascuno è caratterizzato da un simbolo chimico.
Più del 96% della massa della maggior
parte degli organismi è composta
da 4 elementi: azoto (N), carbonio (C),
ossigeno (O) ed idrogeno (H).
La porzione più piccola dell’elemento
è l’atomo, che ne rappresenta tutte le caratteristice chimiche.
OSSIGENO: presente con il carbonio nella gran maggioranza
delle molecole organiche
CARBONIO: costituisce lo scheletro di tutte le molecole
organiche
IDROGENO: fa parte di tutte le molecole organiche e di
molte altre come l’acqua.
AZOTO: è il costituente delle proteine e degli acidi nucleici;
nell’aria è presente sottoforma di molecole costituite da
due atomi di azoto legati assieme. Si trova nel terreno
sottoforma di ioni (ammonio e nitrato) che vengono
utilizzati dalle piante come nutrimento.
Altri elementi chimici fosforo (P), zolfo
(S), calcio (Ca), Potassio (K), Sodio (Na), Ferro (Fe),
Cloro (Cl) e Magnesio (Mg) rappresentano
circa il 4% della materia vivente.
Esistono ancora gli oligoelementi o microelementi,
che costituiscono meno dello 0,01% della materia
vivente, ma sono comunque essenziali per molti
organismi : Iodio (I), Zinco (Zn), Boro (B), Cromo (Cr),
Rame (Cu), Manganese (Mn), Fluoro (F),
Selenio (Se), Silicio (Si), Stagno (Sn), Vanadio(V).
ATOMO
Questi sono formati da particelle subatomiche: protoni, neutroni, elettroni. L
’atomo è neutro.
L’insieme di protoni e neutroni costituisce il nucleo atomico, attorno a cui si muovono gli
elettroni
Il numero di elettroni è uguale a quello di protoni
Gli elettroni si muovono in regioni 3D dello spazio, su
degli orbitali, ciascuno dei quali contiene al massimo
due elettroni.
L’energia dell’elettrone dipende dall’orbitale che occupa.
Livelli orbitali con energie simili formano i gusci
elettronici.
Gli elettroni più lontani dal nucleo hanno energia
maggiore, infatti per allontanare gli elettroni più vicini al
nucleo c’è bisogno di energia maggiore, rispetto a quelli
più lontani che vengono detti di valenza e costituiscono
quindi il guscio più lontano detto anche esso di valenza.
Gli spostamenti tra un orbitale e l’altro sono permessi e
richiedono energia per gli elettroni che si allontanano
dal nucleo, mentre quelli che si avvicinano rilasciano
energia
Composto chimico: consiste
di atomi di due o più
elementi differenti
Molecola: si ottiene dalla
combinazione di due o più
atomi
Sulla Terra sono stati identificati 92 elementi
naturali a cui si aggiungono un'altra ventina
di elementi sintetizzati dall'uomo (detti
elementi artificiali).
Tutti gli elementi sono indicati con l'iniziale (o
le prime due iniziali) del loro nome in latino.
Ad esempio, l'idrogeno ha il simbolo H che
deriva dalla parola latina Hydrogenum
(idrogeno), il ferro ha il simbolo Fe che deriva
dalla parola latina Ferrum (ferro), il rame ha
il simbolo Cu che deriva dalla parola latina
Cuprum (rame) ……
Ciascun elemento ha un numero fisso di protoni, detto numero
atomico (scritto in basso a sinistra), che serve ad identificare
l’atomo che descrive l’elemento.
Gli atomi sono organizzati nella tavola periodica in base al loro
numero atomico. Questa fornisce informazioni sugli elementi:
la composizione, la struttura ed il comportamento chimico.
La posizione di ciascun elemento nella tavola periodica dipende
dal numero di protoni e dalla conseguente configurazione
elettronica esterna.
Il numero di elettroni di valenza varia da 1 a 8 (periodo), da
questi deriva il comportamento chimico
Tutti gli elementi del gruppo hanno la stessa configurazione del
gruppo di valenza, quindi un comportamento chimico simile.
Gli elementi a destra del periodo sono pi elettronegativi e
tendono a trasformarsi in anioni, rispettoa quelli posti a
sinistra.
TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI
MATERIA E MASSA ATOMICA
Materia: tutto ciò che ha massa e occupa spazio
La massa di una particella subatomica è molto piccola
per essere descritta e quindi la sua massa viene
espressa in termini di unità di massa atomica (uma) o
dalton: 1 dalton è uguale alla massa di un protone o
di un neutrone (la massa di un elettrone è circa
1/1800 di questa), quindi la massa atomica è data
dalla somma di protoni e neutroni di un atomo
(scritto in alto a sinistra)
MASSA MOLECOLARE
Il peso atomico di un composto chimico è dato
dalla somma dei pesi atomici di tutti i suoi atomi
Peso molecolare dell’acqua
2H+16O=18
Peso molecolare del glucosio
(6Cx12)+(12Hx1)+(6Ox16)= 180
MOLE
La mole è la quantità di composto la cui massa in
grammi è equivalente alla sua massa atomica.
Consente di confrontare tra loro atomi e molecole
perchè 1 mole di ciascuna sostanza contiene sempre lo
stesso numero di unità. Il numero di unità di una mole
è detto numero di Avogadro
ISOTOPI
La maggior parte degli elementi è costituita da una miscela di atomi
che hanno un diverso numero di neutroni e quindi con massa
differente: isotopi.
Quindi gli isotopi hanno lo stesso numero di elettroni e protoni ma
differiscono per il numero di neutroni. La massa di un elemento è
quindi espressa dalla massa media degli isotopi. Poiché il numero di
elettroni è uguale, le caratteristiche chimiche sono uguali, ma
quelle fisiche diverse.
Gli isotopi sono tendenzialmente instabili e quindi tendono a
decadere verso un isotopo più stabile emettendo radiazioni:
radioisotopo
Il comportamento chimico di un atomo dipende dal numero
e disposizione del guscio di valenza. Il guscio di valenza è
stabile, completo, quando contiene 8 elettroni.
Qualora questo non fosse completo tende a cedere o
acquisire elettroni per completare il guscio di valenza: da
questi trasferimenti di elettroni originano i cationi e gli
anioni. Gli isotopi hanno tutti lo stesso guscio di valenza
ecco perché sono chimicamente stabili e possono sostituirsi
nelle reazioni chimiche.
LEGAMI CHIMICI
Sono le forze attrattive che uniscono gli atomi di una
molecola. Tale legame, caratterizzato da intensità differente in
relazione al composto a cui dà origine, è fondamentale nel
conferire la particolare reattività e stabilità del composto
stesso, nonché nel determinarne la struttura e geometria
molecolare caratteristica.
L’energia di legame è l’energia necessaria a rompere questi
legami.
LEGAMI FORTI
-covalente
-Ionico
LEGAMI DEBOLI
-Idrogeno
-Forze di van der walls
LEGAME COVALENTE
Il legame covalente si forma quando due elementi avendo entrambi elevata tendenza ad attrarre elettroni condividono fra di loro alcuni degli elettroni di valenza, per
raggiungere entrambi l'ottetto di elettroni esterni.
Per esempio, il cloro ha sette elettroni di valenza, e
"ha bisogno" di un altro elettrone; per questo due atomi
di cloro mettono in comune due elettroni, e si forma un
legame fra i due atomi:
("mettono in comune" significa che i due elettroni
vengono attratti da entrambi gli atomi)
Ne deriva il composto covalente. Il legame può essere
doppio o semplice o triplo. Quando le molecole si
legano mediante il legame covalente si può avere un
riarrangiamento degli orbitali: ibridazione degli
orbitali, responsabile della forma della molecola che
ne deriva.
Gli atomi di molecole diverse differiscono per la loro
affinità per gli elettroni, l’elettronegatività è la misura
di questa affinità. Il legame covalente tra molecole con
la stessa elettronegatività è detto apolare, altrimenti è
detto polare
LEGAME IONICO
Il legame ionico si forma quando due elementi hanno una tendenza molto
diversa ad attrarre elettroni ; in questo caso avviene il passaggio di uno o piu'
elettroni da un atomo all'altro, in modo da raggiungere entrambi l'ottetto di
elettroni esterni.
L'atomo che perde elettroni diventa uno ione positivo, quello che li guadagna
diventa uno ione negativo: la forza di attrazione fra i due ioni costituisce il
legame ionico.
Il legame ionico è molto forte (le forze fra ioni sono comparabili alle forze
dentro una molecola), per cui i composti ionici sono di solito solidi con alta
temperatura di fusione.
I solidi ionici si sciolgono facilmene in acqua o altri liquidi polari.
LEGAME IDROGENO
Il legame a idrogeno o ponte idrogeno è un caso particolare di
interazione fra dipoli. In particolare si tratta di un legame dipolo
permanente - dipolo permanente in cui è implicato un atomodi
idrogeno coinvolto in un legame covalente con elementi molto
elettronegativi come fluoro, cloro, ossigeno o azoto, i quali
attraggono a sé gli elettroni di valenza, acquisendo una parziale
carica negativa (δ-) lasciando l'idrogeno con una parziale carica
positiva (δ+).[
FORZE DI VAN DER WALLS
Le Forze di attrazione di Van der Waals sono
forze di interazione relativamente deboli che
uniscono le molecole neutre in quasi tutti i
composti organici liquidi e solidi.
REAZIONI REDOX
Molte delle reazioni che avvengono in una cellula
prevedono il trasferimento di elettroni da una
cellula all’altra: tali reazioni, dette anche ossidoriduzioni, sono quelle in cui almeno due elementi,
appartenenti a due differenti composti (reagenti),
modificano il proprio stato ossidativo nel passaggio
da reagenti a prodotti: uno dei due elementi “si
riduce”, cioè acquista elettroni, mentre l’altro
elemento “si ossida”, cioè perde elettroni.
Il composto che si ossida ha il ruolo di
riducente, mentre quello che si riduce ha il ruolo di
ossidante.
Riduzione
Ossidante + e- → prodotto
(la specie guadagna elettroni, il suo
numero di ossidazione diminuisce)
Ossidazione
Riducente → prodotto + e(la specie perde elettroni, il suo
numero di ossidazione aumenta)
ACQUA
L’acqua e l’uomo
Un adulto deve assumere in media
2.5l di acqua al giorno.
FUNZIONI NEL NOSTRO CORPO
Il corpo umano è
costituito per il 60-70% di
acqua
Rende solubile molte sostanze che possono
essere utilizzate dal nostro organismo
ACQUA ELIMINATA AL GIORNO
Permette di eliminare sostanze dannose
attraverso l’urina e il sudore
Da 1 litro a 5litri attraverso i reni
Regola attraverso la sudorazione la
temperatura dell’organismo
Da 0,5 litri a 1 litro attraverso la pelle
200-100ml attraverso i polmoni, il naso
e la bocca mentre espiriamo
50-100 ml attraverso l’intestino con le
feci
Il legame tra l’O e l’H è un
legame covalente; gli atomi
sono disposti nella
molecola in modo quasi da
formare un triangolo
isoscele. L’ossigeno, che è
disposto al vertice
superiore, attrae gli elettroni
con una forza maggiore (si dice
che è più elettronegativo).
A causa della grande differenza di
elettronegatività che esiste tra
idrogeno e ossigeno, tra
due molecole d’acqua si formano
legami idrogeno.
Gli atomi di ossigeno attirano
elettroni e quindi risultano
elettricamente negativi, mentre gli
atomi di idrogeno sono
elettricamente positivi.
Ciò fa sì che le molecole dell'acqua
abbiano due poli: uno positivo (+) e
uno negativo (-) (molecola
bipolare), ragione per cui si legano
tra loro creando una specie di
reticolo con dei legami, detti legami
idrogeno.
CAMBIAMENTO DI STATO DELL’ACQUA
Nel “range” delle Temperature ordinarie sulla
Terra (-40°C - +40°C )
Idrogeno e Ossigeno...
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...sono dei gas
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fisica24ore
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…ma se si legano
danno origine
ad un liquido
raffreddando il quale
si ottiene un solido
fisica24ore
L’aumento di temperatura di una sostanza determina un
aumento della velocità con cui si muovono le molecole:
energia cinetica
La quantità totale di energia cinetica in un campione è
detta calore, mentre per temperatura si intende l’energia
media delle particelle.
Calore di evaporazione: quantità di energia termica
necessaria a a far passare 1 gr di una sostanza dallo stato
liquido a quello gassoso, è espresso in calorie.
Caloria: quantità di energia termica necessaria per
innalzare di 1 grado celsius la temperatura di 1 gr di acqua
CONSEGUENZE DEL LEGAME IDROGENO
Grazie alla presenza dei legami idrogeno le molecole d’acqua hanno una
forte tendenza ad attacarsi le une alle altre, sono cioè coesive. A causa della
natura coesiva delle molecole d’acqua, qualunque forza esercitata su una
colonna d’acqua sarà trasferita a tutta la colonna. Queste forze, inoltre,
determinano la tensione superficiale, cioè tendono a legarsi tra loro e non
con le molecole di aria, creando uno strato resistente.
Queste molecole sono anche adesive, cioè si attaccano anche ad altre
sostanze, e da qui, la loro capacità di bagnare le superfici.
FORZA DI COESIONE: questa forza agisce su molecole dello stesso tipo
mantenendole unite.
FORZA DI ADESIONE: questa forza agisce su molecole di tipo diverso
mantenendole unite.
Entrambe queste forze sono alla base dell’azione capillare, cioè la sua
tendenza a risalire all’interno di tubi molto stretti
RESISTENZA AI CAMBIAMENTI DI TEMPERATURA: l’acqua ha un elevato calore
specifico (quantità di calore necessaria per determinare un aumento di
temperatura della sostanza) a causa dei legami idrogeno che limitano il movimento
delle molecole.
EVAPORAZIONE: l’acqua ha un elevato calore di evaporazione, che avviene quando
alcune delle molecole del liquido, in movimento più rapido, affiorano alla
superficie e passano nell’aria, spezzando i legami idrogeno. L’operazione richiede
energia termica: perché avvenga l’evaporazione le molecole d’acqua devono
assorbire una certa quantità di energia termica, raffreddando l’acqua che rimane.
PASSAGGIO ALLO STATO SOLIDO: nella maggior parte dei liquidi la densità (massa
della sostanza in un dato volume) aumenta col diminuire della T. La densità
dell’acqua aumenta al diminuire della temperatura fino a 4°C. Al di sotto di questa
temperatura, le molecole sono così vicine che ognuna stabilisce
contemporaneamente 4 legami H con altre 4 molecole; questo fa sì che le molecole
si allontanino. Perciò l’acqua, allo stato solido, occupa un volume maggiore che allo
stato liquido. Il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida e galleggia su di essa.
LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA
•
Allo stato liquido ha un volume proprio e quindi non è comprimibile
•
Allo stato liquido assume la forma del recipiente che la contiene
•
Presenta deboli forze di coesione fra le molecole
•
Ha un elevato calore specifico e un'alta capacità termica: si scalda e si raffredda lentamente, proprio
per la presenza di legami di idrogeno
•
Quando si solidifica il volume aumenta, al contrario di ciò che accade con le altre sostanze; quindi la
densità del ghiaccio diminuisce, pesa meno e perciò galleggia sull'acqua. Ciò ha una notevole
importanza perché rende possibile la vita sotto i mari ghiacciati in superficie.
•
Ha un suo peso ed esercita quindi anch'essa una pressione, la pressione idrostatica: è un fenomeno
importante per le pressioni che l'acqua può esercitare negli abissi oceanici.
•
Come un qualsiasi liquido, anche l'acqua, se è in riposo mantiene la sua superficie libera sempre piana
ed orizzontale.
SOLUBILITA’
A causa della polarità delle sue molecole, l’acqua è un ottimo solvente in
grado di sciogliere molti tipi di composti, specialmente quelli ionici e polari.
L’acqua unita ad un sale o a uno zucchero (detti soluto) forma una soluzione.
La solubilità dell’acqua aumenta all’aumentare della temperatura.
Soluzione : è il risultato della miscelazione di un solvente e di un soluto.
Soluto: sostanza disciolta in un solvente.
Solvente: sostanza in cui si scioglie un'altra sostanza, che si separa in singoli
ioni e molecole.
In relazione alla rapidità di interazione con l’acqua, i soluti sono detti idrofilici
(saccarosio, sale da tavola) o idrofibici, quest’ultimi sono insolubili e tendono
a formare aggregati (olio).
I dipoli dell’ H2O interagiscono con gli ioni, in modo tale che
risultino idratati, cioè circondati da gusci di molecole di H2O
Esempio: NaCl allo stato solido esiste come reticolo cristallino
molto stabile,
in acqua si scioglie facilmente