Appunti di Chimica generale ed organica

La chimica medica

La Chimica Medica è la chimica che deve servire per lo studio specifico di alcuni argomenti di base che verranno continuamente applicati nelle altre discipline biomediche e mediche:

• Le proprietà dei gas, dei liquidi, delle soluzioni, i principi su cui si basa l’omeostasi biologica, le diluizioni dei farmaci, le proprietà fondamentali di alcuni tipi di composti organici.
• Tutti questi argomenti svolti in funzione delle loro applicazioni mediche.

La chimica è la scienza che studia la materia:

• La sua struttura.
• Le sue proprietà.
• Le sue trasformazioni.
• Le sue interazioni con l’energia.

Materia: tutto ciò che ci circonda, che è dotato di massa e che occupa un volume.

Struttura della materia: organizzazione della costituzione intima della materia.

Proprietà della materia: grandezze fisiche rilevabili dai nostri sensi o misurabili con opportune apparecchiature.

Trasformazioni: cambiamenti delle proprietà della materia. Si dividono in trasformazioni fisiche, che non ne modificano l’identità, e chimiche, che ne modificano l’identità.

Energia: attitudine a compiere un lavoro.

Sistema materiale: porzione di materia, oggetto del nostro studio. Può essere aperto, chiuso, isolato.

Elementi chimici e simboli

Ad oggi, sono stati identificati 118 elementi, di cui 91 sono naturali, gli altri sono di sintesi.

Gli elementi si combinano per formare i composti, e i simboli chimici degli elementi sono usati per scriverne le formule chimiche: notazione che rappresenta gli elementi che costituiscono i composti e quanti atomi di questi elementi sono presenti.

Come sono costituiti gli elementi?

Atomo: la più piccola particella in cui un elemento può essere suddiviso, particella indivisibile.

La chimica si basa su 4 assunti che costituiscono la moderna teoria atomica:

• Tutta la materia è composta da atomi.
• Gli atomi di un dato elemento possiedono tutti le stesse proprietà chimiche.
• I composti chimici consistono di atomi che si possono combinare tra loro in rapporti definiti: si possono combinare solo atomi interi.
• Le reazioni chimiche cambiano solo il modo in cui gli atomi si combinano nei composti.

Gli elettroni ruotano attorno al nucleo in «zone dello spazio» a maggiore probabilità in cui si possono trovare, chiamati orbitali. Gli elettroni nell’ultimo orbitale, detto guscio di valenza, determinano il comportamento chimico degli elementi: sono essenziali per i legami chimici.

Un atomo è sempre neutro e possiede lo stesso numero di protoni ed elettroni. Quando il numero di protoni ed elettroni non è uguale, si chiama ione, anione se negativo, catione se positivo. Positivo se il numero dei protoni è maggiore di quello degli elettroni, negativo se viceversa.

Ogni elemento ha un numero specifico di protoni che lo distingue: il numero di protoni viene detto «Numero Atomico», Z. In un atomo neutro, senza carica, il numero degli elettroni è sempre uguale al numero dei protoni.

Gli elettroni (-) ed i protoni (+) hanno carica uguale ma di segno contrario. I protoni ed i neutroni hanno massa pari ad 1, gli elettroni hanno una massa trascurabile. La somma dei protoni e dei neutroni, nucleoni, di un atomo costituisce il numero di massa dell’elemento e si indica con A.

Tavola periodica

È una «tabella» che raccoglie tutti gli elementi conosciuti che esprime il simbolo chimico, il nome dell’elemento, il numero atomico, numero di protoni ed elettroni, e la massa atomica, circa numero di protoni + neutroni.

Tutti gli atomi tendono a raggiungere una configurazione stabile a minore energia: il cosiddetto «ottetto» completo, 8 elettroni nel guscio di valenza esterno, per raggiungere il gas nobile più vicino. Le masse degli atomi sono troppo piccole per misurarle in grammi: è più conveniente misurarle su una scala di massa relativa.

Base della scala → atomo di carbonio, 12 uma, o u, o dalton.

1 uma = 1,661*10^-24 g, 1/12 la massa dell’atomo di carbonio.

Come si misura la «quantità di atomi»?

Anche se pesiamo un quantità piccolissima di materia, ci saranno sempre milioni o miliardi di atomi.

Dal punto di vista pratico, è comodo prendere non il peso di un singolo atomo, ma di un certo numero di atomi in modo da poter usare le unità di grandezze abituali, es. grammi.

Mole: quantità di sostanza che contiene un Numero di Avogadro, NA = 6,022*10²³, di atomi.

Es. consideriamo l’idrogeno. 1 uma = 1,661*10^-24 g.

Se prendo 6,022*10²³ atomi di idrogeno peseranno... (6,022*10²³)*1,661*10^-24g) = 1 g!

Definizione pratica di mole: 1 mole è un quantitativo in grammi pari al peso molecolare o atomico della sostanza considerata.

Es. PM NaCl = 58,44 uma → 1 mole = 58,44 g.

Isotopi

Gli atomi di uno stesso elemento hanno sempre lo stesso numero di protoni, ma possono avere numero diverso di neutroni: avranno massa diversa!

Atomi con identico numero atomico Z, ma numero di massa A differente vengono chiamati isotopi.

La stabilità del nucleo

Perché il nucleo di un atomo sia stabile, deve esistere un rapporto ottimale tra neutroni e protoni per neutralizzare la forza repulsiva dei protoni, carica +. Quando il rapporto supera il valore ottimale, il nucleo diventa instabile e tende a stabilizzarsi rilasciando alcuni suoi «frammenti» sotto forma di radiazioni. Questo fenomeno si chiama decadimento radioattivo.

I radioisotopi e le radiazioni

Nucleo stabile

Le forze repulsive tra i protoni nel nucleo vengono neutralizzate dai neutroni, il rapporto ottimale neutroni/protoni è 1, al massimo 1,5. Sono stabili i primi venti elementi.

Nucleo instabile

Se un atomo ha un rapporto tra neutroni e protoni >1,5 è instabile, e tende ad emettere delle radiazioni per stabilizzarsi.

Elemento radioattivo = nuovo elemento + particella emessa.

Emivita fisica (t1/2)

La velocità della reazione di decadimento è variabile da un isotopo all’altro.

Emivita o tempo di dimezzamento: tempo che deve trascorrere affinché la metà dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento. Tale tempo può variare tra le frazioni di secondo a milioni di anni.

Esempio: decadimento radioattivo dello Iodio-131.

Emivita ~ 8 giorni.

Il decadimento è una costante e non dipende da pressione, temperatura o quantità di materiale di partenza!

Si possono distinguere 3 tipi principali di decadimento radioattivo:

• Decadimento alfa.
• Decadimento beta.
• Decadimento gamma.

Decadimento alfa

Emette radiazioni alfa, cioè nuclei di elio, particelle con massa 4 uma, 2 protoni e 2 neutroni, e carica +2.

In questo decadimento, il numero atomico, Z, cala di 2, da 90 del torio a 88 del radio, ma il numero di massa cala di 4, 2 protoni e 2 neutroni.

Tipico di elementi con Z>83 ed A>220.

Decadimento beta

Una particella beta è un elettrone ad alta velocità che fuoriesce da un nucleo in disintegrazione.

Tale particella può avere: carica negativa unitaria, -, decadimento beta negativo, o carica positiva unitaria, +, decadimento beta positivo.

In ogni caso la massa è identica a quella dell'elettrone.

Decadimento beta-

Si ha quando il nucleo di un elemento è troppo ricco di neutroni: per stabilizzarsi deve aumentare il numero di protoni. I neutroni diventano instabili e si disintegrano in 1 protone, 1 elettrone, 1 antineutrino, trascurabile. A seguito di questo decadimento il numero atomico, Z, aumenta di 1, il numero di massa resta invariato.

Decadimento beta+

Si ha quando il numero di protoni è troppo elevato rispetto a quello dei neutroni. È artificiale. Avviene la trasformazione di 1 protone in 1 neutrone in due modi:

• Per emissione di 1 positrone, elettrone con carica positiva: il numero atomico diminuisce di 1, la massa resta invariata, elettrone e positrone hanno massa circa zero. È un tipo di radiazione creata da noi bombardando il nucleo.
• Cattura elettronica: 1 elettrone vicino al nucleo viene catturato dal protone trasformandosi in neutrone, +neutrino, trascurabile.

Le particelle ß+ vanno incontro ad annichilazione, interagendo con un elettrone. Le due particelle scompaiono e la loro massa è trasformata in 2 fotoni gamma. I radionuclidi che decadono per emissione ß+ sono usati in medicina nucleare per la Tomografia ad Emissione di Positroni, PET.

Il numero atomico diminuisce, il numero di massa resta invariato. Viene emessa radiazione X.

Decadimento gamma

Nell’emissione di radiazioni →, raggi → o fotoni →, non si ha emissione di particelle, ma di radiazioni elettromagnetiche: sono «pacchetti» di energia rilasciati dal nucleo in decadimento. Per questo motivo, la sua emissione non causa cambiamenti di posizione nella tavola periodica. Tuttavia, di solito è accompagnata ad un decadimento alfa o beta l’energia in eccesso è rilasciata come raggio gamma.

Raggi X

I raggi X, nonostante non esista un decadimento X, possono essere formati come «sottoprodotto» della cattura elettronica. Sono anche loro delle radiazione elettromagnetiche come i raggi gamma ma con alcune differenze:

• Hanno minore energia dei raggi gamma.
• Hanno una origine differente, raggi gamma da riequilibri del nucleo, raggi X da riequilibri degli orbitali o per variazioni di velocità degli elettroni.

Interazione delle radiazioni con la materia

Radiazioni: insieme di fenomeni, anche tra loro differenti, che hanno in comune il trasporto di energia nello spazio. Sono radiazioni, ad esempio, la luce visibile, le onde radiotelevisive, le emissioni di particelle o di fotoni X o gamma da parte di un elemento radioattivo. L'energia trasportata dalla radiazioni viene ceduta quando la radiazione interferisce con la materia attraversata.

Le principali radiazioni si distinguono in:

• Alfa.
• Beta +.
• Beta –.
• Gamma.
• X.
• Neutroni, raggi cosmici.

Le radiazioni viste finora si possono dividere in:

• Corpuscolate, ossia dotate di massa come le particelle cariche elettricamente e i neutroni, es. radiazione alfa, radiazioni beta, neutroni.
• Radiazioni non corpuscolate, come i fotoni X e gamma che non hanno né massa né carica.

Tutte le radiazioni prodotte interagiscono con la materia.

In base agli effetti che producono, si distinguono:

• Radiazioni non ionizzanti: che non possiedono energia sufficiente per «ionizzare» un atomo, generare uno ione.
• Radiazioni ionizzanti: possiedono energia sufficiente per ionizzare un atomo, cedendo la loro energia.

Le radiazioni ionizzanti sono pericolose per i sistemi biologici perché generando cariche positive o negative «spezzano» i legami molecolari alterando i tessuti.

A seconda che le radiazioni siano particelle cariche o neutre, si distinguono due modalità di ionizzazione:

• Radiazioni direttamente ionizzanti = particelle corpuscolari cariche, come radiazione alfa, nucleo elio, e radiazione beta, 1 elettrone o 1 positrone.
• Radiazioni indirettamente ionizzanti = particelle non corpuscolate neutre, come i fotoni gamma ed X, radiazioni elettromagnetiche.

Particelle alfa e materia

Le particelle alfa sono nuclei di elio carichi positivamente, 2+.

La presenza di cariche positive provoca la ionizzazione di un gran numero di atomi, ionizzazione primaria, che a loro volta possono ionizzare a catena altri atomi, ionizzazione secondaria.

Tuttavia, hanno una grande sezione d’urto, sono atomi «interi»: interagiscono fortemente con la materia propagandosi nell’aria solo per pochi centimetri. Vengono fermati da un foglio di carta o dalla pelle.

La radiazione alfa presenta quindi basso range di azione, «dura poco», ma alta densità di ionizzazione, ionizza tante molecole.

In aria il range medio di una particella alfa non supera i 4-5 cm, riducendosi drasticamente con l'aumentare della densità del mezzo, tanto che la radiazione alfa non riesce ad attraversare una barriera come la pelle.

Ma sono altamente pericolosamente solo se il radionuclide che le emette viene ingerito o inalato cioè se la sorgente della radiazione alfa si trova all’interno del corpo umano.

Particelle beta- e materia

Le particelle ß- possono ionizzare il mezzo attraversato provocando l'allontanamento di elettroni dai loro orbitali tramite repulsione elettrostatica.

Essendo molto più piccole e elettricamente meno cariche delle particelle alfa, hanno una più bassa densità di ionizzazione e potere penetrante circa 1000 volte maggiore.

Il range medio di una particella ß- può arrivare fino ad alcuni metri in aria e fino ad alcuni millimetri nei tessuti molli.

Fotoni gamma, X e materia

Al contrario delle particelle cariche e dotate di massa, i fotoni gamma ed X possono essere assorbiti completamente in un’unica collisione. Possono interagire con la materia su base probabilistica: quando lo fanno, cedono completamente la loro energia generando ionizzazione tramite complessi meccanismi. Data la loro natura altamente energetica, i raggi gamma ed X sono altamente penetranti.

Effetti biologici delle radiazioni

Quando la radiazione interagisce con la materia, cede la sua energia. I danni che genera, tuttavia, dipendono dalla dose: maggiore è la «dose assorbita», maggiore è la probabilità di avere danni.

La pericolosità delle radiazioni dipende da:

• Distribuzione dei radionuclidi nel corpo.
• Energia della radiazione.
• Tempo di esposizione alla radiazione.
• Tipo di radiazione.

Nota: i radioisotopi ingeriti o inalati sono sempre dannosi!

La dose assorbita dipende dal tipo di sorgente, diversi radionuclidi emettono energie diverse, e dal tempo di esposizione.

Misura delle radiazioni

Rilevazione delle radiazioni

Le radiazioni sono invisibili. Tuttavia, si possono rivelare sfruttando le loro proprietà ionizzanti.

Il metodo più semplice è l’utilizzo di un dosimetro portatile sotto forma di tessera, dotato di una lastra fotografica protetta dalla luce. La radiazione causa un annerimento della pellicola.

Sono uno strumento di sorveglianza per valutare l’esposizione alle radiazioni degli operatori.

Il metodo più noto per rivelare e misurare le radiazioni è il contatore Geiger.

È costituito da un tubo riempito da gas argon con due elettrodi. Quando la radiazione entrante da una finestrella ionizza l’argon, questo trasmette una carica agli elettrodi attaccati ad un rilevatore che emette un «tic». Più radiazione entra nel tubo, più frequenti sono i tic.

Unità di misura

L’intensità della radiazione può essere espressa in vari modi, a seconda di quale caratteristica della radiazione si vuole misurare. Dal punto di vista medico, è importante conoscere la quantità di radiazione necessaria a produrre un effetto biologicamente dannoso. Non tutte le radiazioni producono lo stesso effetto biologico. Per tenere conto di queste differenze, l’unità usata nel campo della radioprotezione è il rem, roentgen equivalente per persona.

Per il suo calcolo, si moltiplica l’intensità della radiazione assorbita, in rad, per un fattore di qualità, RBE:

rem = rad * RBE, efficacia biologica relativa.

RBE tiene conto della diversa energia delle radiazioni e dei diversi tipi.

Il valore di RBE per raggi X, raggi gamma e particelle beta è lo stesso, RBE = 1, mentre le particelle alfa hanno un RBE = 20.

Nel SI l’unità di misura è il Sievert, Sv.

La dose letale al 50%, LD50, è la dose di radiazioni necessaria per uccidere il 50% della popolazione e varia da 250 rem a 450 rem. Dosi fino a 50 rem la probabilità di morte istantanea è bassa, ma può provocare danni a lungo termine, tumori. La dose limite per ciascun individuo di una popolazione non deve superare i 0.5 rem per anno per intero corpo. La dose limite media per una popolazione non deve superare i 0.17 rem per anno per intero corpo.

Per individui che lavorano in presenza di sorgenti di radiazioni la dose limite è di 5 rem per anno per intero corpo.

Es raggi X torace 27 mrem.

Raggi X addome 620 mrem.

Importante!!!

La protezione dalle radiazioni avviene sia per schermatura, con piombo, delle sorgenti radioattive che controllando la distanza dell’operatore dalla fonte radioattiva.

Infatti, l’intensità e l’esposizione ad una radiazione diminuiscono con il quadrato della distanza secondo la formula: I x (distanza1)² : (distanza2)².

Come valutare gli effetti delle radiazioni?

Per valutare gli effetti delle radiazioni sull'organismo, occorre considerare i seguenti tre fattori fondamentali:

• La dose della radiazione in rapporto al tempo di esposizione.
• La fonte d'irradiazione, se esterna o interna all'organismo.
• La sensibilità specifica dei tessuti.

La sensibilità alle radiazioni non è identica per tutti i tipi di cellule o per tutte le sue strutture: cellule in rapida replicazione, es. tessuti ematopoietici, sono più sensibili, alcune strutture delle cellule sono più sensibili. La probabilità di fare danni aumenta proporzionalmente alla dose di radiazioni che colpiscono le cellule e alla sua durata.

Se i danni sono pochi, gli organismi sono in grado di ripararli.

Se sono troppi, 100 rem, le cellule possono morire o subire danni irreparabili - mutazioni - tumori.

Radiosensibilità

Gli organi del corpo non sono tutti sensibili e vulnerabili in egual misura. Le cellule più sensibili sono quelle riproduttive. Sono molto radiosensibili il tessuto linfatico, il midollo osseo e le lenti cristalline degli occhi. Le cellule del tessuto muscolare, del tessuto osseo e le cartilagini sono invece le più resistenti. Il tessuto nervoso è resistente sul piano morfologico, ma sensibile su quello funzionale.

Sindrome generale da radiazioni

I sintomi più appariscenti che si manifestano con esposizione prolungata