Appunti esame Biologia e fisiologia

BASI BIOLOGICHE

DELL’ATTIVITA’ PSICHICA

1. ATOMI E MOLECOLE

1. 1 La struttura dell’atomo

Gli atomi sono particelle subatomiche e si suddividono in:

 PROTONI = carica positiva (+1) e massa 1,6726 * 10^-24

 NEUTRONI = carica neutra (0) e massa 1,6749 * 10^-24

 ELETTRONI = carica negativa (-1) e massa 9,1091 * 10^-28

I protoni, i neutroni e gli elettroni tendono ad aggregarsi costituendo gli ATOMI, che sono di diversi tipi a

seconda del numero e della disposizione delle particelle costituenti. In particolare i protoni e i neutroni

si dispongono al centro dell'atomo costituendo il NUCLEO, Intorno al quale si muovono gli elettroni.

Il numero dei protoni è detto NUMERO ATOMICO (Z) ed è uguale al numero degli elettroni, per cui

esso permette di prevedere le proprietà chimiche dell'atomo in quanto esse dipendono dal numero ed

alla disposizione degli elettroni esterni.

I vari tipi di atomi, ognuno con un diverso numero atomico, sono detti ELEMENTI e in particolare in

natura essi hanno un numero atomico compreso tra 1 e 92 e contengono da 0 a 146 neutroni.

Un atomo è anche caratterizzato dal NUMERO DI MASSA (A), ovvero il numero totale di protoni e

neutroni. Atomi appartenenti allo stesso elemento ma con diverso numero di neutroni (uguale Z e

diverso A) sono detti ISOTOPI, indicati ponendo il valore del numero di massa come esponente del

simbolo dell'elemento stesso. In realtà tutti gli elementi sono una miscela di vari isotopi.

Il PESO ATOMICO è il miglior parametro che permette di descrivere i rapporti quantitativi che

intercorrono tra i diversi atomi facenti parte di una reazione chimica e rappresenta la media ponderale

delle masse dei diversi isotopi di un elemento rapportato all'unità di massa atomica, denominata

DALTON (Da) e pari a 1/12 della massa dell’isotopo ^12C (1,67 * 10^-24 g).

Alcuni isotopi sono instabili e tendono a modificare la loro configurazione decadendo in atomi più stabili



e ciò comporta l'emissione di energia sotto forma di radiazioni di vario tipo isotopi RADIOATTIVI o

radioisotopi Sono ampiamente utilizzati in ambito biomedico a fini sia diagnostici che terapeutici.

Gli orbitali e i legami chimici

A seconda dell'energia di cui sono dotati i vari elettroni si distribuiscono su vari LIVELLI ENERGETICI

(1° livello =K e 2° livello = L) e in particolare gli elettroni con meno energia sono più vicini al nucleo e

viceversa. Gli elettroni si muovono intorno al nucleo in ORBITALI e Ogni orbitale contiene massimo due

elettroni con spin (movimento degli elettroni sul loro asse) di direzione opposta. A loro volta i vari livelli

energetici hanno un numero di orbitali sempre maggiore con l'aumentare della distanza dal nucleo. Ad

esempio il primo livello energetico K ha un solo orbitale di forma sferica (s), mentre il secondo livello

energetico L contiene fino a 4 orbitali di forma a manubrio e tra loro ortogonali (p).

In particolare la distribuzione degli elettroni in orbitali determina la capacità dell'atomo di reagire

chimicamente con altri atomi (PROPRIETA’ CHIMICHE). 1

Poiché tutti gli atomi tendono ad avere i loro livelli energetici completamente occupati dagli elettroni,

sono chimicamente inerti solo i GAS NOBILI (es. neon, argon, xenon e kripton), in cui gli elettroni

saturano completamente i vari livelli energetici dell'atomo stesso.

Sono definiti ALOGENI (es. cloro, bromo, fluoro e iodio) gli elementi a cui manca 1 solo elettrone per

saturare completamente il proprio livello energetico esterno, che viene catturato da un altro atomo,

mentre gli elementi che hanno un solo elettrone nel loro livello energetico esterno sono definiti

METALLI ALCALINI (es. sodio, litio, potassio), che cedono l'unico elettrone ad un altro atomo facendo

sì che la superficie dell'atomo consista quindi nel sottostante livello energetico completo.

Mendeleev nel 1870 elaborò per primo il SISTEMA PERIODICO DEGLI ELEMENTI basandosi

unicamente sulle proprietà chimiche e sul peso atomico degli elementi allora noti, in cui le righe

indicano i livelli elettronici principali, mentre le colonne indicano il numero di elettroni posseduti dagli

atomi nel loro livello più esterno. Dal punto di vista del comportamento chimico gli elementi nella stessa

colonna hanno caratteristiche simili e sono perciò raccolti in gruppi.

1.2 I legami chimici e le molecole

A qualsiasi livello di organizzazione la materia tende a raggiungere condizioni di massima stabilità

energetica e nel caso degli atomi ciò si ottiene quando tutti gli orbitali del livello elettronico più esterno

sono completamente saturi di elettroni. Ad eccezione dei gas nobili quindi, Tutti gli altri atomi tendono a

interagire con altri atomi dando origine ai LEGAMI CHIMICI.

In particolare gli atomi legati tra loro da legami covalenti, che sono molto resistenti, danno origine alle

MOLECOLE. Si definisce PESO MOLECOLARE (P.M) la somma dei pesi atomici che costituiscono una

data molecola, mentre è detta MOLE di una data sostanza la sua quantità in grammi corrispondente al



valore in dalton del suo peso molecolare la mole comprende sempre lo stesso numero di molecole

ed esso viene definito NUMERO DI AVOGADRO (= 6,02296 * 10^23).

La concentrazione di una data sostanza chimica in una soluzione si esprime invece come MOLARITA’

(M) di quella sostanza ed è definita come numero delle moli della sostanza presenti in 1 litro di

soluzione.

Il legame covalente

LEGAME COVALENTE = due atomi mettono in comune uno o più elettroni dei loro livelli energetici

esterni per ottenere la loro completa saturazione. Ad esempio due atomi di idrogeno hanno un elettrone

ciascuno, per cui i due orbitali 1s si fondono tra loro formando un unico orbitale molecolare che produce

attrazione su entrambi gli atomi e li mantiene legati fortemente formando la molecola H2.

Quando due atomi mettono in comune due o tre coppie di elettroni essi si dicono legati da DOPPIO o

TRIPLO legame e in questo caso la forza attrattiva è maggiore di quella esercitata dal legame singolo.

In particolare la forza di attrazione tra due atomi Uniti da un legame covalente viene espressa come

energia di dissociazione del legame, detta anche ENERGIA DI LEGAME, con unità di misura in

Kcal/mol.

Un altro parametro utile a descrivere la forza di attrazione che unisce due atomi in un legame covalente

è la LUNGHEZZA DI LEGAME, cioè la distanza tra i nuclei dei due atomi legati espressa in Angstrom.

Sia l'energia di legame che la lunghezza di legame dipendono dalla natura degli atomi coinvolti nel

legame stesso.

I legami covalenti possono avere la nube elettronica distribuita in modo simmetrico (legami covalenti

OMEOPOLARI), presenti solamente nelle molecole costituite da atomi identici (es. H2, O2…), oppure

2

distribuita in modo più o meno asimmetrico (legami covalenti POLARIZZATI), presenti nelle molecole

con atomi diversi.

La distribuzione più o meno asimmetrica della nube elettronica dipende dalla diversa capacità che i due

atomi hanno di attrarre gli elettroni e in particolare si definiscono ELETTRONEGATIVI quegli atomi che

attraggono elettroni e hanno quindi una nube elettronica più densa, mentre si dicono

ELETTROPOSITIVI quegli atomi che cedono elettroni e hanno di conseguenza una nube elettronica

meno densa.

Le molecole la cui nube elettronica ha una distribuzione asimmetrica sono dette molecole POLARI (es.

acqua), che interagiscono con grande facilità le une con le altre formando molto spesso legami

idrogeno. Esse si sciolgono bene nell'ambiente acquoso e sono quindi IDROFILE. Sono invece dette

molecole APOLARI quelle i cui atomi presentano un grado di elettronegatività tra loro simile, facendo sì

che la loro nube elettronica si distribuisca in modo omogeneo. Esse sono repulse dai solventi polari e

sono pertanto IDROFOBE (es. idrocarburi alifatici, come metano o propano, e aromatici, come il

benzene).

Gli ioni e il legame ionico:

LEGAME IONICO = generica forza di attrazione elettrostatica che è un dato ione esercita in modo

specifico nei confronti di uno o più ioni di segno opposto che si trovano nelle vicinanze, infatti tale forza

di attrazione decade rapidamente con l'aumentare della distanza tra gli ioni stessi.

Si definisce IONE un atomo con carica netta diversa da zero o una molecola che contenga uno o più



atomi con cariche sbilanciate uno ione con carica positiva è detto CATIONE, mentre uno con carica

negativa ANIONE.

Sostanze costituite da ioni di segno opposto legati da legami ionici sono i SALI, un tipico esempio dei

quali è il CLORURO DI SODIO o NaCl. In fase solida gli anioni e cationi tendono a disporsi in modo

ordinato nello spazio costituendo un cristallo in cui essi si alternano con regolarità. In questo caso la

notazione chimica NaCl non indica una molecola ma un rapporto stechiometrico di 1:1 tra ioni Na+ e

Cl-

Tutti i solventi polari come l'acqua distruggono i legami ionici e di conseguenza l'organizzazione



cristallina di un sale poiché la materia vivente è costituita da un ambiente acquoso in essa non

troviamo sali ma solo ioni idratati che si comportano in modo tra loro indipendente.

I legami deboli

LEGAMI DEBOLI = meccanismi tra loro eterogenei di attrazione tra atomi che appartengono a

molecole diverse, caratterizzati da una bassa energia di legame. Questi legami possono formarsi e poi

essere rotti con grande facilità e sono quindi molto utilizzati in tutte le reazioni biochimiche della materia

vivente. Sono essenziali sia per la struttura delle macromolecole biologiche, ma anche per le interazioni

funzionali tra le molecole della cellula (es. Interazioni fra molecole enzimatiche e i loro substrati).

Fanno parte dei legami deboli:

 FORZE DI VAN DER WAALS, la cui ragione fisica è la presenza in ogni atomo di protoni ed

elettroni che genera forze attrattive tra la nuvola elettronica di un atomo e il nucleo di un altro.

Se gli atomi si avvicinano troppo però si scatenano forze repulsive e si determina così un

compromesso tra forze attrattive e repulsive, per cui gli atomi tendono a mantenersi

reciprocamente a una distanza caratteristica.

Le forze di van der Waals hanno un raggio d'azione breve e sono attive tra molecole molto vicine tra

loro, tenendo unita la materia. 3

 In un solido tali forze tengono le molecole coese molto saldamente. Scaldando la sostanza,

l'aumento dell'energia cinetica indebolisce tali attrazioni e il solido diventa liquido. Somministrando

ulteriore energia le molecole perdono ogni contatto reciproco e il liquido passa allo stato gassoso.

L’intensità delle forze di van der Waals è tanto maggiore quanto più grandi sono gli atomi di una

molecola, per cui le temperature di fusione e di ebollizione di una sostanza con atomi grandi sono più

elevate rispetto a quelle sostanze con atomi piccoli. In biologia tali forze sono molto importanti nei

processi di attrazione debole tra molecole di composti apolari (es. code idrofobe dei lipidi delle

membrane plasmatiche)

 LEGAME IDROGENO, che rappresenta un caso particolare delle attrazioni di tipo elettrostatico

che si stabiliscono tra molecole polari con cariche di segno opposto. Questo legame è anche

detto PONTE IDROGENO poiché in esso un atomo di H, reso positivo dal legame covalente

con un atomo elettronegativo, viene attratto elettrostaticamente da un altro atomo

elettronegativo e in tal senso l’H funge da ponte tra i due atomi elettronegativi.

La lunghezza di legame del ponte idrogeno è circa il doppio di quella di un legame covalente e ne

consegue che la sua energia di legame è 10-20 volte inferiore. In biologia i legami idrogeno sono molto

importanti e in particolare si formano tra le molecole dell'acqua e i vari gruppi funzionali contenenti

ossigeno o azoto e inoltre stabilizzano la struttura delle proteine e degli acidi nucleici.

1.3 I componenti elementari della materia vivente

Dei 92 elementi presenti naturalmente sulla terra solo 23 sono costituenti della materia viventi e sono

chiamati BIOELEMENTI, che hanno tutti un basso numero atomico. I principali macroelementi sono

l'idrogeno, il carbonio, l'ossigeno e l’azoto, che sono molto abbondanti sul nostro pianeta e quindi

ampiamente disponibili e inoltre hanno una grande capacità di legarsi stabilmente tra loro attraverso la

formazione di legami covalenti, da cui si originano le MACROMOLECOLE biologiche. Esse sono molto

stabili e presentano una notevole reattività chimica e ciò è reso possibile dalla formazione di legami

covalenti tra atomi del CARBONIO, che rappresenta l'elemento alla base di tutte le molecole

biologiche.

Per MICROELEMENTI si intendono invece altri elementi come il fosforo o il calcio che sono

componenti obbligati ed ubiquitari degli organismi, mentre gli OLIGOELEMENTI sono presenti solo in

tracce nella materia vivente

L’acqua

Tutti gli organismi sono prevalentemente costituiti da ACQUA (H2O), che è infatti un costituente

essenziale ed ubiquitario della materia vivente e rappresenta il solvente in cui è disciolta la maggior

parte delle molecole biologiche, che reagiscono chimicamente le une con le altre permettendo allo

svolgimento dei processi vitali.

A. L’acqua è un dipolo che forma legami deboli con ioni e molecole polari dotati di carica sia

positiva che negativa

È costituita da due atomi di idrogeno legati covalentemente ad un atomo di ossigeno. Poiché gli orbitali

esterni dei tre atomi sono tutti saturi di elettroni la molecola è molto stabile e neutra, anche se le nube

elettronica è fortemente asimmetrica.

Essa è infatti un DIPOLO, con il vertice occupato dall’O con carica negativa e le braccia occupate dai

due H con carica positiva. Ciò permette alle molecole di H2O di stabilire legami idrogeno sia con altre

molecole polari che tra loro. 4

La presenza dei legami idrogeno influenza lo stato fisico in cui si trovano le molecole acquose.

 allo stato LIQUIDO le molecole sono in continua agitazione termica e legate una alle altre da deboli

legami idrogeno che si formano e si spezzano incessantemente. Con l'aumentare della temperatura

l'intensità del movimento molecolare aumenta e ciò impedisce la formazione di qualunque legame

idrogeno e di conseguenza le varie molecole divengono GASSOSE.

Al contrario con l’abbassarsi delle temperature il movimento molecolare diminuisce e le molecole si

immobilizzano disponendosi secondo un reticolo cristallino e dando origine al GHIACCIO, che ha una

minore densità dell’acqua e può perciò galleggiare.

La presenza di molti legami idrogeno è causa dell'elevata COESIONE dell'acqua dovuta all'attrazione

che le molecole acquose esercitano l'una rispetto alle altre e ciò rappresenta La base della sua elevata

TENSIONE SUPERFICIALE, che permette ad esempio ad alcuni insetti di correre sulla superficie

dell'acqua senza sprofondare nel liquido.

Come conseguenza dell'organizzazione a dipolo le molecole dell'acqua stabilizzano attrazioni deboli

con ioni e con molecole polari, costituendo un velo di acqua legata o guscio di idratazione della

molecola. Tale fenomeno è alla base del POTERE SOLVENTE ciò che l'acqua presenta nei confronti

delle molecole polari (es. zuccheri). L’acqua presenta però anche un elevato POTERE IONIZZANTE,

infatti stando a contatto ad esempio con un sale, essa tende a scinderlo negli ioni che lo costituiscono.

B. L’acqua si ionizza

Il continuo rompersi e riformarsi di legami H tra le varie molecole acquose rende possibile lo scambio

occasionale di un nucleo di H tra le due molecole. Ciò porta alla formazione di due nuove molecole



ionizzate: uno ione idronio H3O+ (acquisizione H+) e uno ione ossidrile (perdita H+) fenomeno della

DISSOCIAZIONE dell’acqua.

I due Ioni tendono a ricostituire molecole d'acqua ogni volta che si incontrano nell'ambiente acquoso e

ciò garantisce una SITUAZIONE DI EQUILIBRIO. Inoltre La dissociazione dell'acqua dà origine a

quantità identiche di ioni idronio e ioni ossidrile, per cui le cariche positive sono completamente



bilanciate dalle negative condizione di NEUTRALITA’.

La concentrazione molare degli ioni è espressa mediante il valore di pH, ovvero il suo logaritmo in base

10 è cambiato di segno. In particolare le soluzioni neutre come l'acqua pura hanno un pH uguale a 7

(H+ = OH-); le soluzioni acide (es. acido cloridrico) hanno invece un pH compreso fra 0 e 7 (H+ > OH-);

le soluzioni basiche (es. soda o ammoniaca) hanno un pH compreso fra 7 e 14 (H+ < OH-). Di

norma all'interno delle cellule e mantenuto in condizioni di leggera basicità.

C. Le sostanze idrofobe sono repulse dall'ambiente acquoso

Al contrario delle molecole idrofile, disciolte nell'ambiente acquoso della cellula, le molecole

IDROFOBE tendono ad avvicinarsi tra di loro, allontanandosi dall'acqua e dando origine a



compartimenti idrofobi, come nelle membrane cellulari i legami deboli che si stabiliscono tra le

molecole idrofobe sono detti LEGAMI IDROFOBI

L’atomo di carbonio

Il CARBONIO riveste un ruolo cruciale nella costruzione degli organismi e può dare origine ha

un'infinità di molecole che possono rappresentare la base delle macromolecole biologiche.

Il carbonio (C ) è un elemento leggero (Z=6), Caratterizzato dalla presenza di quattro elettroni sul suo

livello energetico esterno e perciò raggiunge la condizione di saturazione formando un massimo di

quattro legami covalenti singoli con altri atomi dello stesso C o di altri elementi sia elettronegativi (es.



O, P, S o Cl), che elettropositivi (es. H metano CH4 ha forma a tetraedro ed è Una molecola apolare

e idrofoba. 5

Il C può dare anche origine a catene policarboniose lineari, ramificate o chiuse ad anello, in qui il

legame covalente singolo (C – C) è ROTAZIONALE, cioè permette che ciascuno dei due C tra loro le

legati ruoti liberamente rispetto all'altro, intorno all&