Biologia

Biologia: energia e calore

Energia è la capacità di produrre lavoro. Le attività usuali degli esseri viventi richiedono energia: chimica, elettrica, termica, meccanica e luminosa.

L’energia viene fornita per gli animali dagli alimenti, per le piante dalla luce solare. Una parte dell’energia dissipata sotto forma di calore.

Struttura dell’atomo

Nucleo centrale con carica positiva, circondato da una nuvola di elettroni protoni carichi negativamente. Il nucleo è formato da 2 tipi di particelle, e neutroni che hanno la stessa massa unitaria.

Si definisce:

• Peso atomico: massa dell’atomo, correlato al numero totale di protoni e neutroni.
• Numero atomico: numero di protoni (determina la natura chimica dell’atomo).
• Elemento chimico: tutti gli atomi con lo stesso numero atomico.
• Isotopi: elementi che hanno lo stesso numero atomico (= n. protoni), ma differente peso atomico (quindi ≠ n. neutroni).

Struttura atomo

Gli elettroni (e-) hanno una singola carica negativa e massa trascurabile. Ruotano intorno al nucleo su orbite ben determinate definite orbitali. Ciascun orbitale può contenere fino a 2 elettroni.

Orbitali di valenza: sono gli orbitali più esterni. Gli elettroni presenti in questi orbitali prendono parte alle reazioni chimiche e determinano il numero di legami (valenza) che un atomo può formare con altri atomi. Gli elettroni presenti in questi orbitali variano da 1 a 8, tranne che per i metalli di transizione che possono averne di più.

Elementi chimici: il numero di elettroni è identico al numero di protoni (non hanno carica netta). Alcuni elementi tendono a perdere o ad acquistare elettroni al fine di avere gli orbitali di valenza completamente vuoti o riempiti (situazione di stabilità). Questo genera una o più cariche nette sull’atomo. Gli atomi con carica netta sono chiamati ioni: cationi se la carica è positiva, anioni se la carica è negativa.

Tavola periodica degli elementi

Gruppi o famiglie di elementi (verticale) hanno un comportamento chimico simile. Il periodo (orizzontale) comprende 1 ciclo completo di variazione nel comportamento chimico. La posizione dipende dal numero di protoni e configurazione elettronica esterna. Il numero di elettroni presenti negli orbitali di valenza aumenta spostandosi da sinistra a destra. La valenza invece diminuisce spostandosi da sinistra verso destra.

Legami chimici

Gli atomi si legano gli uni agli altri mettendo in comune gli elettroni. Ogni singolo legame, indicato con linea continua, consiste in una coppia di elettroni condivisi. Ciascun atomo fornisce uno dei due elettroni di legame. Un atomo può formare più legami covalenti con altri atomi. Due atomi possono condividere più elettroni con un altro (legami doppi, tripli…). Tramite legame covalente, forte e stabile, si genera una molecola.

Quando il legame si instaura tra due atomi uguali, gli elettroni di legame sono attratti con la stessa forza e quindi sono equidistanti dai due atomi. Si formano molecole apolari. Quando il legame si instaura tra due atomi diversi, gli elettroni di legame si spostano verso l’atomo più elettronegativo. Il legame acquisisce un carattere polare. L’asimmetria delle cariche è simboleggiata da d+/d- a indicare carica parziale acquisita.

Elettronegatività = tendenza ad attrarre gli elettroni.

Legami non covalenti

Generati dalla presenza di cariche opposte. Sono 20 volte più deboli dei legami covalenti. Vengono rappresentati graficamente da una linea tratteggiata.

Legame ionico = chiamato legame elettrostatico, si crea fra due atomi che hanno carica netta opposta. L’attrazione dell’elettrone è così forte da provocare un vero e proprio trasferimento di elettroni fra gli atomi coinvolti nel legame.

Legame idrogeno = si possono formare tra un atomo di idrogeno legato covalentemente ad un altro atomo elettronegativo che porta alla formazione di un dipolo e un altro atomo elettronegativo con parziale carica -. Coinvolti 3 atomi posizionati su una retta, H fa da tramite.

Peso molecolare = è la somma del peso atomico di tutti i suoi atomi. Mole = quantità di grammi, numericamente uguale al peso molecolare della sostanza stessa. Il numero di molecole contenuto in una mole è il numero di Avogadro.

Molarità = numero di moli presenti in 1 litro di solvente.

Reazione chimica

Interazione tra atomi che perdono, acquistano e mettono in comune i loro elettroni di valenza. Le reazioni prevedono la rottura di alcuni legami della specie «reagente» e la formazione di nuovi legami per generare i «prodotti». Ciascuna specie di molecola coinvolta reagisce (reagente) o si forma (prodotto) in un preciso rapporto stechiometrico.

2 H2 + O2 2 H2O. «2» è un coefficiente stechiometrico. Tutti gli atomi presenti nei reagenti si trovano nei prodotti (tipologia e numero).

Termodinamica

Studio delle energie in gioco nella reazione.

DG: differenza tra lo stato energetico finale e iniziale di una reazione (o di un processo).

• DG > 0 endoergonica, non spontanea (prodotti > energia di reagenti) → Keq < 1.
• DG < 0 esoergonica, spontanea (prodotti < energia di reagenti) → Keq > 1.
• DG = 0 equilibrio (prodotti = energia di reagenti) → Keq = 1.

G libera di Gibbs. Energia.

Acqua

Proprietà dell’acqua = derivano dal fatto che l’acqua è una molecola dipolare ed è in grado di fare legami idrogeno. Punto fusione ed ebollizione: a temperatura ambiente liquida, a differenza di metano e ammoniaca.

Evaporazione richiede tanta energia (ebollizione a T = 100°C).

• Calore specifico = tra più alti, aiuta mantenimento temperatura corporea.
• Solvente.
• Strutturante (interazione idrofobica).
• Ionizzazione dell’acqua.
• Acqua come reagente.

Acqua

Atomi disposti non linearmente, struttura ripiegata. Due atomi dell’idrogeno formano angolo 104.5. La molecola acqua ha una forma tetraedrica, ai vertici del tetraedro troviamo i due atomi di idrogeno e i due doppietti elettronici non condivisi. Molecola acqua è un dipolo elettrico, forma legami a idrogeno.

Interazione tra molecole d’acqua

A temperatura ambiente l’acqua è allo stato liquido: ogni molecola forma in media 3,4 legami a idrogeno. Le molecole sono più vicine, i legami a idrogeno sono più deboli e si rompono e formano continuamente, le molecole d’acqua sono in uno stato disordinato.

Stato solido = nel ghiaccio ogni molecola d’acqua forma 4 legami idrogeno. Questi legami creano un reticolo cristallino regolare, simile a una gabbia. Le molecole d’acqua sono bloccate nello spazio. Le molecole di acqua sono più distanti e il ghiaccio occupa un volume maggiore rispetto alla stessa massa di acqua liquida. Il ghiaccio ha minore densità, quindi galleggia sull’acqua.

L’acqua può formare legami a idrogeno con tutti i soluti polari. L’acqua è il solvente per eccellenza.

Interazione idrofobica = tende a minimizzare i suoi contatti con sostanze non polari (idrofobiche). Le molecole d’acqua NON possono fare legame idrogeno con le sostanze idrofobiche. Le molecole che si trovano a contatto con la sostanza idrofobica NON possono assumere alcune orientazioni (minore libertà). Le molecole d’acqua sulla superficie di separazione con la sostanza idrofobica sono in uno stato più ordinato. Minimizzando la superficie di separazione tra acqua e sostanza idrofobica, si minimizza anche il numero di molecole d’acqua «ordinate». Dal punto di vista termodinamico, questa situazione è più stabile: i sistemi tendono al massimo disordine.

Sostanze antipatiche = contengono sia gruppi polari che gruppi apolari.

Ionizzazione acqua

La quantità di acqua che dissocia è trascurabile (2 molecole su 1 miliardo). La [H2O] può essere considerata costante. Prodotto ionico dell’acqua (KW): è il prodotto delle concentrazioni degli ioni idrogeno [H+] e degli ioni idrossido [OH-] in una soluzione acquosa. Deriva dalla costante di equilibrio. La concentrazione degli ioni idrogeno in soluzioni acquose è misurata con la scala del PH.

Acidi = si definisce acida qualsiasi sostanza che disciolta in acqua ne aumenta il contenuto in H+. Acidi forti si dissociano completamente mentre acidi deboli esiste un equilibrio. Basi = si definisce base una molecola che disciolta in acqua ne diminuisce il contenuto in H+.

Sistemi tampone, sistema che tende ad opporsi alle variazioni del PH indotte dall’aggiunta di acidi o basi. Costituito da una coppia acido/base coniugata. pKa = -logKa. Acidi deboli si comportano come sistema tampone quanto il PH della soluzione ha valori simili alla sua pKa. Più precisamente quando il PH della soluzione ha un valore uguale a pKa +-1. Quando il PH circa uguale alla pKa, in soluzione sono presenti la forma dissociata e la forma non dissociata in concentrazioni comparabili. Basi deboli possono comportarsi da sistemi tampone quando il PH della soluzione ha valori simili alla pK della loro dissociazione.

Proprietà:

• Punto fusione e ebollizione, calore specifico, solvente, strutturante (interazione idrofobica), ionizzazione dell’acqua, acqua come reagente/prodotto.
• L'acqua può agire come reagente per rompere i legami di altre molecole (idrolisi).
• L’acqua può essere un prodotto nella formazione di nuovi legami tra molecole (condensazione).

Queste due reazioni sono molto comuni a livello di metabolismo.

Composti del carbonio

Composti organici: molecole a base di carbonio (molecole organiche). Il carbonio NON ionizza (non acquista e non cede elettroni).

Il carbonio è l’unico elemento ha la capacità di formare catene stabili di varia lunghezza e forma, costituite da atomi di C legati tra loro tramite legami covalenti.

C ha valenza 4 quindi è in grado di fare 4 legami covalenti.

Composti inorganici: molecole formate da tutti gli elementi diversi dal carbonio.

Molecole biologiche. Legame singolo tra due C: geometria dei 4 legami tetraedrica (4 vertici equidistanti e il più possibile lontani tra loro). Possibile la rotazione delle due semimolecole intorno al legame. Legame doppio tra due C: struttura planare, non consentita rotazione.

Possibilità di fare altri 3 (caso A) oppure 2 (caso B) legami con altri atomi. Gli atomi più frequentemente legati con il C, oltre al carbonio stesso, sono H, O e N. H (valenza 1) può fare solo legame singolo con C. O (valenza 2) e N (valenza 3) possono legarsi ad un C con legame singolo o doppio.

Idrocarburi

Sono formati esclusivamente da C e H. Molecole simmetriche e senza carica. Sono composti apolari insolubili in acqua. Si dividono in saturi: presentano soltanto legami singoli tra gli atomi di carbonio; insaturi: contengono uno o più doppi legami tra gli atomi di carbonio.

Isomeria cis/trans presente quando i due gruppi differenti sono legati alle due estremità del doppio legame. Stereoisomeri: stesse «connessioni» tra gli atomi, diversa struttura tridimensionale. Trans: lineari, si impaccano bene. Cis: forma irregolare e ripiegata, poca interazione, sono più fluidi.

Idrocarburi aromatici = idrocarburi ciclici con alternanza di legami singoli e doppi. Doppi legami coniugati; elettroni di valenza ugualmente distribuiti sugli atomi di carbonio impegnati nel legame.

Composti derivati: con gruppi funzionali contenenti ossigeno. Si ottengono composti derivati degli idrocarburi, sono composti polari, se numero C inferiore a 10 solubili in acqua.

Alcoli

Gruppo funzionale è polare, il gruppo non dissocia, saldamente legato con legame covalente (non modifica il PH a differenza delle basi che liberano OH-). Il gruppo funzionale sostituisce il metile terminale oppure un CH2 interno alla molecola. Alcuni composti contengono più di un gruppo alcolico.

Aldeidi e chetoni

Gruppo funzionale è polare, NON può dissociare. Il carbonio carbonilico, oltre all’ossigeno, lega un idrogeno e un carbonio. Il gruppo funzionale è sulla posizione terminale.

Chetone = carbonio carbonilico oltre all’ossigeno lega altri due carboni. Il gruppo funzionale si trova all’interno della molecola.

Acidi carbossilici = ossigeno carbonilico elettronegativo porta a dissociazione di H+ del gruppo ossidrilico. Acidi carbossilici a lunga catena sono anche chiamati acidi grassi, insolubili in acqua, gruppo carbonilico presente negli AA.

Reazioni ossido-riduzione

Basate su cessione di elettroni tra specie chimiche. Si ossida la specie chimica che perde elettroni (ha azione riducente). Si riduce la specie chimica che acquista elettroni (ha azione ossidante).

Derivanti dei composti organici ossigenati = acqua partecipa a reazioni, è un prodotto di reazione. Sono reazioni di condensazione: unione di 2 composti con liberazione di acqua. Eteri = derivano dal legame di due alcoli, acetali = reazione fra aldeide/chetone e alcol. Esteri = reazione fra acido carbossilico e alcol, sostanze grasse animali e vegetali sono esteri, anidridi = reazione fra 2 acidi, legame anidridico dell’acido fosforico si trova nell’ATP e in intermedi metabolici.

Composti contenenti azoto = ammine, gruppo funzionale amminico, derivati dall’ammoniaca e sono basi deboli e ammidi, reazione fra acido e ammina.

Composti contenenti zolfo = tioli, sono degli analoghi degli alcoli in cui l’atomo di O è sostituito dallo zolfo. Disolfuri, da ossidazione dei gruppi tiolici, es. legame tra 2 cisteine.

Carboidrati

C, H e O sono combinati in un preciso rapporto stechiometrico, idrati di carbonio. Glucosio e gliceraldeide. Monosaccaridi contengono gruppi funzionali carbonilici e un gruppo alcolico per ognuno degli altri carboni.

Derivati aldeidici o chetonici di alcoli poliossidrilici che devono essere formati da almeno 3 atomi di carbonio. I monosaccaridi sono classificati in base a: numero atomi di carbonio, natura del gruppo carbonilico e centri chirali.

Centri chirali = un carbonio legato a 4 sostituenti (gruppi chimici) diversi è definito chirale (o carbonio asimmetrico). Un carbonio chirale può esistere in due configurazioni (forme) tra di loro speculari e NON sovrapponibili. Le due configurazioni sono definite enantiomeri e stereoisomeri.

In un monosaccaride sono chirali tutti gli atomi di carbonio presenti tranne:

• Il carbonio carbonilico (aldeidico o chetonico).
• I due atomi di carbonio all’estremità della molecola.

Ogni C* (carbonio chirale) può essere presente in una delle due configurazioni. Per convenzione le due configurazioni vengono distinte scrivendo il gruppo alcolico a destra o a sinistra della molecola (in rosso nella figura).

I monosaccaridi che hanno uguale numero di atomi di carbonio e uguale gruppo carbonilico, vengono distinti tra loro in base alla conformazione assunta dei centri chirali (sono zuccheri diversi!).

Es. diverse strutture di glucosio, mannosio e galattosio. Questi tre monosaccaridi sono tutti aldoesosi, differenti tra loro per la configurazione assunta dai centri chirali.

In funzione della configurazione assunta dal centro chirale presente sul penultimo carbonio della catena, i monosaccaridi vengono distinti in «D» e «L» (che per gli esosi è il carbonio in posizione 5).

• D: quanto il gruppo alcolico (OH) viene scritto a destra della catena.
• L: quanto il gruppo alcolico (OH) viene scritto a sinistra della catena.

Struttura ciclica dei monosaccaridi

Quando si trovano in soluzione acquosa i monosaccaridi pentosi ed esosi assumono una forma ciclica. Avviene una reazione intramolecolare tra gruppo carbonilico e il gruppo ossidrilico. Il legame emiacetilico impedisce reazione aspecifica del gruppo carbonilico con altre molecole.

Anomeri

Il carbonio emiacetilico della forma ciclica risulta chirale. Da una stessa molecola di glucosio possono derivare due isomeri geometrici definiti anomeri alfa e beta.

Il carbonio emichetalico della forma ciclica risulta chirale. Formazione di due isomeri geometrici definiti anomeri alfa e beta.

Disaccaridi = gruppo carbonilico di un monosaccaride può formare un secondo legame acetilico con ossidrile OH di un altro monosaccaride. Formazione legame glicosidico, può avvenire con carboni in diversa posizione e può essere alfa o beta. Il legame glicosidico può avvenire tra due gruppi carbonilici.

Polisaccaridi = polimeri costituiti da monosaccaridi legati tra loro da legami glicosidici. Polimeri del glucosio: amido, glicogeno e cellulosa.

Amido = amilosio 20-30% amido, catene lineari con legami alfa e avvolta a spirale. Amilopectina = 70-80% amido, sono catene ramificate e catene lineari con legami alfa 1-4 ogni 20-30 residui alfa 1-6 per inserire ramificazioni.

Glicogeno = catene ramificate, catene lineari con legami alfa 1-4 e legami alfa 1-6 per inserire ramificazioni circa ogni 10 residui. Cellulosa = catene lineari con legami beta 1-4, struttura fibrosa e non digeribile per l’uomo.

Lipidi

Gruppi composti eterogenei, tutti contengono gruppi idrocarburi apolari. Sono insolubili in acqua, solubili in solventi non polari. Acidi grassi = molecole lineari costituite da una catena idrocarburica idrofobica con numero pari di carboni, numerati a partire dal C carbonilico, hanno gruppo carbossilico che è polare e ionizzabile. La catena idrocarburica può contenere doppi legami in configurazione cis e assume struttura ripiegata. Il punto di fusione degli acidi grassi e dei grassi cambia in funzione del numero degli atomi di carbonio e numero di insaturazioni.

Acido linoleico presente solo in vegetali, quindi animali devono assumerli con la dieta.

Trigliceridi = esteri del glicerolo, con 3 acidi grassi, sono molecole neutre e idrofobiche. Hanno funzione di riserva energetica nell’organismo, accumulati in cellule adipose, i depositi di triagliceroli non sono idratati quindi compatti. Il punto di fusione dipende dalla presenza di acidi grassi.