Biochimica - Parte 1

BIOCHIMICA

CENNI DI STRUTTURA ATOMICA

CAP 1

L’ATOMO È A FORMA ELEMENTARE DELLA

MATERIA COSTITUITA DA TRE PARTICELLE

…..

La massa vuol dire che protone e neutrone hanno massa analoga ed è circa 10 alla

meno 24 grammi di massa.

L'elettrone, invece, ha una massa di circa mille volte più piccola ed è questo il motivo

per cui, quando viene considerato il peso atomico oppure la massa tonica relativa, si fa

riferimento unicamente al numero dei protoni e neutroni e non anche al numero degli

elettroni perché sono talmente più piccoli rispetto al protone e al neutrone che possono

anche essere non considerati.

Il protone il neutrone l'elettrone

ha carica positiva, ha carica neutra, ha carica negativa.

E le cariche opposte si attraggono, cariche uguali si restringono.

Tutti gli elementi vengono, sia quelli che si trovano naturalmente in natura, ma anche

quelli che sono stati creati artificialmente dall'uomo e che non si trovano con la natura

naturalmente in stadi, vengono raccontati nella cosiddetta tavola periodica degli eletti.

TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

La tavola periodica degli elementi quindi raggruppa, secondo uno schema ben preciso,

tutti i vari tipi di elementi e inoltre dà anche varie informazioni sulle caratteristiche degli

atomi che si trovano nella tavola periodica degli elementi. Ad esempio possiamo vedere

che per ogni elemento (quindi l’elemento = l'atomo dello stesso tipo), è presente un

numero che viene chiamato numero atomico. Il numero atomico definisce il numero

di protoni presente nel numero.

E ogni elemento ha un numero differente di protoni rispetto agli altri elementi, perché

quello che definisce veramente un elemento è il suo numero di protoni. Ovvero che se il

nucleo ha un solo protone quello è idrogeno, se il nucleo ha due protoni quello è etio, se

ha tre protoni è litio, e via di scritto. Sempre nella tavola periodica degli elementi è

possibile trovare anche il cosiddetto peso atomico.

Il peso atomico è un'indicazione del numero di protoni

e neutroni che si trova all'interno del nucleo. Quindi,

dentro al numero atomico 2 , che vuol dire neutroni,

ha peso atomico 4 , che significa che all'interno del

nucleo ha anche due neutroni, perché il peso atomico

è la somma di protoni e neutroni. Ad esempio

l'ossigeno ha otto protoni e un peso atomico di sedici

Quindi significa che l'ossigeno ha otto protoni e otto

neutroni. 1 il periodo e il gruppo.

Nella tavola periodica degli elementi è possibile individuare anche

Il periodo è praticamente la riga su cui si trovano gli elementi.

Quindi idrogeno e elio saranno nel primo periodo, il nitro, il peridio e il coro, il carbonio e

indica il numero di

saranno nel secondo periodo e così via. Il periodo essenzialmente

orbitali in cui sono presenti gli elettroni. Quindi gli elementi che si trovano nel secondo

periodo vuol dire che hanno due orbitali.

Il gruppo indica il numero di elettroni nell'ultimo orbitale, solo nell'ultimo. Ad esempio il

carbonio che si trova nel quarto gruppo significa che avrà quattro elettroni nell'ultimo

orbitale. L’ossigeno ha otto elettroni in totale, di cui sei nell’ultimo livello energetico,

mentre fluoro, cloro e bromo ne hanno sette nell’ultimo livello.

Per stabilire la reattività e la propensione di un atomo a partecipare a reazioni chimiche,

si considerano gli elettroni presenti nell’ultimo orbitale, poiché sono quelli che vengono

utilizzati per formare i legami chimici.

ISOTOPI: ATOMI DELLO STESSO ELEMENTO MA CON PESO ATOMICO

DIVERSO

Gli atomi hanno anche degli isotopi. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento, ma

con peso differente. Ma con peso atomico differente.

Il che significa che, se sono atomi dello stesso elemento, vuol dire che avranno sempre

lo stesso numero di protoni. Ma, se hanno peso atomico differente, significa che sarà

diverso il numero di neutroni.

Quindi gli isotopi avranno lo stesso numero di protoni, ma con un differente numero di

neutroni. Uguale numero di protoni, differente numero di neutroni.

Questo, nel senso di primo, è il classico idrogeno che, come vedete, è caratterizzato

dall’avere un solo protone. Poi abbiamo il deuterio, che è un isotopo dell’idrogeno e

possiede anche un neutrone. Inoltre, esiste il trizio, anch’esso un isotopo dell’idrogeno,

che contiene due neutroni. La reattività chimica rimane la stessa, poiché essa dipende

principalmente dagli elettroni, non dai neutroni.

Quello che cambia, in questo caso, è il peso atomico. Alcuni isotopi hanno anche la

caratteristica di essere radioattivi, perché sono molto instabili, e possono degradare e

radiazioni alfa, le radiazioni beta e le

emettere vari gruppi di radiazioni, come le

radiazioni gamma. Come nel primo caso, le radiazioni gamma sono una coppia di

protoni, le beta sono degli elettroni, e le gamma invece sono dei protoni.

(Ci sono differenti tipi di radiazioni. I grandi isotopi, si utilizzano molto in campo

biochimico e in campo medico, ad esempio. In campo biochimico, ad esempio il

carbonio 14 che è un isotopo radioattivo del carbonio)

2

E in che cosa viene utilizzato il carbonio-14? Per la datazione dei reperti storici. Un altro

isotopo molto utilizzato in biochimica è il fosforo-32, che viene impiegato come

marcatore del DNA.

Questi isotopi vengono comunemente utilizzati in laboratorio, anche se non ovunque: per lavorare con i

radioisotopi è necessario disporre di locali dedicati, come la cosiddetta camera calda, avere tutti i sistemi di

protezione adeguati e aver seguito un corso specifico per il loro impiego. Inoltre, serve uno scintillatone per

rilevare la radioattività.

In ogni caso, i radioisotopi in biochimica sono molto utili e ampiamente utilizzati.

LEGAMI CHIMICI :

Qual è la differenza tra un atomo e una molecola?

L’atomo è la struttura fondamentale di un singolo elemento: per esempio, gli atomi di

carbonio, ossigeno, azoto, fosforo e idrogeno.

Le molecole, invece, sono strutture formate da due o più atomi.

Quindi, una molecola può essere costituita da atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno,

azoto e fosforo.

A livello chimico, biologico e cellulare, la maggior parte delle sostanze è costituita da

molecole, piuttosto che da singoli elementi.

I vari atomi possono unirsi per formare molecole attraverso la formazione dei cosiddetti

legami chimici.

Oltre ai legami chimici, esistono anche altri tipi di forze di attrazione che non sono

veri e propri legami, ma interazioni più deboli, come ad esempio il legame idrogeno, le

interazioni idrofobiche, le forze di Van der Waals e le interazioni ioniche

MENTRE I LEGAMI SONO DI TIPO COVALENTE.

Qual è la differenza tra i legami di tipo covalente e altre attrazioni, altre forze di

attrazione. Il legame di tipo covalente avviene quando c'è la messa in comune di due

elettroni. legame chimico, legame covalente,

Quindi un un che viene rappresentato da una

lunetta sempre costituito da due elettroni. Generalmente questi elettroni vengono

condivisi da due atomi, nel senso un atomo mette a disposizione l'elettrone, l'altro

atomo mette a disposizione l'altra elettrone per formare questo organo.

Nella maggior parte dei casi così, non è sempre vero, ma ci può essere anche il caso in

cui un atomo che è il più altruista dell'altro, che mette a disposizione due elettroni,

l'altro atomo invece naturalmente non mette a disposizione nessun elettrone. Però

indipendentemente da chi uccide gli elettroni, un legame è sempre formato da una

coppia di elettroni. Qua invece esistono queste tipi di attrazione, in cui non sono dei

forza

propri legami, non c'è la messa in comune di due elettroni, ma è qualche tipo di

che tende a far unire gli atomi.E sono le attrazioni ioniche, le attrazioni metaforiche, le

attrazioni chimiche. 3

NON fatevi ingannare dai legami androgeno, perché non è un vero e proprio legame, è

comunque una forza di attrazione anche se prende il nome di legame androgeno, ok?

Qui da appunto sono ricordato alcuni esempi di queste tipi di attrazione, l'energia di

legame. Ogni tipo di legame per l'attrazione è gestito dalla cosiddetta energia di

legame, che può essere definita come l'energia necessaria per rompere quei legami

oppure quell'attrazione.

Più è alta l'energia di legame, più forte sarà il legame oppure il tipo di interazione.

Quindi vedete che qui sono state anche notate una sorta di ordine sulla base

dell'energia di legame e potete vedere che naturalmente il legame covalente, essendo

proprio un vero e proprio legame, richiede un'energia maggiore rispetto alle varie forze

di attrazione. Tra le varie forze

di attrazione, tralasciando un

attimino l'attrazione ionica, il

legame androgeno è, tra le

varie forze di attrazione, quello

più forte.

Il legame androgeno viene

utilizzato per determinare le

strutture tridimensionali di

molte molecole, in particolare

delle proteine. Pertanto certe

proteine avranno determinata forma nello spazio proprio grazie alla presenza dei

legami androgeno.

IL LEGAME COVALENTE

Quindi, molto schematicamente, nel legame covalente abbiamo due atomi separati

— qui

rappresentati in blu — e questa è la nuvola elettronica.

Gli atomi si “appiccicano” grazie alla messa in comune di due elettroni, e così si

forma il legame.

I legami covalenti, come sapete bene, possono essere singoli, doppi o tripli,

sempre tra due atomi.

Nel caso del legame singolo, schematicamente, ci sarà una sola coppia di

elettroni condivisa, cioè la messa in comune di due elettroni.

Nel legame doppio, o ad esempio nel caso degli alcheni, ci sarà un legame doppio,

dove naturalmente per ogni legame ci sono sempre due elettroni. Nel caso degli

alchini, invece, ci saranno tre legami.

Qual è la principale differenza tra un legame singolo e un legame doppio o triplo? I legami singoli sono in

grado di ruotare attorno all’asse di legame, mentre questo non è possibile nei legami doppi o tripli.

Ad esempio, nel legame singolo tra due atomi di carbonio, i due atomi possono ruotare liberamente attorno

all’asse del legame. Un’altra caratteristica importante è che il tipo di legame influenza la forma

₄

tridimensionale della molecola. Se sono presenti solo legami singoli, come nel metano (CH ), la molecola

4

assume una struttura tetraedrica. Negli alcheni, invece, la struttura è planare, mentre negli alchini la

geometria è lineare.

Inoltre, i due elettroni di un legame singolo sono sempre condivisi tra gli atomi coinvolti. Nei legami doppi o

tripli, invece, ci sono più coppie elettroniche condivise, che determinano la rigidità della molecola e

l’impossibilità di rotazione attorno all’asse del legame.

Rimanendo in tema di legami covalenti, è utile parlare dell’elettronegatività, che è la tendenza di un atomo

ad attrarre verso di sé gli elettroni di legame. Alcuni atomi, rispetto ad altri, sono più “elettronici” e quindi

attraggono con maggiore forza gli elettroni condivisi.

Questo fenomeno dipende da diversi fattori:

 Numero di protoni nel nucleo: più protoni ci sono, maggiore è l’attrazione sugli elettroni.

 Distanza tra gli elettroni di valenza e il nucleo: più gli elettroni sono vicini al nucleo, maggiore

è l’elettronegatività.

 Tendenza a completare l’ottetto: gli atomi cercano naturalmente di avere otto elettroni nel

livello più esterno.

Ad esempio, gli elementi del settimo gruppo, come il cloro, sono molto elettronegativi perché per completare

l’ottetto devono acquistare un solo elettrone. La loro configurazione elettronica si avvicina a quella dei gas

nobili, che sono stabili e poco reattivi.

Qui valore di elettronegatività. Maggiore è l'elettronegatività, maggiore è la tendenza

dell'atomo ad avvicinare su di sé la nuvola di elettroni di legame. Quindi cloro,

ossigeno e fluoro sono tutti molto elettronegativi, mentre gli elementi del primo gruppo

sono meno elettronegativi.

Qual è la formula rappresentata qui? Vedete che nella formula dell'acqua l'ossigeno è legato covalentemente a

due atomi di idrogeno.

L'idrogeno è poco elettronegativo, quindi gli elettroni del legame vengono attratti maggiormente

dall'ossigeno. Ciò significa che l'ossigeno assume una carica parziale negativa, mentre l'idrogeno assume

una carica parziale positiva. ⁻

Si crea così quello che viene chiamato dipolo, dove l'ossigeno ha una carica parziale negativa (δ ) e

⁺ ⁻

l'idrogeno una carica parziale positiva (δ ). Questo movimento della nuvola elettronica viene indicato con σ

⁺

per l'ossigeno e σ per l'idrogeno.

Se il legame è tra due atomi con elettronegatività molto simile o uguale, non si crea un dipolo. Ad esempio,

₄

nel metano (CH ) il carbonio ha elettronegatività 2,5 e l'idrogeno 2,1: essendo valori simili, gli elettroni sono

distribuiti uniformemente e non si forma un dipolo. Questo tipo di legame è chiamato covalente apolare.

La polarità dei legami determina anche la polarità delle molecole e influisce sulla solubilità secondo il

principio “simile scioglie simile”. Molecole polari, come acqua, zuccheri e proteine, si sciolgono meglio in

solventi polari, mentre molecole apolari, come metano e grassi, si sciolgono meglio in solventi apolari.

5

La presenza di dipoli può inoltre dare origine a una forza di attrazione chiamata legame a idrogeno, che non

è un vero legame chimico ma una forza di attrazione molto intensa. Si forma tra un idrogeno parzialmente

positivo di una molecola e un atomo elettronegativo con coppia elettronica libera di un’altra molecola. Un

⁺

esempio è l’attrazione tra le molecole d’acqua, dove l’idrogeno δ di una molecola viene attratto

⁻

dall’ossigeno δ di un’altra molecola.

LEGAME IDROGENO

Il legame a idrogeno si forma tra un idrogeno parzialmente positivo (δ⁺) di una

molecola e un atomo elettronegativo parzialmente negativo (δ⁻) di un'altra molecola,

secondo il principio che cariche opposte si attraggono.

⁺ ⁻

Ad esempio, nella molecola dell’acqua, l’idrogeno δ di una molecola viene attratto dall’ossigeno δ di

un’altra molecola, creando questo tipo di attrazione.

Altri atomi che possono generare un legame a idrogeno, oltre all’ossigeno, sono il fluoro e l’azoto. Quindi

⁺

un legame a idrogeno può formarsi tra un idrogeno δ e un atomo elettronegativo come F, O o N.

Nel campo della biologia, i legami a idrogeno più frequenti coinvolgono ossigeno e azoto, che sono gli

atomi più elettronegativi presenti nelle biomolecole.

Un trucco per ricordarli: pensate a FON → Fluoro, Ossigeno, Azoto.

I legami a idrogeno non si trovano solo tra molecole distinte, ma possono anche formarsi all’interno della

stessa molecola, come accade nelle proteine o nel DNA, stabilizzando strutture tridimensionali e interazioni

tra regioni differenti della stessa molecola.

Come in questo caso, diciamo che questa sia una proteina particolarmente strana

nella sua forma, però qui vedete che si può instaurare un legame a idrogeno tra due

regioni anche molto distanti della proteina stessa.

Per esempio il DNA è formato da due filamenti che sono attorcigliati a formare una

struttura elicoidale. Questi due filamenti sono uniti tra di loro da legami a idrogeno.

Questo è simile a come si formano i legami a idrogeno tra le varie molecole d'acqua.

Una molecola d'acqua può formare fino a tre legami a idrogeno: l'ossigeno e i due

idrogeni. La presenza dei legami a idrogeno determina, ad esempio, il fatto che

l'acqua abbia un elevato punto di ebollizione.

Perché? Per far evaporare l'acqua, il sistema deve fornire molta energia per rompere tutti questi legami a

idrogeno. Quindi tendenzialmente l'acqua richiede più energia rispetto ad altre molecole per separarsi.

Per esempio l’etanolo, infatti esso ha un punto di ebollizione di circa 82 °C: avendo meno legami a idrogeno,

l'interazione tra le molecole è più semplice da rompere.

Per quanto riguarda gli altri due tipi di interazioni più deboli:

 Interazioni idrofobiche, che avvengono tra molecole non polari. Queste interazioni non sono

così forti come i legami a idrogeno. 6

 Forze di Van der Waals, che possono verificarsi sia in molecole polari sia in molecole apolari.

Si tratta della creazione di momenti dipolari temporanei nelle molecole. Ad esempio, nel caso di una

molecola di metano, che non ha legami a idrogeno, per un brevissimo momento il carbonio può

attrarre leggermente di più gli elettroni rispetto agli idrogeni, generando un dipolo temporaneo.

Queste sono le cosiddette forze di Van der Waals, che si creano a causa di dipoli momentanei nelle molecole.

Tutti chiari? Adesso domande. Secondo voi, qual è la molecola organica più importante? L'acqua ha

caratteristiche uniche che la rendono perfetta per svolgere molte funzioni biologiche:

 Ha un elevato potere solvente, quindi riesce a sciogliere tantissimi soluti anche ad alte

concentrazioni, come aminoacidi, proteine, zuccheri e metaboliti vari.

 È liquida tra 0 e 100 °C, un intervallo raro per le molecole comuni.

 Partecipa a molte reazioni biochimiche, come le reazioni di idrolisi, in cui una molecola viene

scissa tramite l’acqua.

 Può comportarsi sia da acido sia da base.

L’ ACQUA

Questa è la forma tridimensionale dell'acqua