Biologia animale

La composizione chimica degli esseri viventi

Gli esseri viventi sono costituiti dagli stessi elementi dei non viventi e obbediscono alle leggi universali della chimica e della fisica. Questo denota come la biologia si interfaccia in maniera necessaria ed obbligata con altre materie, come la chimica. Nella tavola periodica degli elementi, detta anche tavola di Mendeleev, gli elementi sono raggruppati in periodi e gruppi e sono contrassegnati da un simbolo. Vi sono degli elementi propri della materia vivente (idrogeno, sodio, potassio, magnesio, calcio, carbonio, azoto, fosforo, ossigeno, zolfo e cloro), che si ritrovano nella stessa in proporzioni molto diverse.

Gerarchia dell’organizzazione biologica

Vi è un grado di complessità crescente dell’organizzazione biologica degli organismi viventi. L’elemento più semplice che costituisce gli organismi viventi è l’atomo. Dall’aggregazione di atomi si formano le molecole inorganiche, dalle quali poi si originano le biomolecole. Tutta la materia è composta da atomi, l’unità indivisibile che costituisce la materia.

Il modello atomico di Bohr

Il modello di Bohr prevede un’organizzazione dell’atomo in protoni (particelle cariche positivamente), neutroni (particelle che hanno carica neutra) ed elettroni (particelle che hanno una carica negativa). Nella disposizione spaziale di queste particelle nel modello di Bohr, protoni e neutroni si trovano al livello del nucleo, mentre gli elettroni sono intorno al nucleo e occupano quelli che prendono il nome di gusci elettronici o livelli energetici.

Elementi e isotopi

Nella tavola periodica, gli elementi vengono identificati da simboli e sono caratterizzati dal numero atomico (che si riferisce al numero di protoni) e dal numero di massa (dato dal numero di protoni più il numero dei neutroni). Quando si parla di sostanze pure si fa riferimento a quelle sostanze costituite da un unico tipo di atomi. La tavola periodica consta di 103 elementi, di cui 89 sono presenti in natura e i restanti sono sintetizzati in laboratorio (plutonio, fermio, americio, curio).

Gli organismi viventi sono costituiti dagli stessi elementi della materia non vivente. Le cellule procariotiche sono tendenzialmente degli organismi unicellulari come ad esempio i batteri. Esse sono costituite per il 70% da acqua e per il restante 30% da una serie di macromolecole suddivise in proteine, acidi nucleici ripartiti tra RNA e DNA (l’RNA nelle cellule procariotiche è in percentuale 6%, maggiore rispetto a quella del DNA che è presente all’1%), lipidi (in particolare fosfolipidi), polisaccaridi (glucidi) e piccole molecole (come elettroliti).

Elementi essenziali per l’uomo

Ossigeno, carbonio e idrogeno sono i principali costituenti dell’uomo. L’ossigeno è presente ad una percentuale del 65%. Un’altissima percentuale del corpo umano è costituita da acqua, a partire dall’embrione, al feto fino ad arrivare all’organismo adulto. Il ferro o il magnesio sono presenti in percentuali minori ma sono comunque necessari per una serie di reazioni che avvengono all’interno del corpo.

• H (idrogeno)
• Mg (magnesio)
• C (carbonio)
• N (azoto)
• O (ossigeno)
• Na (sodio)
• Ca (calcio)
• P (fosforo)
• S (zolfo)
• Cl (cloro)
• K (potassio)

Oltre a comporre l’acqua, l’ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici. Gli organelli deputati alla respirazione cellulare sono i mitocondri (componenti subcellulari), che consumano l’ossigeno e consentono la respirazione.

Il carbonio costituisce lo scheletro di tutti i composti organici (ogni C forma 4 legami). L’idrogeno è presente in tutti i composti organici. È un componente dell’acqua (H₂O). Nelle proteine e negli acidi nucleici oltre ai precedenti elementi, è presente l’azoto (amminoacidi, caratterizzati dal gruppo amminico, sono i monomeri che costituiscono le proteine).

Il calcio in forma ionica (Ca²⁺) è importante per la contrazione muscolare, per la liberazione dei neurotrasmettitori. È un componente strutturale di denti e ossa. Il fosforo è un componente degli acidi nucleici, dell’ATP e delle ossa. L’idrolisi fornisce l’energia necessaria per molte reazioni endoergoniche, mentre l’ATP viene rilasciato nelle reazioni esoergoniche (reazioni che liberano energia) per fornire energia alla cellula.

Sodio, potassio e cloro (elettroliti) in forma ionica (Na⁺, K⁺, Cl^-) sono importanti per l’attività elettrica del neurone e nelle cellule in generale. Sono importanti perché contribuiscono all’equilibrio osmotico delle cellule.

Reattività e stabilità degli elementi

Si definiscono elementi sostanze pure di elementi costituiti da un unico tipo di atomi. Il carbonio ha un numero atomico di 6 e un numero di massa pari a 12. L’idrogeno, elemento del I gruppo e del I periodo avrà un numero di massa pari a 1 e un numero atomico pari a 1. La reattività degli elementi, ovvero la loro stabilità, è strettamente correlata agli elettroni che sono disposti sui gusci più esterni.

Se si guarda la materia vivente, però, vi possono essere delle variazioni. Gli isotopi sono quegli elementi in cui il numero di massa cambia, mentre il numero atomico resta costante. Ad esempio, tra gli isotopi del carbonio vi è il carbonio-12 (stabile), il carbonio-13 (stabile) e il carbonio-14 (instabile, utilizzato per la datazione dei reperti archeologici). L’instabilità del carbonio-14 può essere valutata attraverso il cosiddetto decadimento radioattivo.

Oltre agli isotopi del carbonio, in natura, esistono anche altri isotopi come quelli dell’idrogeno: il deuterio, un isotopo stabile con numero di massa 2 e il trizio, che invece è un isotopo instabile con un numero di massa pari a 3. Un isotopo instabile tende a decadere, ovvero a perdere particelle ed emettere energia. È radioattivo e per potersi stabilizzare va incontro al cosiddetto decadimento radioattivo, che può essere rappresentato graficamente riportando, su un diagramma cartesiano, in ordinata il numero di nuclei radioattivi e in ascissa il tempo.

Dunque, il numero di nuclei radioattivi è riportato in funzione del tempo. In questo grafico è importante il tempo di dimezzamento, ossia il tempo in cui il 50% della sostanza radioattiva si dimezza. Questo tempo è variabile da elemento ad elemento. Vi sono, ad esempio, degli isotopi stabili che hanno un’emivita lunghissima. Quindi, a seconda dell'isotopo che ci si trova di fronte, si possono avere tempi di dimezzamento variabili con anche delle applicazioni diversificate in funzione del tempo di dimezzamento. È possibile sfruttare il tempo di dimezzamento degli elementi in varie applicazioni.

Applicazioni dei radioisotopi

Tra le applicazioni dei radioisotopi in biologia e biomedicina vi è la datazione di reperti fossili, la marcatura degli acidi nucleici e i radiofarmaci. La marcatura degli acidi nucleici serve per analisi di espressione genica nella cellula. Tale tecnica è stata utilizzata fino agli anni 2000 e ormai è diventata quasi desueta perché gli isotopi, nella maggior parte dei casi, sono stati sostituiti da delle marcature cosiddette “a freddo”.

Per chi lavorava con i radioisotopi vi erano dei rischi per la salute perché chiaramente vi era emissione di radiazioni. Per anni e anni si è utilizzato questo metodo radioattivo e la marcatura più comune degli acidi nucleici è quella che prevede l’utilizzo del fosforo-32. Gli acidi nucleici sono costituiti da nucleotidi trifosfato e, dunque, il fosforo è un costituente degli acidi nucleici. Utilizzare il fosforo marcato è una strategia per andare a seguire gli acidi nucleici stessi.

In particolare, l’isotopo del fosforo che si utilizzava in laboratorio (fosforo-32) creava un tempo di dimezzamento o di decadimento radioattivo pari a 14 giorni: il segnale rilevato aveva una durata di 14 giorni, che era il tempo di dimezzamento di quell’elemento. Vi sono poi delle tecniche di laboratorio che si chiamano Northern blot e Southern blot che consentono appunto di andare a fare questo tipo di valutazioni. Il tempo di dimezzamento varia da elemento ad elemento: ad esempio, quello del carbonio-14 è di 5730 anni. Il potassio-40 ha un tempo di dimezzamento di 1,3 miliardi di anni.

Radiofarmaci e diagnostica

I radiofarmaci vengono utilizzati come traccianti radioattivi per esami diagnostici. Un esame diagnostico che si basa proprio sull’utilizzo di molecole marcate è la PET (Tomografia a emissione di positroni). Essa utilizza un analogo marcato del glucosio, il fluoro-deossiglucosio (18F), che ha un’emivita di circa 110 minuti. Deve avere un’emivita breve in primis perché il corpo umano continuerebbe ad essere radioattivo anche dopo l’esame: 110 minuti è un tempo ragionevole tra la durata dell’esame e l’analisi del risultato della PET. Permette la valutazione del metabolismo/accumulo cellulare del glucosio sulla base dell’accumulo del tracciante radioattivo e consente di diagnosticare un tumore, di valutarne la progressione o l’efficacia di una terapia.

Le cellule tumorali sono altamente proliferative e hanno un metabolismo prevalentemente glicolitico, ossia utilizzano il glucosio come principale nutriente. Viene utilizzato un analogo marcato del glucosio perché il glucosio è il principale substrato di cui si nutrono le cellule tumorali: quindi, il metabolismo delle cellule tumorali è glicidico, e lì dove il deossiglucosio si va ad accumulare significa che vi è un potenziale focolaio tumorale.

La datazione dei reperti fossili è possibile grazie all’emivita lunghissima del carbonio-14 (5730 anni). Tutte le piante assimilano anidride carbonica e l’anidride carbonica presente nell'aria è costituita prevalentemente da carbonio non radioattivo e cioè da carbonio-12. Tuttavia, esiste una minima percentuale di carbonio-14, cioè di carbonio radioattivo: le piante assimilano prevalentemente carbonio-12 (attraverso la CO₂), ma anche tracce di carbonio-14. Dunque, l'uomo e gli animali che si nutrono di piante assorbono una seppur minima percentuale di carbonio-14.

Dopo la morte degli esseri viventi, questo carbonio-14 resta nella materia: “nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma”. Quindi, proprio da questo carbonio-14 che viene restituito alla terra si può risalire alla datazione del reperto fossile, sfruttando l’emivita cioè il tempo di dimezzamento del carbonio-14. Esistono degli strumenti in laboratorio che consentono di datare e di quantificare in maniera molto precisa la percentuale di carbonio-14 presente in un dato reperto, materiale biologico. Questi strumenti prendono il nome di spettrometri di massa che consentono di separare, attraverso la creazione di picchi specifici (perché questi strumenti generano un file di output costituito da dei picchi), il carbonio-12 e il carbonio-14 e quindi consentono di risalire alla datazione storica di quel campione.

Orologio nucleare e tempo di dimezzamento

Quello dell’orologio nucleare è un metodo basato sulla misura delle abbondanze relative del C¹⁴, mediante spettrometro di massa, in grado di separare C¹² e C¹⁴ da un campione. Calcola il numero di emivite del C¹⁴ nel fossile e calcola a quanti anni corrispondono le emivite. In 1/8 vi sono tre dimezzamenti perché il rapporto diventa 1 su 8 ed 8 è uguale a 2³. Quindi moltiplicando 3 per il tempo di dimezzamento del carbonio, che è di 5730 anni, si ottiene il tempo totale. Il numero di emivite è tre che in anni corrispondono a 17.190. La conversione di emivite in anni si effettua moltiplicando 3 per il periodo di dimezzamento del carbonio-14.

Reattività e stabilità degli elementi

La reattività degli elementi dipende dalle loro caratteristiche strutturali e in particolare dal numero di elettroni. La reattività degli elementi dipende, dunque, dagli elettroni che sono presenti sull’ultimo livello energetico, ossia quello più distante dal nucleo e ne condiziona la loro tendenza a cedere o acquistare elettroni. Le reazioni chimiche proprie della materia vivente comportano in genere cambiamenti nella distribuzione degli elettroni fra gli atomi affinché gli elementi raggiungano una maggiore stabilità energetica. Un elemento sarà tanto più stabile quanto è meno reattivo e viceversa. È come se la reattività e la stabilità fossero tra loro inversamente proporzionali.

Tali cambiamenti dipendono dal livello energetico degli elettroni stessi. Gli atomi possono trovarsi su differenti gusci elettronici o livelli energetici a distanza crescente dal nucleo. Maggiore è la distanza dal nucleo maggiore è l'energia.

Elementi e gusci elettronici

In questa tabella sono rappresentati alcuni elementi. L’idrogeno è l’elemento più semplice ed ha un unico elettrone, localizzato nell’unico livello energetico, che ruota intorno al nucleo. L’elio ha due elettroni localizzati sul primo guscio elettronico e quindi, rispetto all’idrogeno, ha un elettrone in più: esso è estremamente stabile e infatti appartiene al gruppo dei gas nobili insieme all’argon e al neon.

Il carbonio ha sei elettroni distribuiti due nel primo guscio elettronico (che si satura sempre con due elettroni) e quattro nel secondo guscio elettronico. Il secondo guscio è incompleto. Quello dell’ottetto elettronico rappresenta, invece, un esempio di guscio completo e stabile. L’azoto ha due elettroni nel primo guscio e cinque elettroni nel secondo guscio.

Per quanto riguarda i gas nobili, i gusci elettronici sono completi in ogni caso: l’elio ha il primo guscio completo ed è stabile; il neon ha il primo e il secondo guscio elettronico completi; l’argon ha il primo, il secondo e il terzo guscio elettronico completi. Quindi, sono poco reattivi. Gli atomi con gusci elettronici incompleti sono più reattivi e tendono ad interagire con altri atomi.

Orbitali e loro caratteristiche

Quando si parla di gusci elettronici si fa riferimento agli orbitali su cui sono distribuiti gli elettroni. Gli orbitali differiscono per forma e numero ed esistono diversi tipi di orbitali:

• Orbitale sferico o orbitale s, è l’orbitale del primo guscio elettronico e può contenere 0, 1 o 2 elettroni.
• Orbitale p, del secondo guscio elettronico, ha una forma più lobata e può essere disposto su tre piani tant’è che esistono tre diversi tipi di orbitali p ossia p_x, p_y e p_z.
• Orbitale d, si ha a partire dal terzo guscio elettronico, è tetralobato ed esistono cinque diversi tipi di orbitale d.
• Orbitale f, si ha a partire dal quarto guscio elettronico ed esistono sette tipi di orbitale f.

Il numero di orbitali aumenta man mano che ci si allontana dal nucleo. Gli orbitali s possono contenere al massimo due elettroni, gli orbitali p sei elettroni, gli orbitali d dieci e gli orbitali f quattordici elettroni. Gli orbitali s sono quelli più vicini al nucleo.

Stabilità e regola dell’ottetto

La stabilità di un elemento dipende dal numero di elettroni presenti negli orbitali più esterni. Alla base della stabilità vi è la regola dell’ottetto elettronico, regola empirica formulata nel 1916 da Gilbert Newton Lewis, per spiegare in linea generale la formazione di legami chimici tra gli atomi.

Di quanti elettroni hanno bisogno C, N, O e Cl per raggiungere la stabilità?

• C = +4 elettroni
• N = +3 elettroni
• O = +2 elettroni
• Cl = +1 elettroni

Configurazioni elettroniche e legami chimici

Il sodio (Na) tenderà a cedere avendo solo un elettrone sul guscio più esterno. Il cloro (Cl) tenderà ad acquistare elettroni avendone sette sul guscio più esterno. Gli atomi si legano fra loro per formare le molecole. Per legame chimico si intende la forza di attrazione che tiene uniti due atomi. Il legame chimico abbassa l’energia potenziale della nuova molecola rendendola più stabile. I legami ionici implicano il trasferimento di elettroni e portano alla formazione di anioni e cationi. Un esempio di legame ionico è il cloruro di sodio (NaCl).

Tra il sodio e il cloro si instaura un legame ionico che dipende dalla differenza di elettronegatività che sussiste tra i due elementi. Sono più elettronegativi quegli elementi che sono in grado di accettare elettroni, mentre sono meno elettronegativi quegli elementi in grado di cedere elettroni. Infatti, l’atomo di sodio che ha un unico elettrone sull’orbitale più esterno, tenderà a cederlo e quindi è meno elettronegativo del cloro, che invece ha sette elettroni sull’orbitale più esterno e tenderà ad acquistare l’elettrone ceduto dal sodio. Questa cessione e/o acquisizione di elettroni si traduce nella formazione di un legame ionico. Il sodio, cedendo un elettrone, si carica positivamente; mentre il cloro, acquistando l’elettrone ceduto dal sodio, si carica negativamente. Se si guarda l’elettronegatività sulla tavola periodica, essa è crescente lungo il gruppo e decrescente lungo il periodo. La stabilità del legame ionico si riduce in acqua.

Il legame covalente implica la condivisione di coppie di elettroni. Tale legame stabilizza le molecole. Nella molecola di idrogeno (H₂) e nella molecola di metano (CH₄) vi sono proprio dei legami covalenti. I legami covalenti sono legami forti che necessitano di una grande quantità di energia per essere scissi.

Il modello a sfera e bastoncini o il modello spazio pieno mettono in evidenza quella che è la struttura tridimensionale della molecola e consentono di osservare l’angolo che si forma tra un legame, ad esempio, del carbonio con un atomo di idrogeno e un altro legame, sempre dello stesso carbonio, con un altro atomo d’idrogeno. L’ampiezza angolare dal legame è di 109,5°. All’interno del legame covalente si possono stabilire delle caratteristiche di polarità o apolarità in funzione dell’elettronegatività.