Appunti completi per esame di biologia applicata

Chimica organica e macromolecole

L'atomo

Gli elementi chimici sono sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici mediante reazioni chimiche ordinarie; in natura ne sono presenti 92 e a ciascun elemento corrisponde un simbolo chimico. L'atomo è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un elemento. È costituito da tre particelle subatomiche: i neutroni (privi di carica o con carica neutra), i protoni (carica positiva) e gli elettroni (carica negativa).

In un atomo elettricamente neutro il numero di protoni e di elettroni è uguale. I neutroni e i protoni formano il nucleo; gli elettroni si muovono intorno al nucleo in delle regioni dello spazio tridimensionale dette orbitali, meglio definiti come “nubi elettroniche”, ovvero aree con densità proporzionale alla probabilità di trovarvi un elettrone in ogni dato istante. Gli orbitali sono caratterizzati da diverse forme, dimensioni, orientamenti spaziali e numeri quantici (s-p-d-f) e ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni.

L'energia di un elettrone dipende dall'orbitale che esso occupa, infatti gli elettroni che occupano livelli energetici più distanti dal nucleo hanno maggiore energia degli elettroni che occupano livelli energetici più vicini al nucleo, a causa dell'attrazione esercitata dal nucleo carico positivamente. Elettroni posti in orbitali con energie simili hanno lo stesso livello energetico principale e costituiscono un guscio elettronico; gli elettroni con maggiore energia, noti come elettroni di valenza, occupano l'orbitale più esterno, noto come guscio di valenza.

Ricevendo energia, gli elettroni possono spostarsi verso orbitali più esterni, e viceversa, rilasciando energia, possono scendere verso orbitali più interni, cioè più vicini al nucleo e con un livello energetico inferiore; le variazioni dei livelli energetici degli elettroni sono importanti per le trasformazioni energetiche che avvengono negli organismi. Il numero di protoni in un atomo ne determina il numero atomico (in basso a sinistra del simbolo chimico); nella tavola periodica gli elementi sono ordinati in base al numero atomico. La somma del numero di protoni e neutroni in un atomo ne determina il numero di massa atomica (in alto a sinistra del simbolo chimico), ovvero la quantità approssimativa di materia contenuta in esso in rapporto a un atomo di un altro elemento; la massa dell'elettrone non viene considerata (nulla o trascurabile) perché è estremamente piccola, anche rispetto a quella del protone e del neutrone. Le masse delle particelle subatomiche vengono espresse in unità di massa atomica (uma) o dalton.

Gli isotopi sono forme di uno stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni, ma differiscono per numero di neutroni e quindi per numero di massa atomica. Avendo lo stesso numero di elettroni, tutti gli isotopi di un elemento hanno le stesse caratteristiche chimiche, ma alcuni sono instabili e tendono a decomporsi o a decadere verso isotopi più stabili, emettendo particelle ed energia (radiazioni), perciò sono detti isotopi radioattivi.

Le reazioni e i legami chimici

Le interazioni chimiche tra gli atomi sono determinate dal numero e dalla disposizione degli elettroni di valenza. Il guscio di valenza di un atomo si dice completo quando contiene 8 elettroni (come nei gas nobili), ad eccezione per i gusci di valenza dell'idrogeno e dell'elio che sono completi quando contengono 2 elettroni. Quindi, gli atomi reagiscono tra loro perché hanno bisogno di completare i propri gusci di valenza e raggiungere la stabilità, cedendo, acquisendo o condividendo elettroni di valenza.

L'elettronegatività è la forza con cui un atomo attrae a sé gli elettroni. Un atomo che cede elettroni è uno ione positivo, detto catione. Un atomo che acquisisce elettroni è uno ione negativo, detto anione. Quando due o più atomi si combinano chimicamente formano una molecola; quando due o più atomi di elementi diversi si combinano chimicamente in un rapporto fisso formano un composto; non tutti i composti sono costituiti da molecole.

La composizione chimica di una sostanza è descritta dalla sua formula chimica, nella quale i simboli chimici identificano gli atomi e i numeri in pedice identificano il rapporto tra essi. Esistono tre tipi di formule chimiche:

• Formula semplice: i numeri in pedice indicano il più piccolo rapporto esistente tra gli atomi del composto.
• Formula molecolare: i numeri in pedice indicano il numero reale di atomi presenti nella sostanza.
• Formula di struttura: viene mostrato il numero di atomi presenti nella molecola e anche la loro organizzazione reciproca.

Le reazioni chimiche possono essere descritte utilizzando equazioni chimiche, scrivendo i reagenti (sostanze che partecipano alla reazione) nella parte sinistra dell'equazione e i prodotti (sostanze che si formano nella reazione) nella parte destra. In un'equazione chimica la freccia significa “produce” ed indica la direzione verso cui procede la reazione; se troviamo una doppia freccia significa che la reazione è reversibile. Inoltre, il numero posto davanti al simbolo chimico indica il numero di atomi o molecole che partecipano alla reazione. Molte reazioni chimiche possono procedere contemporaneamente verso destra e verso sinistra, con velocità di reazione uguale in entrambi i sensi (equilibrio dinamico).

La forza intramolecolare mantiene assieme gli atomi formando molecole o composti. La forza intermolecolare è presente tra le molecole e non tra gli atomi. Un legame chimico è una forza attrattiva che tiene uniti gli atomi di una molecola; l'energia di legame è la quantità di energia chimica necessaria per rompere il legame. I due principali tipi di legame chimico forte sono il legame covalente e il legame ionico; attrazioni più deboli sono invece il legame a idrogeno e le forze di Van Der Waals.

Nel legame covalente si ha la condivisione di una coppia di elettroni tra atomi, in modo tale che ogni atomo completi il proprio guscio di valenza. Un modo semplice per rappresentare gli atomi con i rispettivi elettroni di valenza nei legami è la struttura di Lewis, scrivendo il simbolo chimico dell'elemento e sistemando attorno ad esso dei puntini che indicano gli elettroni di valenza (sia quelli condivisi che quelli non condivisi); nella formula di struttura, invece, viene rappresentata solo la coppia di elettroni condivisa tramite una linea. Si parla di legame covalente semplice quando viene condivisa una sola coppia di elettroni (una linea), di legame covalente doppio quando vengono condivise due coppie di elettroni (due linee parallele) e di legame covalente triplo quando vengono condivise tre coppie di elettroni (tre linee parallele).

Quando degli atomi si legano covalentemente ne deriva una molecola con una determinata forma geometrica (dalla quale dipende la funzione della molecola), cioè si ha una ridisposizione degli orbitali del guscio di valenza (ibridazione degli orbitali). Un legame covalente è detto simmetrico/puro/apolare quando la coppia di elettroni è condivisa equivalentemente tra atomi dello stesso elemento, quindi con elettronegatività uguale (es. H₂). Un legame covalente è detto asimmetrico/polare quando la coppia di elettroni è condivisa tra atomi di elementi diversi, quindi con elettronegatività diversa, per cui la densità elettronica sarà maggiore in prossimità dell'elemento più elettronegativo (es. H₂O: gli elettroni sono più attratti dal nucleo dell'ossigeno). Il termine “polare” deriva infatti dal fatto che tale legame ha due poli, uno con parziale carica positiva e l'altro con parziale carica negativa.

Il legame ionico si forma tra atomi con una grande differenza di elettronegatività, per cui si avrà un atomo con forte tendenza a perdere elettroni (atomi con 1-2-3 elettroni nel guscio di valenza, diventano ioni positivi o cationi) e un atomo con forte tendenza ad acquistarli (atomi con 5-6-7 elettroni nel guscio di valenza, diventano ioni negativi o anioni). Alcuni atomi o molecole possono perdere o acquistare anche più di un elettrone. Cationi e anioni sono coinvolti nelle trasformazioni energetiche che avvengono nelle cellule, nella trasmissione degli impulsi nervosi, nella contrazione muscolare e in altri processi vitali. Un gruppo di atomi legati covalentemente può diventare uno ione poliatomico, in grado non solo di cedere/acquisire elettroni, ma anche protoni: esso diventa un catione se cede elettroni o acquisisce protoni, mentre diventa un anione se cede protoni o acquisisce elettroni.

Un composto ionico è una sostanza costituita da cationi e anioni legati tramite le loro cariche di segno opposto. I composti uniti da un legame ionico si dissociano nei loro singoli ioni se posti in acqua (es. NaCl), la quale è un solvente polare; la sostanza disciolta è detta soluto. In una soluzione cationi e anioni sono circondati dai poli delle molecole d'acqua con carica opposta (fenomeno della solvatazione, ma in questo caso parlando dell'acqua, dell'idratazione).

Il legame a idrogeno o ponte a idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno con densità di carica positiva e un altro atomo con densità di carica negativa (es. H₂O). Tale legame è un legame covalente polare, ma molto debole (1/20 di quello covalente), perciò si forma e si rompe rapidamente. I legami a idrogeno hanno lunghezza e orientamento specifici, caratteristiche importanti nel determinare la struttura tridimensionale di DNA e proteine.

Le forze di Van Der Waals sono interazioni che si instaurano tra molecole apolari (elettricamente neutre), come conseguenza del costante movimento degli elettroni che causa la formazione di regioni con deboli e temporanee densità di carica positive e negative. Tale legame agisce su distanze molto brevi ed è molto debole (1/100 di quello ionico), ma molto importante nella membrana citoplasmatica.

Una reazione redox o di ossido-riduzione è un trasferimento elettronico ed energetico, infatti molte delle trasformazioni di energia che avvengono nella cellula coinvolgono il trasferimento di un elettrone da una sostanza ad un'altra. L'ossidazione è un processo chimico nel quale un atomo, ione o molecola perde elettroni (l'agente riducente si ossida), mentre la riduzione è un processo chimico nel quale un atomo, ione o molecola acquista elettroni (l'agente ossidante si riduce): quindi essi sono complementari e avvengono sempre contemporaneamente.

L'acqua

La materia vivente è costituita perlopiù da acqua. L'acqua costituisce i ¾ del pianeta e il 70-95% del peso corporeo degli organismi viventi, ma, oltre ad esserne un costituente, è anche uno dei principali fattori che ne influenzano l'esistenza, la sopravvivenza e l'evoluzione. L'acqua genera l'ossigeno che respiriamo (fotosintesi).

L'acqua è un solvente polare o dipolo (due poli), ovvero è una molecola con una parziale carica positiva e una parziale carica negativa (densità di carica non omogenea); in particolare ognuno dei due atomi di idrogeno possiede una parziale carica positiva e l'atomo di ossigeno presenta due addensamenti di parziale carica negativa. Le molecole d'acqua sono tenute insieme da legami a idrogeno e possono formare legami a idrogeno con un massimo di 4 molecole d'acqua circostanti. Grazie a tali legami esse vengono definite coesive, cioè con una forte tendenza ad attaccarsi le une alle altre (ecco perché quando si esercita una forza su una parte di una colonna d'acqua essa è trasmessa a tutta la colonna), e adesive, cioè tendono ad attaccarsi anche ad altre sostanze che presentano cariche sugli atomi delle loro superfici (ecco perché l'acqua bagna le superfici).

Le molecole d'acqua esercitano una maggiore attrazione le une con le altre piuttosto che con le molecole d'aria, ricevendo una spinta verso il basso a causa dell'attrazione delle molecole d'acqua sottostanti e formando uno strato superficiale piuttosto resistente (tensione superficiale). Le forze di azione e coesione determinano la tendenza dell'acqua a risalire all'interno di tubi molto stretti e contro la forza di gravità (azione capillare).

Essendo un solvente polare, l'acqua può sciogliere molti tipi di composti, soprattutto quelli ionici e polari. Le sostanze che interagiscono con l'acqua sono dette idrofili e idrosolubili, cioè si sciolgono nell'acqua (polari). Le sostanze che non interagiscono con l'acqua sono dette idrofobe (es. idrocarburi, trigliceridi, lipidi), cioè non si sciolgono nell'acqua (apolari); in realtà il raggruppamento delle molecole di tali sostanze è dovuto al fatto che le molecole d'acqua, nel formare legami a idrogeno, le escludono.

I legami a idrogeno si rompono e si formano quando l'acqua passa da uno stato all'altro. Infatti, la loro presenza spiega il modo in cui l'acqua reagisce alle variazioni di temperatura: l'aumento di temperatura comporta un apporto di energia cinetica alle molecole d'acqua, che si muoveranno più velocemente. Inoltre, essi sono responsabili del fatto che l'acqua possiede un elevato calore specifico, ovvero la quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura dell'acqua.

Le molecole d'acqua hanno bassa tendenza a ionizzarsi, cioè a dissociarsi in ioni idrogeno (H⁺) e ioni-idrossido (OH^-), poiché la tendenza a dissociarsi è controbilanciata dalla tendenza di tali ioni a ricombinarsi per formare acqua. Le concentrazioni degli ioni idrogeno e idrossido nell'acqua pura sono esattamente uguali, perciò essa è una soluzione neutra o alcalina (né acida né basica).

Un acido è un donatore di protoni, ovvero una sostanza che in soluzione si dissocia producendo anioni. Una base è un accettore di protoni, ovvero una sostanza che in soluzione si dissocia producendo cationi. Il grado di acidità di una soluzione è espresso in termini di pH: le soluzioni acide hanno valori di pH inferiori a 7 e le soluzioni basiche hanno valori di pH superiori a 7. Mescolando un acido e una base in acqua, gli ioni idrogeno dell'acido e gli ioni idrossido della base formano una molecola d'acqua, mentre l'anione e il catione rimanenti formano un composto detto sale.

La chimica organica

La chimica organica studia i composti del carbonio, un elemento le cui particolari proprietà gli permettono di formare molecole complesse essenziali per la vita. Il carbonio presenta 4 elettroni di valenza, perciò per completare il suo guscio di valenza può formare 4 legami covalenti; i legami carbonio-carbonio possono essere singoli, doppi o tripli e costituiscono lunghi scheletri carboniosi, a forma di catene ramificate e non o anelli che possono a loro volta unirsi tra loro. I 4 legami covalenti del carbonio non sono coplanari, anzi i gusci di valenza si proiettano dall'atomo di carbonio verso i vertici di un tetraedro, perciò si possono ottenere un gran numero di forme molecolari tridimensionali. In particolare il legame singolo garantisce una certa libertà di rotazione, mentre i legami doppi e triplo non consentono rotazioni.

Il carbonio può dare origine a composti con stessa formula molecolare ma strutture e proprietà differenti, detti isomeri. Gli isomeri possono essere:

• Strutturali: differiscono per la disposizione covalente degli atomi.
• Geometrici: tipici di composti contenenti doppi legami che hanno stessa disposizione covalente degli atomi, ma differiscono per la disposizione spaziale dei gruppi, perciò sono detti cis- (i due gruppi più grandi si trovano sullo stesso lato del legame doppio) o trans- (i due gruppi più grandi si trovano su lati opposti rispetto al doppio legame).
• Enantiomeri: si hanno due isomeri che sono l'uno l'immagine speculare dell'altro: il carbonio centrale è asimmetrico, cioè è legato a 4 atomi/gruppi diversi con geometria tetraedrica, ed è impossibile sovrapporre le due molecole pur ruotandole liberamente.

Un'ampia gamma di molecole con proprietà differenti si può ottenere anche tramite l'aggiunta di gruppi funzionali. È il caso degli idrocarburi, composti di idrogeno e carbonio che formano legami covalenti apolari (sostanze idrofobe), in cui uno o più atomi di idrogeno legati allo scheletro carbonioso possono essere sostituiti da altri atomi o gruppi di atomi, detti appunto gruppi funzionali. I gruppi funzionali determinano le reazioni chimiche a cui un composto può partecipare, potendo formare legami ionici o a idrogeno, quindi polari (sostanze idrofile). Esistono vari tipi di gruppi funzionali:

• Gruppo ossidrile OH (polare per l'elettronegatività dell'ossigeno)
• Gruppo carbonile CO (polare per l'elettronegatività dell'ossigeno)
• Gruppo carbossile COOH (polare perché i due ossigeni inducono l'idrogeno a perdere un elettrone ed essere rilasciato come ione idrogeno – debolmente acido e presente negli aminoacidi)
• Gruppo amminico NH₂ (polare perché può accettare uno ione idrogeno – debolmente basico e presente negli aminoacidi)
• Gruppo fosfato PO₄H₂ (polare perché i due ossigeni inducono uno o due idrogeni ad essere rilasciati come ioni idrogeni – debolmente acido e presente negli acidi nucleici)
• Gruppo sulfidrico SH

Le macromolecole organiche

Le macromolecole sono molecole biologiche di dimensioni notevoli, anche definite come polimeri, ovvero strutture costituite da composti organici più piccoli detti monomeri. I polimeri possono essere degradati o scomposti in monomeri mediante reazioni di idrolisi (rottura dei legami con l'acqua e liberazione di energia): grazie ad un enzima che regola la reazione (catalizzatore biologico), un idrogeno dell'acqua si attacca ad un monomero e il gruppo ossidrile dell'acqua si...