Biologia

Atomi, gruppi funzionali, molecole organiche

Materia e atomi

Materia vivente e non vivente è costituita da atomi. Gli atomi hanno un nucleo formato da protoni di carica positiva e neutroni di carica neutra, mentre gli elettroni, di carica negativa, orbitano intorno ad esso in un’area di spazio detta orbitale. Al numero di elettroni corrisponde lo stesso numero di protoni. I neutroni hanno la funzione di rendere coeso il nucleo, dato che i protoni, avendo carica positiva, si respingono tra loro. L'atomo più piccolo è l'idrogeno, formato da 1 protone e 1 elettrone.

L'idrogeno è il primo atomo ad essersi formato nell’universo; dalla sua fusione nucleare, avvenuta nelle stelle, si origina l'elio (2p 2e) (H 90%, He 9% della materia). Gli elementi più pesanti presenti sui pianeti sono originati dall'esplosione delle supernove, come ossigeno, silicio e ferro (47%, 28%, 4,5% sulla Terra). La dimensione del nucleo limita la formazione di atomi oltre un certo numero atomico (più alto di 118). Gli elementi sono categorizzati nella tavola periodica di Mendeleev, che raggruppa elementi con stesse caratteristiche fisico-chimiche.

L'elio è il primo dei gas nobili, atomi che non reagiscono con altri atomi per la loro grande stabilità elettronica. Nell'idrogeno l’unico elettrone sta in un orbitale 1s, di forma sferica, mentre nell’elio il secondo elettrone è in un orbitale dello stesso livello. Il primo livello orbitale può quindi ospitare 1 o 2 elettroni. Quando il livello orbitale esterno di un atomo ha il numero massimo di elettroni, questo gli conferisce stabilità elettronica, rendendolo quindi un gas nobile. L'idrogeno, invece, avendo un orbitale libero, tende a reagire facilmente con altri atomi a causa della sua instabilità elettronica.

Gli elettroni, pur essendo attratti dal nucleo, non collassano verso di esso poiché dotati di un’energia stazionaria che non decresce nel tempo, muovendosi costantemente intorno al nucleo, non in un’orbita ma in un orbitale, una porzione di spazio con un’alta percentuale di probabilità di essere percorsa dall’elettrone. Gli orbitali si collocano intorno al nucleo in base ai livelli energetici, e la differenza di energia tra un livello e l’altro è detta quanto. Aggiungendo un elettrone e un protone all’elio si ottiene il litio, che avrà il primo livello di orbitali pieno e il secondo con un solo elettrone. Il gas nobile successivo all’elio è il neon, che ha il secondo livello formato da 4 orbitali completamente occupati da 8 elettroni (ogni orbitale contiene 1 o 2 elettroni). Un atomo tende a cercare di avere il proprio livello esterno completamente occupato da elettroni, anche prendendoli da altri atomi vicini.

Forma degli orbitali

L’orbitale 1s è sempre sferico. L’orbitale 2s è sferico ma leggermente più grande di 1s. Poi esiste una seconda forma di orbitale della quale fanno parte gli orbitali px, py e pz; hanno una forma a manubrio con il nucleo al centro, rivolti verso le tre direzioni dello spazio (xyz gli assi).

• 1 livello: 1s
• 2 livello: 2s, 2px, 2py, 2pz

Due atomi di idrogeno tendono a legarsi per formare una molecola H₂, riempiendo i vicendevoli orbitali e formando un legame covalente. L’orbitale di legame è detto sigma ed appartiene a entrambi i nuclei. Ha una forma a sigaro con alle sue estremità i due nuclei. Si ottiene una molecola stabile e, con la reazione, la molecola diventa meno energetica e cede energia all’ambiente. Per separare gli atomi, quindi, è necessario fornire la stessa quantità di energia che era stata precedentemente ceduta durante la creazione del legame covalente. In questo legame c’è una simmetria assoluta tra la parte destra e la parte sinistra del legame, e quando un legame covalente è tra due atomi identici è definito omeopolare. Quando invece è tra due atomi con forza attrattiva disomogenea, il legame è detto eteropolare.

Atomi biologicamente rilevanti

• Idrogeno H 10%
• Ossigeno O 65% (6/8 elettroni nel secondo livello)
• Carbonio C 19% (4/8 elettroni nel secondo livello)
• Azoto N (5/8 elettroni nel 2° livello)
• Fosforo P
• Calcio Ca
• Zolfo S

Questi atomi formano tra loro legami covalenti che rendono stabile la materia vivente e hanno gli elettroni disposti su massimo 2 livelli di orbitali, conferendo ulteriore stabilità. Gli atomi hanno la tendenza a raggiungere la stabilità elettronica tramite la condivisione di elettroni con altri atomi instabili e la conseguente creazione di legami covalenti.

Energia di legame: kcal/mole

Lunghezza di legame: Å

Le energie di legame covalente tra i vari elementi rilevanti sono abbastanza corrispondenti tra loro (tra 65 e 110 kcal/mole). Gli atomi più abbondanti nella materia vivente, H, C, O e N, formano tra loro piccole molecole di forma simile ma con caratteristiche diverse per il diverso numero di elettroni nel secondo livello.

Esempio: CH₄ - Metano. Il carbonio ha 4 elettroni di secondo livello che dovrebbero disporsi in un orbitale s e in 3 orbitali p, ma quando si lega all’idrogeno gli elettroni sfuggono da quella distribuzione e si collocano in orbitali detti ibridi (sp³), tutti uguali tra loro e rivolti verso gli angoli di un tetraedro, in particolare una piramide equilatera. Gli elettroni, uno per orbitale, si pongono alla massima distanza possibile l’uno dall’altro a causa della repulsione data dallo stesso segno. Tutti gli orbitali sono quindi instabili e a ciascun orbitale si può legare un atomo di idrogeno in un legame covalente. Quindi un atomo di C forma 4 legami covalenti sigma, ognuno con un H, formando la molecola CH₄, il metano, che è la molecola base di una categoria di molecole organiche dette idrocarburi; caratterizzati da questa distribuzione simmetrica di cariche elettriche, quindi il metano è una molecola sia neutra che priva di poli.

H₂O - Acqua. All’ossigeno mancano 2 elettroni per completare il 2° livello orbitale, e i 6 che ha sono disposti su orbitali sp³ con un diverso numero di elettroni a seconda dell’orbitale. Quattro elettroni prendono un orbitale ciascuno e i 2 rimanenti possono posizionarsi come secondi elettroni in 2 dei 4 orbitali. L’atomo O può formare legami solo con 2 atomi di idrogeno che si andranno a legare ai due orbitali sp³ con un solo elettrone, portando alla formazione della molecola dell’acqua H₂O, con la stessa forma tetraedrica del metano ma irregolare a causa del fatto che solo 2 dei 4 orbitali formano un legame. La molecola dell’acqua è polare perché ha una parte con carica parziale positiva e una parte con carica parziale negativa, a differenza del metano, e per questo è il solvente più diffuso sulla Terra.

NH₃ - Ammoniaca. L’azoto è l’atomo centrale con numero atomico 7, con 5 elettroni nel secondo livello, che andranno sempre negli orbitali ibridi sp³, uno dei quali con 2 elettroni, lasciando solo 3 orbitali sp³ liberi di poter avere legami covalenti con 3 atomi di idrogeno, formando una molecola NH₃ di ammoniaca, con forma sempre tetraedrica, seppur irregolare, con una distribuzione asimmetrica delle cariche elettriche ed è un dipolo elettrico come l’acqua.

Composti del carbonio e l'acqua

Ossigeno e carbonio sono atomi fondamentali per la vita. Il carbonio costituisce la struttura di molte molecole dette organiche perché forma il massimo numero di legami stabili, 4. L'ossigeno forma l’acqua, il solvente più abbondante sul pianeta, e tutti i processi vitali necessitano dell’ambiente acquoso, sia dentro che fuori le cellule. Solo l’ambiente della membrana è idrofobo.

Idrocarburi

L’idrocarburo più semplice è il metano, di forma tetraedrica piramidale equilatera, con distribuzione omogenea di cariche. Sostituendo un C a un atomo di H si possono formare molecole più estese fino ad arrivare a grandi catene: con due C l’etano, con 3 C il propano, ecc. Ogni C della catena ha la capacità di formare una struttura tetraedrica simile al metano legandosi ad altri atomi di H. Tra un C e l’altro esiste la capacità di rotazione, come in tutti i legami covalenti, e questo dà a catene più lunghe la possibilità di rotazione della molecola nello spazio. Se la molecola è abbastanza lunga, le estremità possono avvicinarsi tra loro formando molecole ad anello. Gli atomi centrali del carbonio possono iniziare delle loro catene sostituendo un H con un C legato a una catena, formando molecole ramificate. Tutte queste molecole sono idrofobe quindi immiscibili con l’acqua. Possono assumere proprietà reattive se legati a atomi reattivi come l’ossigeno e l’azoto, e diventare miscibili eventualmente con l’acqua.

Doppi e tripli legami

Gli atomi di C possono formare anche doppi e tripli legami, arricchendo la varietà delle loro molecole. Gli atomi di N e O possono formare doppi legami. L’acqua ha forma tetraedrica asimmetrica, quindi è un dipolo elettrico, una molecola polare. L’angolo di legame H-O-H è di 104,5°. La forma è tale che gli atomi di idrogeno sono parzialmente scoperti dagli elettroni che si concentrano verso l’ossigeno, formando un dipolo elettrico. Le molecole d’acqua possono associarsi attraverso dei legami deboli dati dall’esistenza dei dipoli elettrici, dovuti all’attrazione elettrostatica tra l’estremità positiva dell’H di una molecola e l’estremità negativa di O di un’altra. Questo legame debole è detto ponte o legame idrogeno. Ogni molecola ha 4 punti di formazione di legami idrogeno con altre 4 molecole d’acqua. La forza del legame dipende dalla temperatura: più è bassa e meno le molecole hanno capacità di muoversi nello spazio, stabilizzando la formazione. Con una temperatura come quella ambiente l’agitazione termica fa rompere facilmente i legami idrogeno, facendone però formare di nuovi (stato liquido), rimanendo liquida in condizioni in cui molecole non in grado di avere legami elettrostatici ma solo legami più deboli (Van Der Waals) sono allo stato gassoso. Quando si alza ulteriormente la temperatura, aumentando l’agitazione termica, si può arrivare a rompere completamente tutti i legami idrogeno, arrivando allo stato gassoso. Anche l’ammoniaca può formare legami idrogeno con l’acqua. L’acqua è quindi un buon solvente per le sostanze polari e gli ioni. Gli idrocarburi invece sono apolari e sono immiscibili con l’acqua.

Gli ioni

Gli ioni sono atomi che perdono la neutralità elettrica per raggiungere configurazioni elettroniche stabili.

Esempio: il cloruro di sodio. Il sodio ha un solo elettrone nel suo livello elettronico esterno, trovandosi quindi in una configurazione elettronica particolare, non potendo riempire il livello esterno, ma può perdere l’elettrone donandolo a un altro atomo raggiungendo una configurazione elettronica stabile di un livello più basso. Il sodio, se ravvicinato al cloro, può facilmente cedere il suo elettrone all’atomo di cloro, formando lo ione cloruro. Il cloro ha bisogno di un unico elettrone affinché abbia una configurazione elettronica stabile, che gli viene ceduto dal sodio diventando uno ione. Essendo di cariche opposte, si attraggono elettrostaticamente formando un sale attraverso un legame chimico detto ionico. È un legame che può essere facilmente distrutto sciogliendo il sale in acqua, in quanto le molecole rivolgono il lato verso gli ioni positivi e viceversa, formando un guscio di idratazione.

Interazioni idrofobe

Un idrocarburo non può formare legami idrogeno e, se immerso in acqua, rompe i legami idrogeno del liquido che stabilizzano la struttura, rendendola instabile. Per stabilizzarsi, le molecole idrocarburiche tendono a raggrupparsi tra di loro nello stesso ambiente, dette interazioni idrofobe, formando un’emulsione, e a riformare più legami idrogeno possibili tra una molecola d’acqua e l’altra. Tra di loro, le molecole apolari stabiliscono dei legami deboli, le forze di Van Der Waals. Maggiore è l’energia di legame, più forte è il legame stesso. Il legame idrogeno ha 1/20 dell’energia di un legame covalente, ma è molto più alta dell’attrazione di Van Der Waals.

La dissociazione dell’acqua

Alcune molecole d’acqua possono strappare un nucleo di atomo di idrogeno alle molecole vicine, ottenendo uno ione idronio H₃O⁺ e uno ione ossidrile OH^-.

2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^-

È una reazione che avviene raramente nell’acqua e la frequenza con cui essa avviene dipende dalla temperatura in modo direttamente proporzionale. A 25°C la costante di dissociazione, un parametro che esprime la frequenza di questa reazione, ha un valore molto piccolo pari a 1x10^-14. La concentrazione dei due prodotti è molto piccola e limitata, ogni ione ha la concentrazione di 1x10^-7. La concentrazione di ioni OH^- è uguale a quella degli ioni H₃O⁺.

Per semplicità si misura l’acidità con il pH, che è il logaritmo in base 10 della concentrazione di ioni idrogeno H⁺. Quindi il pH in una soluzione neutra è pari a 7, in una soluzione acida pH < 7, in una soluzione basica pH > 7. Con l’aumentare di H⁺ diminuisce la concentrazione di OH^-, perché il prodotto delle due concentrazioni deve essere sempre uguale a 1x10^-14. Ad esempio, se il pH è 5, il pOH è necessariamente 9.

Soluzione acida pH < 7 Neutra pH = 7 Soluzione basica pH > 7 (fino a 14)

Gli ioni idronio e ioni ossidrile vengono liberati in acqua da sostanze dette acidi e basi. Gli acidi aumentano la concentrazione di ioni idronio H₃O⁺; le basi la concentrazione di ioni ossidrile OH^-. HCl + H₂O ⇌ Cl^- + H₃O⁺ | NaOH ⇌ Na⁺ + OH^-

Le nostre cellule mantengono un pH costante pari a circa 7,4, mantenuto tale perché è estremamente importante ai fini dei processi metabolici, anche spendendo energia affinché questo valore rimanga costante. L’acqua è contemporaneamente acido e base (sostanza anfotera). Gli alimenti acidi tendono a risultare gradevoli alle nostre papille gustative, mentre quelli basici sgradevoli.

Gruppi funzionali e molecole biologiche

La materia vivente è immersa in un ambiente acquoso e reattiva poiché alle catene di atomi di carbonio sono legati degli atomi detti reattivi, tra cui ossigeno, azoto e fosforo. Questi atomi formano porzioni di molecole dette gruppi funzionali.

Contenenti ossigeno

• -OH: gruppo ossidrilico: polare come l’acqua, si può legare a un atomo di carbonio con un legame covalente, ed è presente in un gruppo di molecole organiche dette alcoli (es. alcool etilico). Sono miscibili in acqua, completamente se con corte catene, ma con una porzione idrofoba con catene di carbonio più lunghe (molecola anfipatica). Il gruppo OH non si ionizza.
• C=O: gruppo carbonilico: carbonio legato con un doppio legame a O. Polare per l’elettronegatività di O, presente in aldeidi (aldeide formica) (se all’estremità della catena) e chetoni (acetone) (se all’interno di una catena al posto di un idrogeno).
• -COOH: gruppo carbossilico: copresenza su uno stesso carbonio di un gruppo ossidrilico e un gruppo carbonilico. È presente negli acidi organici, fortemente polare e ionizzato in soluzione per i due atomi di O. Può dissociarsi in acqua formando uno ione carbossilato COO^- e un ione idronio H₃O⁺.

Contenenti azoto

• -C-NH₂: gruppo amminico e imminico: derivato dall’ammoniaca, presente nelle ammine, basi organiche, fortemente polare e ionizza in acqua. Può essere terminale ma può anche essere interstiziale in una catena, formando un gruppo NH detto imminico. L’azoto tende a attirare su di sé uno ione H⁺ da una molecola d’acqua. Formazione ione negativo OH^-: -C-NH₂ + H₂O ⇌ -C-NH₃⁺ + OH^-
• -C-(HPO₄)^2-: gruppo fosfato: presente in molte molecole biologiche come nucleotidi, acidi nucleici, fosfoproteine. Fortemente polare e doppiamente ionizzato in acqua.

Altri gruppi funzionali

• -CH₃: gruppo metilico: apolare e può essere legato a molecole bio come proteine e DNA. Ha un ruolo nella metilazione della citosina che avviene del DNA, una modifica epigenetica che controlla l’espressione dei singoli geni contenuti nel codice genetico, nella quale un gruppo metilico si lega alla base azotata citosina.
• -C-OCH₃: gruppo acetilico: polare, caricato negativamente. Importante nel metabolismo energetico, può essere legato a alcune molecole biologiche, formando il neurotrasmettitore acetilcolina o proteine come gli istoni che formano strette associazioni del DNA e per dargli la sua struttura complessiva detta cromatina, presente nel nucleo durante l’interfase della cellula. L’acetilazione e il suo inverso degli istoni costituisce un meccanismo di regolazione epigenetica dell’espressione genica del DNA. Deriva dall’acido acetico.

Le piccole molecole biologiche

Queste molecole, importanti dal punto di vista biologico, sono dette molecole biologiche e reagiscono tra loro mediante gruppi funzionali a loro legati, con reazioni semplici ma fondamentali. Queste molecole possono unirsi e formare macromolecole, nelle quali i gruppi funzionali fungono da estremità adesive. Spesso queste molecole possono formare lunghe catene in un processo detto polimerizzazione, dette polimeri, formati da tanti monomeri, che possono facilmente tornare al loro stato originale aggiungendo una molecola d’acqua (precedentemente ottenuta dal processo di polimerizzazione), questa è detta idrolisi. Si classificano in:

• Monosaccaridi (zuccheri semplici): l’unione di più monosaccaridi forma i glucidi