Biologia applicata

L'atomo

L'atomo è la più piccola parte della materia che ne mantiene le proprietà. Il numero di massa (A) corrisponde alla somma di protoni e neutroni. Il numero atomico (Z) corrisponde al numero di protoni. In un atomo, il numero di protoni è sempre uguale al numero di neutroni. I protoni rappresentano le componenti con carica positiva, mentre i neutroni rappresentano le componenti prive di carica: insieme costituiscono il nucleo. Gli elettroni corrispondono invece alle componenti con carica negativa e sono i maggiori responsabili del volume dell'atomo. Gli elettroni si dispongono a formare dei gusci concentrici, ognuno dei quali è associato a una quantità definita di energia, corrispondente a un livello energetico. Ognuno dei livelli sarà costituito da un certo numero di sotto livelli che corrisponderanno agli orbitali atomici. L'orbitale atomico rappresenta una regione dello spazio caratterizzata da una elevata densità elettronica. Ogni orbitale potrà contenere al massimo due elettroni.

Quando in un atomo il numero di protoni equivale a quello di elettroni, tale atomo viene definito neutro: il numero di neutroni non ha effetto sulla carica complessiva dell'atomo. Quando un atomo acquisisce un elettrone, assume una carica netta negativa e viene definito anione. Quando un atomo perde un elettrone, assume carica netta positiva e viene definito catione. L'energia necessaria a strappare un elettrone a un atomo neutro viene definita energia di ionizzazione. La tendenza di un atomo neutro ad acquistare elettroni e quindi convertirsi in anione viene invece definita affinità elettronica.

Gli isotopi

Gli isotopi rappresentano atomi diversi dello stesso elemento in cui è presente un uguale numero di protoni (Z) ma che sono caratterizzati da una massa atomica (A) diversa. Ci sono alcuni elementi che sono però presenti in forma mono isotopica e sono: berilio, alluminio, manganese, iodio, fluoro, fosforo, cobalto, cesio, sodio, scandio, arsenico e oro.

Atomi e isotopi: caratteristiche fisiche

• Protone: ha massa di 1.627 * 10^-27 kg e carica elettrica pari a +1.602 * 10^-19 C.
• Neutrone: ha massa di 1.675 * 10^-27 kg e carica elettrica nulla.
• Elettrone: ha massa di 9.11 * 10^-31 kg e carica elettrica pari a -1.602 * 10^-19 C.

La maggior parte della massa di un atomo si concentra a livello del nucleo, mentre la maggior parte del volume dell'atomo stesso è occupata dagli elettroni, che verranno coinvolti nei legami chimici.

Gli elementi chimici e la tavola periodica

Gli elementi chimici sono raggruppati nella tavola periodica degli elementi, che è stata redatta per la prima volta da Mendeleev nel 1869. Gli elementi vengono raggruppati secondo le relazioni famigliari che intercorrono tra di essi in gruppi (colonne) e periodi (righe).

I metalli sono in grado di condurre l'elettricità, sono malleabili e tendono a perdere elettroni per raggiungere la stabilità. I non metalli non sono in grado di condurre l'elettricità, non sono malleabili e tendono ad accettare elettroni per raggiungere la stabilità. I metalloidi si comportano chimicamente come metalli o non metalli in base alle condizioni. I gas nobili sono invece chimicamente inerti in quanto hanno il guscio elettronico esterno completo.

Gli elementi naturali a temperatura ambiente sono per la maggior parte allo stato solido, mentre solo due (mercurio e bromo) sono allo stato liquido. Undici degli elementi della tavola periodica sono invece gassosi a temperatura ambiente: idrogeno (non metallo, ha un solo protone), ossigeno (non metallo), azoto (non metallo), fluoro (alogeno), elio (gas nobile), neon (gas nobile), argon (gas nobile), kripton (gas nobile), xenon (gas nobile), radon (gas nobile). Si definisce elemento chimico una sostanza costituita da un solo tipo di atomi.

Legame chimico

Il legame chimico unisce due atomi quando la disposizione dei nuclei e degli elettroni ha energia minore rispetto agli atomi separati. L'energia associata a un legame chimico (energia di legame) è tanto più elevata quanto più la molecola è stabile.

Il legame ionico comporta il trasferimento completo di uno o più elettroni da un atomo all'altro: rappresenta l'attrazione che si stabilisce tra cationi (metalli) e anioni (non metalli), sfruttando l'attrazione tra cariche opposte. I composti caratterizzati da legami ionici sono dei solidi cristallini idrosolubili in grado di agire come isolanti allo stato solido e come conduttori allo stato liquido e presentano un'elevata temperatura di fusione. Un esempio è il cloruro di sodio.

Nel legame covalente gli elettroni vengono condivisi dagli atomi coinvolti; in base al numero di coppie condivise, si avranno legami semplici, doppi o tripli. La tendenza di un atomo ad attrarre gli elettroni di legame viene definita elettronegatività. Se il legame covalente si crea tra atomi con diversa elettronegatività verrà definito polare, mentre se si crea tra atomi con la stessa elettronegatività verrà definito non polare. I legami covalenti si trovano nelle molecole, come l'acqua, o nei cristalli, come il quarzo.

Il legame metallico rappresenta l'attrazione che si instaura tra i cationi metallici e la nuvola elettronica formata dagli elettroni di valenza in cui sono immersi.

Il legame dativo è un legame particolare che presenta carattere covalente, in quanto c'è una coppia di elettroni condivisa, e un carattere ionico, in quanto ci sono un atomo donatore ed un atomo accettore. La coppia di elettroni deriva da un solo atomo: l'atomo donatore ha un doppietto elettronico libero, mentre l'atomo accettore ha un orbitale vuoto. Un esempio è lo ione ammonio.

Legami intermolecolari

I legami intermolecolari si stabiliscono tra composti covalenti ed uniscono le molecole senza modificarne la composizione. Influenzano lo stato di aggregazione e la solubilità delle molecole cui sono associati.

• I legami dipolo-dipolo sono originati dall'attrazione elettrostatica tra molecole polari.
• Le forze di van der Waals derivano dall'interazione che si stabilisce tra due molecole che presentano un dipolo istantaneo generato dal moto degli elettroni in una molecola apolare.
• I legami idrogeno sono originati dall'interazione elettrostatica tra gli atomi di idrogeno legati ad un atomo fortemente elettronegativo ed un altro atomo fortemente elettronegativo di un'altra molecola. Sono i legami tipici dell'acqua.
• I legami ione-dipolo si formano quando le molecole di un solvente polare attaccano gli ioni rivolgendo loro il polo di segno opposto e li portano in soluzione.

Le soluzioni

Le soluzioni sono miscele omogenee di due o più sostanze: soluzioni gassose, ottenute miscelando i gas in qualsiasi proporzione; soluzioni liquide, ottenute sciogliendo un gas o un solido in un liquido; soluzioni solide, rappresentate dalle leghe metalliche. Le componenti di ogni soluzione sono: soluto, ovvero la componente presente in minore quantità; solvente, ovvero la componente presente in maggiore quantità. L'interazione tra soluto e solvente è detta solvatazione: se il solvente è l'acqua si parla di idratazione. Ogni soluto ha una specifica solubilità in un dato solvente: oltre tale valore si genera una soluzione satura. La concentrazione di una soluzione indica la quantità di soluto presente in una data quantità di solvente. Una delle unità di misura più usate per esprimere la concentrazione delle soluzioni è la molarità, espressa come moli/litro. La mole rappresenta la quantità di materia che contiene un numero di particelle elementari uguale al numero di atomi contenuti in 12 grammi dell'isotopo 12 del carbonio (6.023 * 10²³ = numero di Avogadro).

Soluzioni acquose

L'acqua è un solvente polare e in base alla solubilità in acqua le sostanze vengono classificate in: idrofile, sostanze polari che si sciolgono in acqua; idrofobe, sostanze apolari che non si sciolgono in acqua. Le molecole anfipatiche sono caratterizzate da regioni polari e apolari: in soluzione acquosa assumono disposizioni caratteristiche, come doppi strati e micelle.

I soluti ionici in acqua vanno incontro a dissociazione, separandosi negli ioni che li compongono. I soluti non ionici (elettroliti) in acqua vanno incontro a ionizzazione, ovvero generano ioni a contatto con l'acqua: elettroliti forti danno ionizzazione completa; elettroliti deboli danno ionizzazione incompleta. L'acqua ha scarsa tendenza a ionizzare a causa dell'elevata elettronegatività dell'ossigeno che tende ad attrarre a sé gli elettroni di legame. Data la scarsa tendenza a ionizzare, la quantità di acqua non dissociata è molto maggiore rispetto agli ioni e può considerarsi costante. Il prodotto ionico dell'acqua in condizioni standard è pari a: 10^-14 M. Nell'acqua pura, la concentrazione degli ioni idronio ed ossidrile è uguale a 10^-7 M, corrispondente al pH. Se una soluzione ha pH = 7, la soluzione è considerata neutra. Se la soluzione ha pH > 7, è considerata basica. Se la soluzione ha pH < 7, è considerata acida.

Nell'organismo umano, il pH della maggior parte dei fluidi biologici in condizioni fisiologiche è compreso nel range 7.35-7.45. Ci sono comunque delle eccezioni: l'urina, il cui pH è compreso nel range 4.5-8; succhi gastrici, il cui pH è compreso nel range 1.2-3; liquido prostatico, il cui pH è attorno a 4.5. Per mantenere il pH entro valori compatibili con la vita, gli organismi hanno sviluppato a livello dei fluidi biologici dei sistemi tampone in grado di opporsi alle brusche variazioni di pH derivanti dalle attività metaboliche. Il tampone bicarbonato nel sangue rappresenta un meccanismo omeostatico basato sul bilanciamento tra acido carbonico, ione bicarbonato e anidride carbonica, che permette di regolare il pH ematico, mantenuto costante a un valore di circa 7.4.

Alterazioni del pH ematico non compensate possono determinare manifestazioni patologiche che possono arrivare fino al coma. Se la capacità tampone del sangue è alterata, si sviluppano condizioni patologiche: alcalosi, in cui il pH si alza fino a 7.6; acidosi, in cui il pH si abbassa fino a 7.1. pH inferiori a 7 e superiori a 7.8 sono incompatibili con la vita.

Acidi e basi

Arrhenius: un acido è un composto contenente idrogeno che reagisce con l'acqua generando ioni idrogeno, mentre una base è un composto che in acqua genera ioni ossidrile. Un esempio di acido è l'acido cloridrico, che in soluzione acquosa origina ione idrogeno e ione cloruro; o l'idrossido di sodio, che in soluzione acquosa genera ione sodio e ione ossidrile. Il limite di questa definizione è rappresentato dal fatto che si considerano esclusivamente reazioni che avvengono in acqua.

Brønsted-Lowry: un acido è un composto in grado di donare protoni, che contiene quindi un atomo di idrogeno acido, mentre una base è un composto in grado di accettare protoni. Secondo questa definizione l'acqua è anfiprotica, ovvero si può comportare sia da acido che da base in funzione delle condizioni di reazione.

Lewis: un acido è un accettore di coppie elettroniche mentre una base è un donatore di coppie elettroniche. Quando una base di Lewis offre una coppia di elettroni a un acido di Lewis, le due specie danno vita a un legame dativo in cui i due elettroni provengono da un solo atomo. Secondo questa definizione il protone è un acido. La base coniugata di un acido è quindi la base che si forma quando l'acido cede un protone. L'acido coniugato di una base è invece l'acido che si forma quando la base accetta un protone. I sistemi tampone sono quindi costituiti da un acido debole che agisce come donatore di protoni e dalla sua base coniugata che agisce come accettore di protoni. Tale coppia coniugata stabilizza il pH mettendo a disposizione una fonte di protoni ed uno scarico per gli stessi. La reazione che avviene tra un acido ed una base è detta neutralizzazione ed il prodotto che si ottiene è un sale. Se nella reazione sono coinvolti elettroliti forti si formerà anche acqua. Nel sale, il catione deriva dalla base mentre l'anione deriva dall'acido: se immaginiamo di far reagire acido cloridrico ed idrossido di sodio, quello che otteniamo sono cloruro di sodio (sale da cucina) e acqua.

Reazioni di ossidoriduzione (Redox)

La reazione di ossidazione è una reazione che comporta la perdita di elettroni. La reazione di riduzione comporta l'acquisto di elettroni. Le reazioni di ossido riduzione sono quindi combinazioni di due semi reazioni (ossidazione + riduzione). Essendo gli elettroni particelle cariche, quando si bilancia la reazione redox, bisogna considerare sia gli atomi che le cariche.

Gruppi funzionali

I gruppi funzionali sono atomi o piccoli gruppi di atomi dotati di proprietà caratteristiche che si legano all'ossatura carboniosa della molecola organica e ne determinano la reattività dal punto di vista chimico. I gruppi funzionali possono legarsi sia a gruppi alifatici che aromatici.

Chimica del carbonio

La chimica organica è lo studio dei composti del carbonio. I composti organici sono costituiti da uno scheletro di atomi di carbonio legati sempre ad atomi di idrogeno, mentre in misura inferiore a zolfo e fosforo. Il carbonio è un non metallo con sei elettroni, che gli permettono di formare 4 legami covalenti grazie ad un fenomeno noto come ibridazione degli orbitali. Può formare sia legami semplici che legami multipli. I composti organici formati solo da carbonio e idrogeno vengono definiti idrocarburi: gli unici composti organici privi di gruppi funzionali e sono tutti molecole apolari, quindi non sono in grado di sciogliersi in acqua.

Si distinguono in:

• Aromatici, ovvero idrocarburi insaturi.
• Alifatici, ovvero idrocarburi saturi (alcani, con solo legami semplici) o insaturi (alcheni con legami doppi e alchini con legami tripli) a catena aperta o chiusa.

Alcani: composti la cui formula generale è: C_nH_2n+2, saturi, insolubili in acqua e scarsamente reattivi. Non sono in grado di formare legami idrogeno. Le reazioni tipiche: combustione, per cui necessitano di un innesco al calore ed in cui reagiscono con l'ossigeno a dare anidride carbonica ed acqua; sostituzione, in cui un atomo o un gruppo di atomi sostituisce un idrogeno presente nella struttura della molecola originale.

Alcheni: composti con formula generale C_nH_2n, insaturi, doppi legami coniugati o isolati, insolubili in acqua, elevata reattività e possono andare incontro a reazioni di: rottura eterolitica del doppio legame, in cui il doppietto elettronico rimane su un solo atomo; addizione, in cui si ha rottura del doppio legame per generare un legame singolo; idrogenazione, che porta alla formazione dell'alcano corrispondente; polimerizzazione, che consiste nell'unione di più molecole base.

Alchini: composti con formula generale C_nH_n-2, insaturi, tripli legami, insolubili in solventi polari, un'elevata reattività e possono andare incontro a reazioni di: addizione, in cui si ha rottura del triplo legame per dare origine ad un doppio legame; deidrogenazione/eliminazione, che porta alla formazione del corrispondente alchene.

Strutture molecolari

Formula molecolare: composizione della molecola, ovvero il numero e tipo di atomi presenti nella struttura stessa.

Formula di struttura: modo in cui gli atomi si combinano tra loro all'interno della molecola considerata.

Formula di risonanza: combinazione di tutte le possibili formule di struttura che possono essere associate a una data molecola (in questo caso ciò che cambia è la disposizione degli elettroni).

Isomeri di struttura: molecole che sono formate dagli stessi atomi (hanno quindi la stessa formula molecolare), che sono però disposti in maniera differente.

Isomeri geometrici: molecole che sono formate da atomi disposti in maniera diversa sui due lati di un doppio legame. Si distinguono in cis o trans se hanno stessi tipi di atomo nella stessa quantità ma differiscono per struttura e proprietà oppure in E o Z se i sostituenti sono diversi.

Isomeri ottici: composti chirali, in cui l'atomo di carbonio centrale è legato a 4 gruppi chimici diversi. In questo caso avremo una coppia di enantiomeri, con la stessa composizione ma proprietà diverse. Queste molecole sono otticamente attive, e quindi in grado di deviare la luce polarizzata verso destra (isomeri serie D) o sinistra (isomeri serie L). Si definiscono miscele racemiche le miscele composte dai due enantiomeri presenti in uguale proporzione.

Materia vivente

La materia vivente è composta da: composti inorganici, rappresentati da acqua e sali minerali; composti organici, rappresentati da zuccheri, proteine, lipidi, acidi nucleici, vitamine. Acqua 65%, proteine 16%, lipidi 13%, Sali minerali 5%, glucidi 1% e vitamine.

Le componenti inorganiche minerali devono essere assunte necessariamente con la dieta: sono i nutrienti essenziali. Questi nutrienti essenziali vengono classificati in:

• Macronutrienti: il cui fabbisogno è superiore a 100 mg (es: calcio, fosforo, potassio, magnesio, sodio, cloro).
• Micronutrienti: il cui fabbisogno è compreso tra 1 e 100 mg (es: fluoro, ferro, zinco).
• Oligo nutrienti: il cui fabbisogno è inferiore a 1 mg (es: rame, iodio, selenio).

Le funzioni dei minerali nel contesto della materia vivente sono: mantenimento dell'equilibrio idrosalino; prendono parte alla composizione di alcune macromolecole; sono componenti essenziali di alcuni processi biologici.