Chimica della Vita, Biologia

Composizione chimica della vita

La chimica dei viventi (biologica) è anche chiamata la chimica del carbonio. Il carbonio è l'atomo prescelto per le strutture molecolari delle strutture biologiche.

Caratteristiche del carbonio

Perché? Il carbonio è un atomo che ha varie caratteristiche:

• Essere stabile
• Regolari nella forma
• Formare legami covalenti

I composti formati da carbonio sono anche detti composti organici. Composti Organici: contengono 2 o più atomi di carbonio legati tra loro oppure legati ad atomi con bassa elettronegatività (Es. Metano CH₄ e tutti gli idrocarburi, Glucosio C₆H₁₂O₆).

Composti inorganici

Composti inorganici: non hanno atomi di carbonio, oppure i loro atomi di carbonio sono legati covalentemente a elementi molto elettronegativi (Es. Anidride Carbonica CO₂).

L'aggiunta di gruppi contenenti altri atomi, come ossigeno (O), azoto (N), fosforo (P) e zolfo (S), può cambiare profondamente le proprietà di una molecola organica.

Proprietà particolari del carbonio

Il carbonio possiede proprietà particolari che gli permettono di formare grandi molecole complesse essenziali per la vita; ha 4 elettroni di valenza e può completare il guscio di valenza formando quattro legami covalenti (regola dell'ottetto di Lewis); è particolarmente adatto a fare da scheletro per molecole di grandi dimensioni, i legami carbonio-carbonio sono forti e non vengono rotti facilmente.

Idrocarburi

Idrocarburi sono composti organici costituiti esclusivamente da carbonio e idrogeno, possono formare catene ramificate e non, oppure anelli (anche unibili tra loro). Molti di loro a temperatura ambiente sono dei gas (Es. Etano C₂H₆, Propano C₃H₈) e hanno una caratteristica comune, sono apolari (non hanno cariche al loro interno). Generalmente, c'è libertà di rotazione intorno a ciascun legame singolo C-C. Questa proprietà conferisce alle molecole organiche una certa flessibilità e permette loro di assumere forme diverse a seconda del grado di rotazione di ciascun legame. Legami doppi e tripli non permettono alcuna rotazione, quindi non sono flessibili.

Reazioni metaboliche e isomeri

Tutte le reazioni metaboliche avvengono in ambienti dove troviamo H₂O. L'importanza della forma è particolarmente evidente dal momento in cui parliamo di isomeri. Sono composti che hanno la stessa formula molecolare ma strutture differenti e, di conseguenza, proprietà differenti. Non hanno proprietà fisico-chimiche uguali e possono avere nomi diversi.

Si suddividono in:

• Isomeri strutturali: sono composti che differiscono per l'arrangiamento covalente dei loro atomi (Es. C₂H₆O, è sia L'Etanolo che il Dimetil Etere con differenza nella posizione dell'ossigeno).
• Isomeri geometrici o cis-trans: hanno legami covalenti identici ma differiscono nell'ordine in cui i gruppi sono arrangiati nello spazio. Cis indica che i due gruppi più grandi sono disposti sullo stesso lato, se si trovano su lati opposti si chiamano trans (Es. Trans-2-butene e cis-2-butene).
• Enantiomeri o stereoisomeri: sono due molecole che sono l'immagine speculare l'una dell'altra, due molecole sono enantiomeri se non sono sovrapponibili l'una all'altra. Il carbonio centrale è asimmetrico in quanto i quattro gruppi sono differenti.

Gruppi funzionali

I gruppi funzionali modificano le proprietà delle molecole organiche. Gli idrocarburi sono molecole, che hanno difficoltà a stabilire interazioni con l'acqua perché sono idrofobici (apolari - no cariche elettriche). La principale ragione delle interazioni idrofobiche è che essi sono spinti a interagire in quanto esclusi dalle molecole d'acqua unite con legami a H.

Se a una molecola di idrocarburi mettiamo strumenti chimici, ossia i gruppi funzionali, otteniamo molecole con caratteristiche chimiche particolari. Rappresentano una delle ragioni alla base della varietà esistente tra molecole organiche; sono gruppi di atomi uniti tra loro in modo standardizzato in natura, alcuni atomi tendono molto spesso a far parte di uno dei gruppi funzionali, questi possiedono ognuno una struttura, precise caratteristiche e funzioni ed una nomenclatura.

Quindi le caratteristiche di una molecola organica possono essere cambiate quando uno o più atomi di H legati allo scheletro carbonioso di un idrocarburo sono sostituiti da altri gruppi di atomi (Gruppi Funzionali).

Esempi di gruppi funzionali

Il gruppo ossidrile o alcolico (R-OH) è polare a causa dell'alta elettronegatività dell'O. Formato dall'ossigeno (O) legato all'idrogeno (H). Conferisce alla molecola una caratteristica particolare, fa diventare la molecola un alcol. Es. Metano = CH₄ diventa alcol metilico CH₃OH.

Il gruppo carbossilico (R-COOH) è un gruppo formato dal carbonio (C), l'ossigeno (O) legato con un doppio legame covalente al carbonio ed un ossidrile (OH). In questo caso l'ossidrile non dà la componente alcolica ma acida. Due atomi di O elettronegativi così vicini stabiliscono una condizione estremamente polarizzata che può far sì che l'atomo di H possa perdere il suo elettrone ed essere rilasciato come ione idrogeno (H⁺); il gruppo carbossilico ionizzato ha pertanto una carica negativa unitaria (R-COO-). Tutte le molecole con questo gruppo sono acidi organici. Es. Metano = CH₄ diventa acido acetico CH₃COOH (non è ionizzato).

Il gruppo carbonilico (-CO) è costituito da un atomo di carbonio (C) che lega un doppio legame covalente con l'ossigeno (O). Questo doppio legame è polare a causa dell'elettronegatività del O, pertanto il gruppo è idrofilico. La posizione del carbonio all'interno di una molecola determina la classe alla quale questa molecola appartiene:

• Gruppo aldeidico: il carbonio del gruppo carbonilico è legato con almeno un atomo di H. È polare per l'elettronegatività dell'O.
• Gruppo chetonico: il carbonio del gruppo carbonilico è legato ad altri due atomi di carbonio. Anch'esso è polare.

Il gruppo amminico (-NH₂) in forma non ionizzata è costituito da un azoto (N) legato covalentemente a due atomi di idrogeno (H). Sono debolmente basici. Le molecole che ne fanno parte sono chiamate ammine. Es. Metano = CH₄ diventa metilammina CH₃NH₂ (non è ionizzato). Tutte le ammine hanno una componente basica quindi hanno la capacità di accettare un terzo idrogeno caricandosi.