La chimica della cellula

La chimica della cellula

Principali elementi: S, P, O, N, C, H (SPONCH) (99% peso della cellula). Principali sostanze: Acqua (70% peso della cellula), Molecole organiche: amminoacidi e proteine nucleotidi e acidi nucleici zuccheri lipidi.

Tutte le sostanze che costituiscono la materia sono formate da particelle chiamate Atomi. Gli atomi sono formati da tre particelle diverse: i protoni, particelle caricate positivamente, i neutroni particelle senza carica elettrica, gli elettroni particelle caricate negativamente. Anche se un protone è 2000 volte più pesante di un elettrone, la sua carica positiva eguaglia la carica negativa, ed insieme si annullano. I protoni e i neutroni sono tenuti insieme da elevate forze nucleari e formano il nucleo positivo dell'atomo. Gli elettroni girano intorno al nucleo, ad una certa distanza da esso, percorrendo uno spazio che viene detto orbitale atomico (o anche orbita). Il numero degli elettroni generalmente è uguale a quello dei protoni.

quindi l'atomo è neutro (stesso numero di cariche positive e negative). Il numero di protoni viene detto numero atomico ed è indicato dalla lettera Z, lo spazio dove si muovono gli elettroni viene anche chiamato livello energetico. Il peso dell'atomo è invece dato dalla somma dei protoni e dei neutroni (in quanto gli elettroni hanno una massa trascurabile) e viene indicato con il termine di peso atomico o massa atomica e con la lettera A. I gusci esterni degli atomi SPONCH determinano la loro capacità di formare molecole. La distribuzione degli elettroni negli atomi spiega come gli atomi stessi possano essere tenuti insieme nelle molecole. L'atomo consiste di un piccolo nucleo carico positivamente circondato da un ampio spazio nel quale si trovano elettroni carichi negativamente. Ogni elettrone si muove all'interno di una porzione limitata dello spazio dell'atomo, chiamata orbitale. Gli orbitali sono raggruppati in gusci (o strati) i cui

elettroni hanno energie quasi uguali. I principali atomi presenti nelle cellule utilizzano solo tre gusci: il primo può contenere solo due elettroni, mentre il secondo e il terzo ne contengono fino a otto. Un atomo che contenga già uno strato esterno pieno di elettroni (neon e argon) non è chimicamente reattivo. Gli atomi che non hanno lo strato esterno già pieno possono raggiungere questo stato in due modi: acquistando o perdendo elettroni in un legame ionico, oppure mettendo elettroni in condivisione formando un legame covalente. Si chiama legame chimico ciò che tiene unito un atomo ad un altro e si forma sempre fra almeno due atomi. Per indicare che due atomi sono legati, si interpone un trattino fra i loro simboli (C-C, H-H, ecc). Gli atomi formano legami chimici per raggiungere una configurazione elettronica più stabile, generalmente la configurazione elettronica del gas nobile più vicino, quindi l'ottetto. I gas nobili, che già

Legami ionici

Un legame ionico si forma fra atomi che hanno una forte differenza di elettronegatività (grandezza introdotta per confrontare rapidamente la forza con cui ogni atomo tiene legati a sé i suoi elettroni). Quando due atomi si avvicinano (un metallo e un atomo di un elemento degli ultimi gruppi), gli elettroni del livello più esterno dell'atomo meno elettronegativo passano all'atomo più elettronegativo. Quest'ultimo diviene quindi uno ione negativo, mentre l'altro atomo diviene uno ione positivo (uno ione è un atomo, dotato di carica elettrica). Fra i due ioni con cariche elettriche opposte si stabilisce un'attrazione di tipo elettrostatico che li tiene uniti: quest'attrazione costituisce il legame. I composti contenenti legami ionici sono chiamati composti ionici (NaCl, MgCl2, ecc).

Legami covalenti

Un legame covalente si forma quando gli atomi mettono in compartecipazione gli elettroni.

Piuttosto che cederli o acquistarli completamente. Gli elettroni non sono sempre condivisi equamente, ma muovendosi sui loro orbitali possono passare più frequentemente vicino ad uno dei due nuclei atomici. L'atomo che trattiene gli elettroni per un periodo maggiore tende a caricarsi negativamente, l'altro positivamente (molecola polare, es. acqua). Un legame covalente è detto "puro" quando si forma fra atomi con lo stesso valore di elettronegatività, oppure valori molto vicini. In questo caso, gli elettroni che vengono messi in comune fra i due atomi vengono attratti con la stessa forza da entrambi i nuclei e, perciò, vengono ad essere condivisi in maniera uguale fra i due atomi (c'è una distribuzione simmetrica della nube elettronica). Esempi sono la molecola dell'idrogeno (H2) o del cloro (Cl2). Un legame covalente polare si forma tra atomi che hanno elettronegatività diversa, ma non tanto diversa da rendere

Possibile la formazione di un legame ionico. I due atomi mettono in comune i loro elettroni spaiati, tramite la sovrapposizione degli orbitali in cui si trovano questi elettroni. Tuttavia la coppia di elettroni non è equamente condivisa fra i due atomi: gli elettroni passano più tempo attorno all'atomo più elettronegativo, rendendolo parzialmente (non c'è un trasferimento completo di una carica elettrica da un atomo all'altro, quindi non si formano ioni) negativo, mentre l'altro atomo diviene parzialmente positivo. L'acqua è la molecola polare più importante sia nelle cellule che nell'ambiente che le circonda.

C'è anche un particolare legame chiamato legame a idrogeno. Gli atomi di idrogeno, resi relativamente positivi da una ineguale condivisione elettronica con ossigeno, azoto o zolfo, sono attratti verso altri atomi resi relativamente negativi da una ineguale condivisione di elettroni. Si costituiscono

tra atomi di H e atomi di O, S, N. Hanno forza attrattiva relativamente debole; sono molto sensibili alla temperatura (le proteine si degradano facilmente al calore). Le molecole si possono anche suddividere in:

• Molecole idrofiliche: Le sostanze che si sciolgono prontamente in acqua si dicono idrofiliche. Esse sono composte da ioni o molecole polari che attraggono le molecole dell'acqua per interazioni elettriche. Le molecole di acqua circondano ogni ione o molecola polare che si trova alla superficie del solido e lo portano in soluzione.
• Molecole idrofobiche: Le molecole che contengono prevalentemente legami non polari di solito non sono solubili in acqua e si dicono idrofobiche. Questo è particolarmente vero nel caso degli idrocarburi che contengono molti legami C-H. L'acqua non è attratta da tali molecole e perciò non tende ad avvolgerle e a portarle in soluzione.

Principali molecole biologiche:

I gruppi funzionali e le subunità fondamentali che li

Le molecole biologiche si combinano in vari modi per produrre le quattro classi principali:

1. Carboidrati/zuccheri: Si chiamano così per il loro caratteristico contenuto di atomi di carbonio, idrogeno ed ossigeno. Gli zuccheri più semplici, monosaccaridi, hanno formula generale (CH2O)n dove n è un numero intero compreso tra 3 e 7. Gli zuccheri possono esistere sia a catena aperta che in forma ad anello. Nella forma a catena aperta gli zuccheri contengono un certo numero di gruppi idrossilici e un gruppo aldeidico o uno chetonico. Questi gruppi possono reagire con un gruppo ossidrilico della stessa molecola per convertirla in un anello. Molti atomi di C interni dei monosaccaridi e di altre molecole organiche sono asimmetrici nei legami con altri atomi. I gruppi uniti ad atomi di C asimmetrici possono occupare l'una o l'altra di due determinate posizioni, rispetto agli altri atomi di C in una catena carboniosa. Le due forme possibili sono stereoisomeri.

(isomeri ottici). Tutti i monosaccaridi con catene