Set Domande Paniere Risposte Aperte Fondamenti di Biologia e Biochimica

Fondamenti di biologia e biochimica

Sostanze idrofobiche e idrofiliche

Cosa si intende per sostanze idrofobiche? Fai degli esempi: sono sostanzialmente le sostanze apolari, ovvero quelle sostanze che non interagiscono con l’acqua ma tendono a raggrupparsi tra loro, ad esempio olio d’oliva, il burro e i grassi.

Cosa si intende per sostanze idrofiliche? Fai degli esempi: per sostanze idrofiliche s’intendono quelle sostanze dette anche polari che interagiscono facilmente con l’acqua; ad esempio gli zuccheri, il sale da cucina e l’alcol. Quelle che invece non interagiscono con l’acqua sono dette idrofobiche, ovvero le sostanze apolari.

Legami chimici e elettronegatività

Descrivi le diverse tipologie di legame chimico: con il termine legame chimico si indicano globalmente le interazioni tra atomi che portano alla formazione di molecole o anche alla formazione di cristalli ionici o di cristalli di tipo metallico. I legami chimici possono essere di tipo covalente quando si forma attraverso la condivisione di elettroni tra atomi e la formazione di orbitali molecolari; doppio legame covalente quando 2 doppietti di elettroni vengono condivisi tra 2 atomi o di triplo legame covalente quando vengono condivise tre coppie di elettroni. Infine, i legami covalenti possono essere di tipo omopolare quando il legame si forma tra due atomi uguali o eteropolare quando il legame si forma tra due atomi diversi.

Cos'è l'elettronegatività? Perché è una caratteristica importante per le molecole biologiche? L’elettronegatività è una grandezza che si riferisce alla capacità degli atomi di attrarre gli elettroni di legame. Se due atomi di una molecola hanno elettronegatività simile si parlerà di legame covalente apolare (non polare). Ad esempio, i legami delle molecole di idrogeno H-H, ossigeno O=O e metano CH₄ sono apolari. Il legame covalente polare si avrà invece tra atomi con elettronegatività diversa. In questo caso l’orbitale molecolare è distorto e l’elettrone è più attratto dall’atomo elettronegativo, quindi "passerà più tempo" attorno ad esso. I legami covalenti, siano essi apolari che polari, sono legami forti.

Sistema periodico e elementi chimici

Com'è strutturato il sistema periodico (o tavola periodica) degli elementi? Un elemento è una sostanza che non può essere scissa in sostanze più semplici mediante reazioni chimiche ordinarie. Ad ogni elemento esistente in natura, gli scienziati hanno assegnato un simbolo chimico (di solito la prima o le prime due lettere del suo nome inglese): O ossigeno, C carbonio, H idrogeno, N azoto (da natium), F fluoro. Fu un chimico russo della fine dell’800, Mendeleev, a classificare gli elementi in funzione delle somiglianze delle caratteristiche chimiche in una tabella nota come il sistema periodico degli elementi. Dopo l’acquisizione di nuove conoscenze chimico-fisiche e la scoperta di nuovi elementi, è stata completata la tavola periodica che noi oggi utilizziamo. Nella tavola periodica gli elementi chimici sono ordinati secondo i rispettivi numeri atomici: 1 per H idrogeno, 2 per He elio, 3 per Li litio, 4 per Be berillio, 5 per B boro, 6 per C carbonio, 7 per N azoto, 8 per O ossigeno, 9 per F fluoro, 10 per Ne neon e così via. Le righe e le colonne della tavola periodica sono state costruite in moda da raggruppare gli elementi con caratteristiche simili in colonna.

Che cosa caratterizza un elemento chimico? Ciò che caratterizza un elemento chimico è l'atomo. L'atomo è formato da elettroni che si muovono attorno a un nucleo composto da protoni e neutroni. Protoni, neutroni ed elettroni sono definiti particelle subatomiche. Ogni elemento chimico è rappresentato da un simbolo chimico. Gli elementi, a seconda delle loro proprietà chimiche e fisiche, possono essere classificati in metalli, semimetalli e non metalli.

Caratteristiche della vita e organismi

Quali sono le caratteristiche della vita? Gli esseri viventi hanno elementi in comune che consentono di delineare le caratteristiche della vita. I principali elementi in comune degli organismi viventi sono i seguenti:

• Struttura complessa ed organizzata con molecole organiche finalizzate a svolgere compiti specifici
• Capacità di evolversi (evoluzione)
• Capacità di adattamento all'ambiente esterno
• Capacità di riprodurre (riproduzione) e di trasmissione nel tempo del proprio patrimonio genetico
• Capacità di interagire con l'ambiente esterno e di reagire agli stimoli
• Capacità di assumere energia dall'esterno per il mantenimento della propria struttura
• Capacità di omeostasi

Quali sono le differenze tra gli organismi aerobi e anaerobi? Gli organismi anaerobi sono in grado di vivere in assenza di ossigeno. Producono energia e le molecole per le funzioni vitali senza utilizzare l’ossigeno. Gli organismi aerobi hanno invece bisogno di ossigeno per svolgere le funzioni cellulari e per produrre energia, se non c’è ossigeno muoiono.

Cosa vuol dire che un organismo è autotrofo o eterotrofo? Autotrofi e eterotrofi sono microrganismi che si differenziano per il modo in cui sintetizzano le molecole di cui hanno bisogno. Gli autotrofi sono microrganismi capaci di sintetizzare le molecole organiche di cui necessitano a partire da sostanze inorganiche semplici. Gli organismi eterotrofi invece ricavano le materie prime di cui necessitano da molecole assunte dall'ambiente esterno.

Sviluppo della vita e legami covalenti polari

Quali sono stati i passaggi fondamentali per lo sviluppo della vita sulla Terra? I passaggi fondamentali per lo sviluppo della vita sulla Terra furono la fotosintesi e la ricombinazione sessuale. Grazie alla fotosintesi, alcuni procarioti riuscirono ad acquisire l’energia solare per produrre le molecole necessarie al loro metabolismo ed ossigeno. La massa di ossigeno che venne rilasciata dai processi di fotosintesi cambiò la composizione dell’atmosfera permettendo lo sviluppo di microorganismi aerobi. Grazie alla ricombinazione sessuale, le cellule diverse ebbero la possibilità di combinare il loro patrimonio genetico creando una singola cellula figlia. Questo meccanismo determinò la generazione di organismi con un grado di variabilità maggiore: infatti, le cellule figlie, essendo tutte diverse tra loro, aumentarono la probabilità che alcune di esse si adattassero all’ambiente circostante ed ai suoi cambiamenti nel tempo.

Cosa vuol dire che un legame covalente è polare? Quali sono le sue caratteristiche? L’elettronegatività è una grandezza che si riferisce alla capacità degli atomi di attrarre gli elettroni di legame. Guardando la tavola periodica si vede che l’elettronegatività è una proprietà periodica, cioè segue la disposizione degli elementi sulla tavola periodica. Osservando i valori dell’elettronegatività per tutti gli atomi del sistema periodico, infatti, si nota che questa grandezza aumenta spostandosi verso destra, quindi verso gli elementi come fluoro, cloro, ossigeno ecc. e dal basso verso l’alto. Se due atomi di una molecola hanno elettronegatività simile si parlerà di legame covalente apolare (non polare). Ad esempio, i legami delle molecole di idrogeno H-H, ossigeno O=O e metano CH₄ sono apolari. Il legame covalente polare si avrà invece tra atomi con elettronegatività diversa. In questo caso l’orbitale molecolare è distorto e l’elettrone è più attratto dall’atomo elettronegativo e, quindi "passerà più tempo" attorno ad esso. I legami covalenti, siano essi apolari che polari, sono legami forti. In una molecola con uno o più legami covalenti polari ci sarà un’estremità con una carica parziale positiva ed un’altra con una carica parziale negativa. Un esempio è dato dall’acqua, H₂O, dove l’atomo di Ossigeno carico negativamente attrae gli atomi di Idrogeno carichi positivamente, ma allo stesso tempo, divisi perché entrambi carichi positivamente, si respingono.

Isotopi, pH e massa atomica

Cosa sono gli isotopi? Gli isotopi sono quegli elementi chimici costituiti da una miscela di atomi che hanno un numero uguale di protoni ed elettroni ma un numero diverso di neutroni e perciò una massa differente. Un esempio è il cloro, il quale è una miscela di due isotopi Cl-35 e Cl-37.

Il nostro corpo ha sempre lo stesso pH? Il valore del pH nel nostro organismo non è sempre uguale. Infatti, in base a quale parte dell’organismo consideriamo, il valore del pH sarà differente. Ad esempio, il succo gastrico che sta nello stomaco è il fluido con il pH minore (molto acido); il succo pancreatico ha il pH maggiore di tutti gli altri (basico).

Perché la massa o peso atomico di un elemento non è un numero intero? Massa atomica e peso atomico esprimono entrambi la massa di un atomo, con la differenza che la massa atomica è riportata in grammi o in chilogrammi, mentre il peso atomico è una grandezza espressa attraverso un numero adimensionale. La massa non è mai un numero intero perché è una media ponderata tra gli isotopi e per ogni isotopo la massa è data dalla somma della massa dei nucleoni a cui si sottrae il difetto di massa.

Orbitali e particelle subatomiche

Cosa sono gli orbitali? Quanti elettroni possono ospitare? Il nucleo carico positivamente occupa una porzione molto piccola dello spazio dell’atomo, mentre la maggior parte del volume è occupata dalla nube in cui si muovono gli elettroni. Diverse teorie hanno cercato di descrivere la struttura dell’atomo ed in particolare la collocazione degli elettroni. La teoria di Bohr presupponeva l’esistenza di orbite in cui gli elettroni si muovevano attorno al nucleo. Questa teoria è stata superata da quella quanto-meccanica di De Broglie che introduce il concetto di orbitale come zona dello spazio attorno al nucleo dove è massima la probabilità di trovare l’elettrone. Come abbiamo accennato in precedenza, oggi sappiamo dalle teorie quantistiche che gli elettroni si muovono attorno al nucleo in regioni dello spazio (nuvole elettroniche) dette orbitali. Ogni orbitale può contenere al massimo 2 elettroni. In generale, gli elettroni che occupano gli orbitali elettronici più distanti dal nucleo sono più facilmente utilizzabili dall’atomo per formare legami chimici rispetto a quelli che si trovano negli strati interni, più vicino al nucleo. Gli elettroni dello strato più esterno dell’atomo si chiamano elettroni di valenza. Il comportamento chimico di un elemento è determinato dal numero e dalla disposizione degli elettroni di valenza. Il guscio elettronico di valenza dell’idrogeno e dell’elio è completo e quindi stabile quando contiene 2 elettroni, quello degli altri atomi è completo se contiene 8 elettroni. Quando il numero degli elettroni di valenza non è completo, l’atomo tende a cedere, acquisire o condividere gli elettroni per avere lo strato esterno completo con 8 elettroni (a parte H e He). Gli elettroni si muovono in quelle particolari regioni dello spazio tridimensionale dette orbitali. Ciascun orbitale contiene al massimo due elettroni. Poiché non è possibile conoscere la posizione di un dato elettrone in un dato momento, è più corretto rappresentare gli orbitali come “nubi elettroniche”, ovvero aree ombreggiate la cui densità è proporzionale alla probabilità che un elettrone sia presente in quel punto in un dato istante. L’energia di un elettrone dipende dall’orbitale che esso occupa. Elettroni posti in orbitali con energie simili si dice che hanno lo stesso livello energetico principale e costituiscono un guscio elettronico. In generale, gli elettroni che occupano i gusci elettronici distanti dal nucleo hanno maggiore energia di quelli che occupano gusci vicini al nucleo. Questo perché è necessaria energia per allontanare un elettrone carico negativamente dal nucleo che è carico positivamente. Gli elettroni con maggiore energia, noti come elettroni di valenza, occupano il guscio di valenza, che costituisce il cerchio più esterno del modello di Bohr. Sono gli elettroni di valenza a giocare un ruolo chiave nelle reazioni chimiche.

Descrivi le caratteristiche delle particelle subatomiche: le caratteristiche delle particelle subatomiche: i protoni sono particelle cariche positivamente con una massa di 1,66 x 10^-24 g; i neutroni sono particelle neutre (senza carica) con la stessa massa dei protoni; gli elettroni hanno una carica elettrica negativa (uguale ed opposta a quella dei protoni) ed una massa circa 2000 volte più piccola.

Descrivi la struttura dell'atomo: l’atomo è costituito dal nucleo, formato da due tipi di particelle, i protoni e i neutroni, intorno ai quali ruotano gli elettroni. Il protone ha carica elettrica positiva e si abbrevia con il simbolo p+; il neutrone ha carica elettrica neutra e il suo simbolo è n. L’atomo è sostanzialmente vuoto, gli elettroni si muovono nello spazio disponibile intorno al nucleo con una certa energia adatta a vincere le forze attrattive del nucleo, carico positivamente. L’atomo risulta elettricamente neutro dato che il numero dei protoni e quello degli elettroni è lo stesso. In natura, gli atomi si differenziano tra loro per il numero dei protoni.

Numero atomico e massa

Che cosa rappresentano il numero atomico ed il numero di massa? Il numero atomico corrisponde al numero di protoni di un atomo mentre il numero di massa è la somma tra numero di protoni e numero di neutroni. Ad esempio, per l'atomo del carbonio, con numero di massa 12 si rappresenta la somma dei suoi 6 protoni e dei rispettivi neutroni: 12_C.

Polarità e apolarità

Cosa si intende per polarità e apolarità? Fai degli esempi: la polarità è una proprietà delle molecole per cui una molecola (detta polare) presenta una carica parziale positiva su una parte della molecola e una carica parziale negativa sulla parte opposta di essa. Le molecole che non presentano il fenomeno della polarità sono dette apolari. Un esempio di molecola polare è la molecola dell'acqua (H₂O), in cui una carica parziale negativa è presente in prossimità dell'atomo di ossigeno (O) e una carica parziale positiva è presente in prossimità dei due atomi di idrogeno (H). Un esempio di molecola apolare è l’anidride carbonica.

Dissociazione e pH

Cosa vuol dire che l'acqua tende a dissociarsi? Cos'è il pH? La dissociazione in chimica è la scissione parziale o completa di una molecola. A seconda delle modalità e condizioni in cui avviene la scissione, la dissociazione di una sostanza è in grado di produrre specie ioniche radicaliche oppure molecole neutre a più basso peso molecolare. Quando dei composti ionici vengono posti in acqua, gli ioni tendono a dissociarsi perché l’acqua è un ottimo solvente, in particolare per le sostanze polari. La dissociazione può avvenire per effetto dell’azione di un solvente, per effetto di un trattamento termico o per altri effetti chimico-fisici. Il pH indica il grado di acidità di una soluzione.

Periodicità chimica

Cosa significa il termine "periodicità" per alcune caratteristiche chimiche? Fai degli esempi: letteralmente, periodicità equivale alla successione o alla ripetizione ad intervalli regolari di un evento o di una proprietà. In chimica, la periodicità è la proprietà delle caratteristiche degli elementi che variano con cadenza periodica all’aumentare del loro numero atomico. Questa è detta “legge della periodicità”, elaborata da Mendeleev, e determina le suddivisioni in periodi della tavola periodica degli elementi.

Acidi e basi

Qual è la definizione di acido e di base? Cosa succede quando si mescolano? Un acido è una sostanza che in soluzione si dissocia molto producendo ioni H⁺ e anioni. Un acido è un donatore di protoni (ioni idrogeno). Esempi: acido cloridrico HCl, acido carbonico H₂CO₃. Una base è invece una sostanza che sciolta in acqua libera ioni idrossido OH^- e cationi. Una base è un accettore di protoni (cattura protoni, diminuisce il numero di protoni in soluzione). Esempio: soda caustica o idrossido di sodio NaOH. Se si mescolano un acido ed una base: gli ioni idrogeno e idrossido si combinano a formare una molecola d’acqua e quel che resta dell’acido (un anione) e quel resta della base si combinano a formare un sale.

Molecole e loro proprietà

Che cos'è una molecola? Fai degli esempi: la molecola è la più piccola unità chimica di una sostanza che, conservando le caratteristiche chimiche della sostanza stessa, è capace di esistere indipendente. Ogni molecola è rappresentata da una formula chimica che specifica la tipologia e il numero di atomi che compongono la molecola. Le molecole delle sostanze semplici sono formate da due o più atomi legati tra loro, ad esempio O₂ è formata da due atomi di ossigeno e quindi una molecola biatomica; le molecole delle sostanze composte sono formate da due o più atomi di elementi diversi legati tra loro. Ad esempio CO₂ è formata da un atomo di carbonio e da due atomi di ossigeno.

Quali sono le proprietà coesive e adesive dell'acqua? Cos'è la capillarità? La proprietà coesiva fa sì che le molecole dell’acqua tendano a stare vicine tra loro, ad esempio in una goccia; le proprietà adesive fanno sì che le molecole d’acqua "bagnino" (si attacchino) a molte superfici, in particolare alle superfici che presentano cariche elettriche al loro esterno. La capillarità è la tendenza di alcuni liquidi di risalire i tubi molto stretti contro la forza di gravità.

Interazioni di Van der Waals

Cosa sono le interazioni di Van der Waals? Fai degli esempi di interazioni di Van der Waals nelle molecole biologiche: le molecole apolari (elettricamente neutre) possono avere sulla loro superficie deboli cariche positive e negative istantanee provocate dal movimento degli elettroni. Questo fa sì che si generino delle forze attrattive tra molecole vicine: queste forze sono chiamate di van der Waals. Queste interazioni sono molto deboli (più deboli dei legami a idrogeno) e diventano rilevanti quando le molecole sono vicine.