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1. 2 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia.

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2 2 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia

3 3 A2 – La chimica della vita Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012

4 4 È materia qualsiasi cosa, vivente e non vivente, che occupi dello spazio e che abbia una massa. La materia è composta da elementi chimici ed esiste in tre stati distinti: solido, liquido e gassoso. Un elemento è una sostanza formata da un solo tipo di atomi; ogni elemento è contraddistinto da un simbolo. Tutta la materia è composta da elementi chimici

5 5 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 I sei elementi più importanti per i viventi sono il carbonio (C), l’idrogeno (H), l’azoto (N), l’ossigeno (O), il fosforo (P) e lo zolfo (S). Questi elementi formano il 95% in peso degli organismi. I principali elementi chimici che formano la crosta terrestre e gli organismi viventi Tutta la materia è composta da elementi chimici

6 6 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 La materia è composta da atomi, che rappresentano la più piccola unità di un elemento. Gli atomi sono costituiti da varie particelle subatomiche: i protoni (con carica elettrica positiva) e i neutroni (privi di carica), che sono localizzati nel nucleo; gli elettroni (con carica elettrica negativa), che orbitano intorno al nucleo e sono localizzati nei livelli elettronici. Tutta la materia è composta da elementi chimici

7 7 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 La maggior parte della massa atomica è localizzata nel nucleo, in quanto gli elettroni sono così piccoli da essere considerati privi di massa. ParticellaCarica elettricaMassa atomicaLocalizzazione Protone+11Nucleo Neutrone01Nucleo Elettrone0Livelli elettronici Tutta la materia è composta da elementi chimici

8 8 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Il numero atomico indica il numero di protoni presenti nel nucleo di un elemento. Il numero di massa (massa atomica) indica il numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo di un elemento. Tutta la materia è composta da elementi chimici

9 9 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 C 12 6 C 13 6 C 14 6 *radioattivo * Tutta la materia è composta da elementi chimici Gli atomi di un elemento che presentano lo stesso numero atomico ma differiscono per la massa atomica sono definiti isotopi. Il carbonio-14 è chimicamente instabile ed emette radiazioni. Per questo motivo, esso è un «isotopo radioattivo».

10 10 Piccola porzione della tavola periodica degli elementi. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Gli elementi sono disposti nella tavola periodica in modo ordinato secondo il numero atomico. Gli elementi con caratteristiche di reattività simili sono raggruppati in gruppi e periodi. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

11 11 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Gli elementi dello stesso periodo hanno lo stesso numero di livelli elettronici. Gli elementi dello stesso gruppo presentano lo stesso numero di elettroni nel livello elettronico più esterno. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

12 12 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Secondo la regola dell’ottetto, il livello elettronico esterno è più stabile (livello esterno completo) quando ospita otto elettroni. Fanno eccezione gli atomi che hanno un solo livello elettronico. Nel caso del primo elemento della tavola periodica, l’idrogeno (H), il livello elettronico è al completo quando ospita due elettroni. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

13 13 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 La molecola è la parte più piccola di un composto che ne mantiene le proprietà chimiche e fisiche tipiche. Il legame chimico è la forza che consente di tenere uniti più atomi per formare una molecola. Esistono due tipi principali di legame: legame ionico; legame covalente. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

14 14 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Nel legame ionico gli elettroni vengono trasferiti da un atomo all’altro. Ciò provoca la formazione di particelle atomiche caricate elettricamente, gli ioni. Gli ioni sono tenuti uniti grazie all’attrazione elettrica tra cariche positive e negative. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

15 15 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Molti ioni rivestono grande importanza in tutti gli organismi viventi. Ioni importanti nel corpo umano Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici NomeSimboloRuolo SodioNa + Presente nei fluidi corporei; importante nella contrazione muscolare e nella conduzione nervosa. CloroCl - Presente nei fluidi corporei. PotassioK+K+ Presente soprattutto all’interno delle cellule; importante nella contrazione muscolare e nella conduzione nervosa. FosfatoPO 4 3- Presente nelle ossa e nei denti; componente della molecola ad alta energia ATP. CalcioCa 2+ Presente nelle ossa e nei denti; importante nella contrazione muscolare e nella conduzione nervosa. BicarbonatoHCO 3 - Importante nel bilancio acido-base.

16 Nel legame covalente gli elettroni vengono condivisi tra gli atomi. Nella molecola di idrogeno (H 2 ), ciascun atomo condivide un elettrone con un altro atomo. Il legame covalente è molto forte (è necessaria molta energia per spezzarlo) e può essere di due tipi: legame covalente apolare (o non polare); legame covalente polare. 16 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

17 17 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Quando la condivisione degli elettroni tra atomi è all’incirca bilanciata, il legame si dice covalente apolare (o non polare). L’ineguale condivisione degli elettroni crea invece un legame polare. In questo caso, gli atomi mantengono una leggera carica (positiva e negativa) e la molecola stessa viene definita polare. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici Metano (CH 4 ) δ+δ+ δ+δ+ δ-δ- Acqua (H 2 O)

18 18 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Il tipo di legame che si forma tra due atomi dipende da una proprietà detta elettronegatività, che rappresenta l’attrazione di un atomo per gli elettroni. Il grado di elettronegatività dipende dalla carica positiva del nucleo e dalla distanza tra il nucleo e gli elettroni. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

19 19 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Il legame a idrogeno si forma quando gli atomi di idrogeno, poco elettronegativi, vengono attratti debolmente dagli atomi più elettronegativi di altre molecole. Gli atomi reagiscono tra loro formando legami chimici

20 20 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 La coesione e l’adesione mantengono le molecole d’acqua unite tra loro e ad altre molecole polari importanti per la vita. Per questo motivo, l’acqua è un eccellente mezzo di trasporto per i nutrienti e le sostanze di rifiuto. Le proprietà dell’acqua sono utili alla vita

21 21 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Grazie ai legami a idrogeno, l’acqua possiede un’elevata capacità termica. La tendenza dell’acqua a ridurre gli sbalzi termici protegge gli organismi dai cambiamenti termici repentini. L’elevato calore di vaporizzazione permette agli animali di evitare il surriscaldamento perdendo calore attraverso la sudorazione. Le proprietà dell’acqua sono utili alla vita

22 22 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 A causa della sua polarità, l’acqua è un buon solvente. È infatti in grado di sciogliere altre sostanze polari. Le molecole idrofile, come il sale, attirano l’acqua. Le molecole idrofobiche, invece, non attraggono l’acqua. Un sale ionico, NaCl (cloruro di sodio) in acqua si scioglie (le linee punteggiate indicano i legami a idrogeno). Le proprietà dell’acqua sono utili alla vita

23 23 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 L’acqua e il ghiaccio hanno una densità diversa. A causa della sua struttura cristallina, l’acqua in forma solida è meno densa di quella in forma liquida. Ciò è dovuto alla presenza di spazi vuoti tra le molecole di ghiaccio. Il fatto che il ghiaccio galleggi sull’acqua ha importanti implicazioni per la vita. Per esempio, la superficie ghiacciata di uno stagno consente agli organismi di sopravvivere nell’ambiente sottostante. Le proprietà dell’acqua sono utili alla vita

24 24 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 L’acqua è un liquido polare; quando si dissocia, l’acqua pura rilascia un identico numero di ioni idrogeno (H + ) e di ioni ossidrile (OH − ). Normalmente, soltanto poche molecole di acqua sono nello stato dissociato. La concentrazione degli ioni H + è uguale a quella degli ioni OH − e corrisponde a moli/litro. Gli organismi viventi tollerano un intervallo di pH ristretto

25 25 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 L’acidità è un eccesso di ioni idrogeno. pH<7 ➡ gli ioni H + sono più degli ioni OH - ➡ la soluzione è acida Un acido è una sostanza che aumenta la concentrazione di ioni H + in una soluzione. Gli organismi viventi tollerano un intervallo di pH ristretto

26 26 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Gli organismi viventi tollerano un intervallo di pH ristretto La basicità è un eccesso di ioni ossidrile. pH>7 ➡ gli ioni H + sono meno degli ioni OH - ➡ la soluzione è basica (o alcalina) Una base è una sostanza che aumenta la concentrazione di ioni OH − in una soluzione.

27 27 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 La scala del pH misura il grado di acidità o di basicità di una soluzione. Gli organismi viventi tollerano un intervallo di pH ristretto

28 28 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 In tutti gli organismi viventi, il valore del pH dei fluidi corporei deve essere mantenuto entro determinati e ristretti limiti fisiologici. Per esempio, un essere umano in buona salute avrà un pH del sangue compreso tra valori del 7,35 e del 7,45. Se il pH aumenta e supera il 7,45 ci troviamo in condizione di alcalosi del sangue, se scende sotto il 7,35 in condizione di acidosi. Gli organismi viventi tollerano un intervallo di pH ristretto

29 29 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Un tampone è una sostanza (o più spesso una combinazione di sostanze) che aumenta la resistenza ai cambiamenti del pH quando in una soluzione vengono aggiunti o sottratti ioni OH − e H +. Il sistema acido carbonico/bicarbonato è il sistema tampone che mantiene il pH del sangue entro limiti fisiologici. H 2 CO 3 HCO 3 + H + - acido carbonicobicarbonato Gli organismi viventi tollerano un intervallo di pH ristretto

30 30 Vediamo più nel dettaglio come funziona il sistema acido carbonico/bicarbonato. Quando una base rilascia ioni OH − nel sangue, essi si combinano con gli ioni H + provenienti dalla dissociazione dell’acido carbonico, formando acqua (H 2 O). Quando, invece, un acido rilascia ioni H + nel sangue, essi si combinano con il bicarbonato e si riforma l’acido carbonico. Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 OH - + H + H2OH2O H 2 CO 3 HCO 3 + H + - Gli organismi viventi tollerano un intervallo di pH ristretto

31 31 Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia © Zanichelli editore, 2012 Le deposizioni acide hanno un pH inferiore a 5 e si formano quando una sostanza inquinante, come l’anidride solforosa (SO 2 ), si combina con l’acqua. Questa reazione provoca la formazione di sostanze acide nocive, come l’acido solforico. Le deposizioni acide hanno effetti dannosi sui viventi e sull’ambiente


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