Capitolo 2 La chimica della vita

Atomi e molecole 2.1 Le proprietà caratteristiche dei viventi si possono osservare a ogni livello della loro struttura gerarchica D. Organo: muscolo delle ali C. Cellule e tessuti: Cellule muscolari all’interno del tessuto muscolare B. Organulo: miofibrilla (solo nelle cellule muscolari) Actina Miosina A. Molecola: actina Atomo Le strutture biologiche hanno un’organizzazione gerarchica Figura 2.1

Atomi e molecole 2.2 La vita richiede circa 25 elementi che si possono combinare tra loro per formare i composti Per la vita sono fondamentali circa 25 differenti elementi chimici (sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze mediante mezzi chimici tradizionali).

Carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto sono i quattro elementi fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente. Tabella 2.2

Gli elementi in tracce (oligoelementi) sono essenziali almeno per alcuni organismi, ma soltanto in minime quantità. Certi oligoelementi, come il ferro, sono indispensabili per tutte le forme di vita, mentre altri lo sono solo per alcune specie.

Gli oligoelementi sono additivi comuni di cibo e acqua. Gli oligoelementi sono additivi comuni di cibo e acqua. Carenze alimentari in alcuni oligoelementi possono causare diverse condizioni fisiologiche. Per esempio, una carenza o un eccesso di iodio impediscono il normale funzionamento della ghiandola tiroide, provocandone l’ingrossamento (gozzo). Figura 2.2A

Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per formare i composti. Un composto è una sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso. Sodio Cloro Cloruro di sodio Figura 2.2C

2.3 Gli atomi sono formati da protoni, neutroni ed elettroni 2.3 Gli atomi sono formati da protoni, neutroni ed elettroni L’atomo (il cui nome deriva dalla parola greca àtomos che significa «indivisibile») è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un elemento.

Le particelle subatomiche Le particelle subatomiche Un atomo è costituito da protoni e neutroni situati in un nucleo centrale. Il nucleo è circondato da elettroni organizzati in gusci elettronici. + – 2 Protoni Neutroni Elettroni Numero di massa = 4 2e– Nuvola elettronica Nucleo Figura 2.3A

La diversità tra elementi La diversità tra elementi Gli atomi di ciascun elemento sono caratterizzati da uno specifico numero di protoni, che rappresenta il numero atomico. + – 6 Protoni Neutroni Elettroni Numero di massa = 12 6e– Nucleo Nuvola elettronica Figura 2.3B

Gli isotopi Il numero di neutroni in un atomo può variare. Gli isotopi Il numero di neutroni in un atomo può variare. Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi dette isotopi. Alcuni isotopi sono radioattivi. Tabella 2.3

COLLEGAMENTI 2.4 Gli isotopi radioattivi possono essere utili ma anche pericolosi La ricerca scientifica I biologi spesso usano i traccianti radioattivi per seguire le trasformazioni chimiche subite dalle molecole negli organismi.

La diagnostica medica I traccianti radioattivi sono spesso usati nella diagnostica medica in combinazione con sofisticate strumentazioni per la realizzazione di immagini. Figura 2.4A Figura 2.4B

I pericoli della radioattività I pericoli della radioattività Nonostante le loro molteplici applicazioni positive, l’esposizione incontrollata agli isotopi radioattivi può essere nociva per gli organismi viventi. Le particelle e l’energia emesse dagli atomi radioattivi possono spezzare i legami originari tra gli atomi, formandone altri. Questi processi possono danneggiare molecole importanti all’interno dell’organismo (in particolare, il DNA).

Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni) 2.5 La configurazione elettronica di un atomo ne determina le proprietà chimiche Gli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettronici che possono contenere numeri diversi di elettroni. Idrogeno (H) Numero atomico = 1 Elettrone Carbonio (C) Numero atomico = 6 Azoto (N) Numero atomico = 7 Ossigeno (O) Numero atomico = 8 Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni) Guscio elettronico più interno (può contenere fino a 2 elettroni) Figura 2.5

Quando due atomi con un guscio elettronico incompleto reagiscono, ciascuno di essi mette in comune (cede oppure riceve) elettroni, in modo da occuparlo completamente. Queste interazioni solitamente fanno sì che gli atomi vengano tenuti insieme da forze di attrazione chiamate legami chimici.

Cloruro di sodio (NaCl) 2.6 I legami ionici sono interazioni che si stabiliscono tra ioni di carica opposta Quando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creano atomi carichi chiamati ioni. Trasferimento di elettroni Na Atomo di sodio Cl Atomo di cloro Na+ Ione sodio Cl– Ione cloro Cloruro di sodio (NaCl) Na Cl + – Figura 2.6A

Due ioni aventi cariche opposte si attraggono. Due ioni aventi cariche opposte si attraggono. Se l’attrazione è abbastanza forte, si forma un legame detto legame ionico. Per esempio, gli ioni sodio e gli ioni cloro si legano per formare il cloruro di sodio, il comune sale da cucina. Na+ Cl– Figura 2.6B

2.7 Mediante i legami covalenti gli atomi condividono elettroni formando molecole Nei legami covalenti due atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni poste sui loro livelli energetici più esterni, formando molecole. Le molecole possono essere rappresentate in molti modi. Tabella 2.7

2.8 Le reazioni chimiche consentono alle sostanze di ricombinarsi 2.8 Le reazioni chimiche consentono alle sostanze di ricombinarsi In una reazione chimica i reagenti (materiali di partenza) interagiscono, cambiano l’organizzazione degli atomi e formano il prodotto finale. 2 H2 O2 2 H2O Figura 2.8A

Per esempio, il beta-carotene viene convertito in vitamina A. Nelle cellule viventi avvengono migliaia di reazioni chimiche che trasformano la materia. Per esempio, il beta-carotene viene convertito in vitamina A. CH3 H2C C CH CH2 O2 4H OH H Vitamina A (2 molecole) Beta-carotene 2 Figura 2.8B

Le proprietà dell’acqua 2.9 La molecola dell’acqua è polare Una molecola è non polare quando i suoi atomi legati da legame covalente condividono gli elettroni equamente. In un legame covalente polare la condivisione degli elettroni tra gli atomi è asimmetrica e crea una molecola polare (dotata cioè di poli con cariche parziali opposte). (–) (+) O H Figura 2.9

2.10 La polarità della molecola dell’acqua consente la formazione del legame idrogeno Le estremità cariche delle molecole d’acqua vengono attratte dalle estremità dotate di carica opposta delle molecole vicine. Questa attrazione forma legami deboli chiamati legami idrogeno. Legame idrogeno (+) H (–) O Figura 2.10A

2.11 I legami idrogeno sono responsabili della coesione dell’acqua 2.11 I legami idrogeno sono responsabili della coesione dell’acqua Grazie ai legami idrogeno, le molecole d’acqua possono spostarsi dalle radici alle foglie di una pianta. Gli insetti riescono a camminare sull’acqua grazie alla tensione superficiale creata dalla coesione delle molecole d’acqua. Figura 2.11

2.12 I legami idrogeno regolano la temperatura dell’acqua 2.12 I legami idrogeno regolano la temperatura dell’acqua La capacità dell’acqua di immagazzinare calore regola la temperatura del corpo e il clima.

Per rompere i legami idrogeno serve energia (la rottura dei legami è accompagnata da assorbimento di calore). Per questo, l’acqua è in grado di assorbire una grande quantità di calore senza un grande aumento nella temperatura. Mentre l’acqua si raffredda, un piccolo calo nella temperatura libera una grande quantità di calore.

Quando una molecola d’acqua evapora, assorbe energia. Quando una molecola d’acqua evapora, assorbe energia. Questo permette il raffreddamento (abbassamento di temperatura) per evaporazione. Figura 2.12

Acqua allo stato liquido 2.13 Il ghiaccio è meno denso dell’acqua allo stato liquido I legami idrogeno tengono insieme le molecole nel ghiaccio in modo meno denso che nell’acqua allo stato liquido. Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente Ghiaccio I legami idrogeno sono stabili Legame idrogeno Figura 2.13

Il ghiaccio è meno denso dell’acqua allo stato liquido ed è per questo che galleggia. Il fatto che il ghiaccio galleggi, protegge i laghi e gli oceani dal congelamento solido.

2.14 L’acqua è un solvente versatile 2.14 L’acqua è un solvente versatile I soluti polari o carichi si sciolgono quando le molecole d’acqua li circondano, formando soluzioni acquose. + – Na+ Cl– Ioni in soluzione Cristallo di sale Figura 2.14

2.15 La chimica della vita è influenzata dall’acidità e dalla basicità 2.15 La chimica della vita è influenzata dall’acidità e dalla basicità Un composto chimico che cede ioni H+ a una soluzione è un acido. Un composto che è in grado di accettare ioni H+ rimuovendoli da una soluzione è una base. L’acidità è misurata sulla scala del pH che va da 0 (massima acidità) a 14 (massima basicità).

La scala del pH: Figura 2.15 Scala del pH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 La scala del pH: Acqua Soluzione basica Schiuma detergente per forni Soluzione acida Soluzione neutra Scala del pH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Succo di limone, succhi gastrici Succo di pompelmo Succo di pomodoro Urina Acqua pura Sangue umano Acqua di mare Bicarbonato Ammoniaca per uso domestico ACIDITÀ in aumento NEUTRALITÀ [H+]=[OH–] H+ OH– BASICITÀ in aumento 14 13 Candeggina Figura 2.15

Il pH della maggior parte delle cellule è tenuto vicino a 7 (neutro) dalle sostanze tampone. Le sostanze tampone contrastano i cambiamenti di pH (accettando ioni H+ quando sono presenti in eccesso e cedendoli se la loro concentrazione diventa troppo bassa).