Introduzione all'Atomica e Chimica Fisica: Tavola Periodica, Legami Chimici e Molecole, Appunti di Biologia, microbiologia e tecnologie di controllo sanitario

Scarica Introduzione all'Atomica e Chimica Fisica: Tavola Periodica, Legami Chimici e Molecole e più Appunti in PDF di Biologia, microbiologia e tecnologie di controllo sanitario solo su Docsity! L'atomo è la particella più piccola che esista in natura ed è la parte più piccola di un elemento chimico che possiede le proprietà caratteristiche di quell’elemento. Ogni atomo presenta al suo interno un nucleo molto piccolo e denso che contiene una o più particelle cariche positivamente, i protoni, insieme a particelle di massa analoga ma elettricamente neutre chiamate neutroni. Tutti gli atomi di un determinato elemento hanno lo stesso numero di protoni detto numero atomico indicato dalla lettera Z che rappresenta appunto il numero di elettroni e di protoni. A volte uno stesso elemento chimico si presenta con un diverso numero di neutroni nel nucleo: queste varianti sono chiamate isotopi. Ad esempio l'idrogeno con il prozio, il deuterio e il trizio. In pratica gli isotopi hanno lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa. Il numero di massa è la somma dei protoni e dei neutroni indicato dalla lettera A. Nel 1869 il chimico Russo Mendeleev costruire una tabella che evidenzia analogie nei comportamenti chimici dei vari elementi. La tabella mostrava soltanto i 63 elementi chimici noti a quell'epoca quindi presentava ancora molti spazi vuoti. Nella riga orizzontale chiamata periodo si susseguono gli elementi che riempiono di elettroni lo stesso livello energetico. Nella colonna verticale o gruppo invece hanno lo stesso numero di elettroni nel livello di energia più esterno. Gli elementi dell'ottavo gruppo i cosiddetti gas nobili o inerti sono stabili e poco reattivi. Tutti i gas nobili tranne l'elio che ha solo due elettroni ma è saturo non hanno interesse a mescolarsi con gli altri atomi perché l'ultima orbitale ha tutti gli elettroni. L'orbitale è il sotto cassetto nella quale si collocano solo due elettroni. Inoltre a eccezione dell'idrogeno tutti questi elementi possono formare legami con due o più atomi dando origine alle molecole complesse dei sistemi viventi. L'elettronegatività aumenta da sinistra a destra della tavola periodica ed è la tendenza di un atomo ad attrarre verso di sé gli elettroni di legame. Un elettrone con una scarsa quantità di energia si trova vicino al nucleo mentre un elettrone con più energia è più lontano dal nucleo. Un atomo raggiunge la massima stabilità quando il livello energetico più esterno possiede tutti gli otto elettroni. Di conseguenza se sul livello più esterno un atomo ha un numero di elettronica compreso tra 1 e 7 risulta instabile. Tutti gli altri atomi tendono a reagire tra loro in modo da raggiungere la stabilità grazie ai legami chimici e il risultato dell'unione dei due o più atomi è la formazione delle molecole e dei composti. Una molecola è un gruppo di due o più atomi legati in una disposizione spaziale definita da legami covalenti. Una molecola può essere composta da più atomi dello stesso elemento chimico (elementi in forma molecolare) o da atomi di elementi diversi (composti). Durante questa reazione gli atomi di partenza diventano carichi elettricamente e vengono perciò chiamati ioni. Anioni se acquistano elettroni e si caricano negativamente mentre si chiamano cationi se perdono elettroni e si caricano positivamente. I legami si dividono in forti come i legami ionici e covalenti polari e apolari e deboli come il legame ad idrogeno. I legami che comportano la reciproca attrazione tra ioni di carica opposta sono detti legami ionici ad esempio il cloruro di sodio cioè il sale da cucina: Na+Cl-. Un altro modo per completare il livello energetico più esterno di un atomo è quello di condividere elettroni con un altro atomo, cioè di formare delle molecole. I legami chimici costituiti da coppie condivise di elettroni sono detti legami covalenti e sono i più importanti fra i legami forti. Se il legame covalente si forma tra due atomi diversi si forma un legame covalente polare che comporta la presenza contemporanea di poli positivi e negativi sulla molecola che rimane comunque neutra. I poli si generano solo tra atomi impuri cioè con diversa elettronegatività un esempio di legame covalente polare è H2O . Se invece hanno la stessa elettronegatività si dice legame covalente apolare come ad esempio il legame tra 2 idrogeni perchè appunto sono 2 atomi uguali. La distribuzione asimmetrica degli elettroni rende la molecola d'acqua polare con 4 vertici due di carica positiva e due carica negativa. Quando una di queste regioni dotate di carica si avvicina a una regione con carica opposta di un'altra molecola d'acqua la forza di attrazione che si crea dà origine ad un legame ad idrogeno che è il legame più forte ed importante dei legami deboli. I legami ionici, covalenti polari e apolari sono dei legami intramolecolari che si esercitano all'interno di una molecola mentre Il legame a idrogeno è il più forte dei legami intermolecolari che si esercitano tra le molecole. I legami ad idrogeno conferiscono all'acqua delle proprietà fisiche che sono: la tensione superficiale che è una forza che tiene unite le molecole d'acqua, se questa attrazione si verifica tra molecole della stessa sostanza è detta coesione, mentre se coinvolge molecole di sostanze differenti è detta adesione. Per rompere la tensione superficiale si possono utilizzare i tensioattivi che sono delle molecole contenute nei detersivi o nei saponi. L'acqua è anche in grado di attraversare spazi piccolissimi e questo movimento è detto capillarità. Il calore specifico è la quantità di calore richiesta da una sostanza affinché si verifichi un determinato aumento della sua temperatura. L'evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso ed infine la densità cioè il rapporto tra la massa e volume di una sostanza che aumenta al diminuire della temperatura poiché le molecole si muovono più lentamente e si riducono. In questo modo lo stesso volume contiene più molecole. Le biomolecole sono costituite da un numero ristretto di elementi che sono il carbonio l'idrogeno l'azoto l'ossigeno il fosforo e lo zolfo. Gli atomi di carbonio formano l'ossatura centrale di tutte le molecole biologiche che rientrano nel campo di studio della chimica organica. Le molecole presenti negli organismi possono essere rappresentate attraverso formule grezze o brute oppure mediante formule di struttura. Le prime specificano il numero di atomi di ogni elemento chimico che è presente nella molecola mentre le seconde evidenziano in che modo i diversi atomi si legano tra loro. Può capitare che due sostanze siano costituite da molecole con la stessa formula grezza ma diversa formula di struttura in questo caso le sostanze sono dette isomeri come ad esempio il glucosio il fruttosio che hanno entrambi formula grezza C6 h12 o6 ma struttura diversa, uno è un esagono (glucosio) mentre l'altro è un pentagono (fruttosio). Le molecole più grandi dette polimeri sono formate dall'assemblaggio di monomeri che sono le unità base. Inoltre gli aminoacidi possono essere suddivisi in essenziali che sono otto e devono essere assunti necessariamente con la dieta oppure non essenziali Perché il nostro organismo li produce da solo. La condensazione è il processo di unione di due amminoacidi in cui l'atomo di azoto del gruppo amminico di un amminoacido si lega con l'atomo di carbonio del gruppo carbossilico di un altro amminoacido, con eliminazione di una molecola d'acqua. Il legame covalente che si forma è detto legame peptidico e la molecola ottenuta dall'associazione di molti aminoacidi viene chiamata polipeptide. Al contrario della condensazione c'è l'idrolisi da H2O che si scompone in OH e H. Le proteine più importanti con le loro funzioni sono: -Gli enzimi sono delle proteine che servono ad abbassare l'energia di attivazione e catalizzano, accelerano, una reazione ad esempio il lipasi che è un enzima che spezza i lipidi. Gli enzimi vengono anche chiamati catalizzatori biologici mentre gli inibitori bloccano l'attività enzimatica. Ogni enzima ha un substrato a sistema chiave-serratura e il sito-attivo è il sito in cui si aggancia il substrato mentre l'altro si chiama sito allosterico. L'enzima esce sempre inalterata a meno che non si presenti un inibitore. -Le proteine strutturali formano i muscoli e conferiscono stabilità ai tessuti. -Le proteine di difesa formano gli anticorpi che riconoscono ed eliminano le sostanze estranee dannose per il nostro corpo. -Le proteine di segnalazione che controllano le batterie svolgimento dei processi cellulari. -Le proteine recettori che ricevono e trasmettono I segnali cellulari all'organismo. -Le proteine trasportatori di membrana che regolano il passaggio di sostanze attraverso le membrane cellulari. -Le proteine di trasporto che legano e trasportano sostanze all'interno di un organismo. Nelle cellule, le proteine sono assemblate in lunghe catene polipeptidiche in cui gli aminoacidi si susseguono uno dopo l'altro e questa sequenza lineare è detta struttura primaria. Lungo questa catena polipeptidica si verificano delle interazioni tra i vari aminoacidi che ne determinano il parziale e ripiegamento su se stessa conferendo una struttura secondaria che è, nella sequenza primaria, spirale o ad alfa elica, mentre nella seconda sequenza, a foglietto cioè disposizioni parallele. In altre proteine la struttura secondaria si ripiega su se stessa per dare origine ad una struttura terziaria quindi si compone con più strutture seconda rimesse assieme. Infine ci sono delle proteine che sono formate da più di una catena polipeptidica che comporta l'interazione fra due o più polipeptidi che corrisponde alla struttura quaternaria cioè si compone con più strutture terziarie messe assieme. Un esempio di struttura quaternaria è l'emoglobina che è una proteina contenuta nei globuli rossi del sangue (l'unica cellula anucleata è il globulo rosso, il nucleo viene rimosso per dar posto alle emoglobine). Nell'emoglobina c'è il gruppo prostetico o anche detto gruppo eme che lega preferibilmente con il monossido di carbonio che con l'ossigeno, per riassumere l'emoglobina ha 4 subunità e quattro gruppi eme. L'anemia falciforme è una malattia in cui le molecole di emoglobina rappresentano un'anomalia funzionale e assumono la caratteristica forma a falce. I lipidi sono un gruppo di sostanze organiche molto diverse tra loro ma con due importanti caratteristiche comuni: sono insolubili nei solventi polari come l'acqua e sono le molecole che liberano la maggior quantità di energia. Sono solubili invece nei solventi organici come ad esempio l'alcool etilico. Oltre a rappresentare una riserva energetica, svolgono anche la funzione di isolanti termici (strato di grasso sottocutaneo spesso che protegge dal freddo gli animali adatti al clima polare). Un lipide è il trigliceride che si forma per condensazione di tre molecole di acidi grassi (acido carbossilico, fa parte degli Idrocarburi e possono essere saturi cioè pieno di legami singoli ad esempio grassi di origine animale come burro e lardo o insaturi cioè non pieno, si crea un buco a causa del doppio o del triplo legame ad esempio gli oli vegetali. L'unica eccezione è la margarina che è solida per l'aggiunta artificiale di idrogeno ai suoi acidi grassi, che diventano saturi e più dannosi per la salute) con una molecola di glicerolo (alcol formato da 3 atomi di carbonio e tre gruppi OH). Un altro esempio di lipidi sono i fosfolipidi nei quali il 3 atomo di carbonio della molecola di glicerolo non è occupato da un acido grasso, bensì dal gruppo fosfato al quale è legato un altro gruppo polare R. Il gruppo fosfato carico negativamente e il gruppo polare costituiscono La parte idrofila o lipofoba della molecola chiamata testa, mentre la parte rimanente costituita da due acidi grassi apolari è detta coda ed è idrofoba o lipofila. Quando si trovano in soluzioni acquose le teste idrofile sono rivolte verso l'acqua mentre le code idrofobe sono orientate in direzione opposta. Le molecole fosfolipidiche non sono legate tra loro ma si possono muovere lateralmente all'interno del doppio strato formando una struttura detta a mosaico fluido e la sua plasticità rende la membrana particolarmente elastica. Nei glicolipidi, cioè zuccheri più grassi, il terzo atomo di carbonio della molecola di glicerolo non si lega ad un gruppo fosfato ma ad una corta catena idrofila di carboidrati. In soluzione acquosa si presentano come I fosfolipidi e i glicolipidi sono posti sulla membrana dei globuli rossi che determinano il gruppo sanguigno A B AB e 0 e sono determinati dal RH che se c'è è positivo e se non c'è è negativo. Colesterolo: è un grasso tra le membrane che ha funzione di ammortizzatore cioè evita lo sfregamento dei fosfolipidi, può essere cattivo o buono e fa parte di un gruppo di composti chiamati steroidi come il testosterone. Essendo sintetizzato nel fegato a partire dagli acidi grassi, può presentarsi l'aterosclerosi una malattia in cui il colesterolo è altre sostanze lipidiche si accumulano sulle pareti interne delle arterie stimolando la crescita anomala di tessuto fibroso. Il deposito di colesterolo è di tessuto fibroso tende ad ostruire i vasi sanguigni. Abbiamo anche le cere che sono lipidi strutturali che costituiscono un rivestimento protettivo e impermeabile del tegumento del pelo del piumaggio degli animali che possono quindi nuotare per ore e uscire dall'acqua praticamente asciutti.