Introduzione all'Atomica Struttura e alle Interazioni Interatomiche, Schemi e mappe concettuali di Biologia Applicata

Scarica Introduzione all'Atomica Struttura e alle Interazioni Interatomiche e più Schemi e mappe concettuali in PDF di Biologia Applicata solo su Docsity! BIOLOGIA APPLICATA BIG BANG 20 miliardi di anni fa nostro universo creato da scoppio che produsse particelle subatomiche che poi si sono aggregate tra loro formando associazioni con dimensioni e proprietà diverse. Ancora oggi nel sole e nelle stelle. Le aggregazioni di particelle subatomiche sono instabili, tranne protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni massa simile, differenza solo protoni con carica elettrica positiva e neutroni non hanno carica. Elettroni uguali a protoni ma segno opposto e massa molto diversa. ATOMO E ISOTOPI Atomi sono protoni, neuroni e elettroni uniti. Protoni e neutroni formano uncleo (al centro) attorno ci sono elettroni. Numero protoni di un atomo è chiamato numero atomico (Z). in atomi n protoni è uguale a n elettroni (elettrico neutro). Attività chimica deriva da n elettroni. Tipi di atomi sono detti elementi (proprio nome che coincide con simbolo di 1 o 2 lettere): in natura tra 1 e 92 e comprendono 146 neutroni (es. idrogeno, H- 1 pro + 1 elet. Elio, He – 2 pro + 2 elet + 2 neu). Se n maggiore di 92 sono artificiali. Numero di massa è n totale protoni e neutroni (A). atomi con diverso numero di neutroni sono isotopi, che sono indicati con valore n di massa come simbolo (es. idrogeno naturale 1H). Ma n massa è misura inadeguata perché ci sono vari isotopi in un elemento, quindi si usa peso atomico cioè la media ponderale delle masse dei vari isotopi (dalton), peso atomico è adimensionale. Alcuni isotopi sono instabili e decadono in atomi più stabili, processo di emissione di energia, radioattivi o radioisotopi. Radioattivi: usati a fini diagnostici e terapeutici, esperimenti introducendoli in molecole in vitro (cellule in coltura) e in vivo (organismo vivente da laboratorio). Radioisotopi: in diagnosi possono essere somministrati ai pazienti per capire se organi funzionano. In neurobiologia molecole radioattive sono somministrate a animali o umani in laboratorio per studiare le attivazioni cerebrali (tecniche imaging fnuzionale). Radiazioni usate per uccidere cellule malate nel corpo (es. tumoti della tiroide). Tomografia computerizzata: usa raggi X per riprodurre sezioni del corpo in 3D. ORBITALI E LEGAMI CHIMICI In ogni livello energetico gli elettroni si muovono attorno al nucleo, in regioni di forma definita e predicibili dello spazio perinucleare, dette orbitali. Ogni orbitale 2 elettroni, con spin (intorno al suo asse) di direzione opposta. i vari livelli energetici numero di orbitali sempre più grande con l'aumentare della distanza del livello energetico dal nucleo dell'atomo (livello energetico K contiene 1 solo orbitale, il livello L ne può contenere fino a 4, e così via. In ogni livello energetico, il primo orbitale che viene popolato dagli elettroni (lettera s). Nel secondo e terzo livello, gli altri tre orbitali hanno invece sono disposti l'uno rispetto all'altro. Tali orbitali (lettera p). Oltre gli orbitali s e p, altri orbitali di forma più complessa. Le regole di ripartizione degli elettroni in tutti orbitali definiscono la capacità dell'atomo a reagire chimicamente con altri atomi. Atomi tendono ad avere i loro livelli energetici tutti occupati dagli elettroni, saranno chimicamente inerti solamente i gas nobili (ad es. il neon, l'argon, lo xenon, il kripton), i cui elettroni sono in numero uguale a quello essenziale per riempire tutti i vari livelli energetici dell'atomo stesso. Esibiranno una reattività chimica quegli elementi ai quali manca 1 solo elettrone (ad esempio, i cosiddetti “alogeni” come il cloro, il bromo, il fluoro, lo iodio), o con un solo elettrone nel loro livello energetico esterno (ad esempio, i cosiddetti “metalli alcalini”, come il sodio, il litio, il potassio). Si forma una tabella, detta Sistema periodico degli elementi, D. Mendeleev la sviluppò sulla base delle proprietà chimiche e sul peso atomico di quegli elementi a quel tempo conosciuti, può essere divisa in righe e colonne. Le righe i livelli elettronici principali, le colonne il numero di elettroni che gli atomi hanno nel loro livello più esterno. Gli elementi presenti sulla stessa riga hanno gli elettroni esterni sistemati sullo stesso livello energetico, quelli della stessa colonna hanno lo stesso numero di elettroni nel livello energetico più esterno, indipendentemente da quale sia questo livello. LEGAME COVALENTE Due atomi dello stesso elemento, si dicono legati con legame covalente quando collocano in comune uno o più elettroni dei loro livelli esterni, raggiungendo in tal modo la loro completa saturazione. i gas nobili non possono formare legami covalenti con altri atomi. esempio tra due atomi di idrogeno. la formazione della molecola è favorita rispetto agli atomi singoli e la rottura della molecola stessa richiede la somministrazione di una adeguata quantità di energia. Quando due atomi pongono in comune 2 o 3 coppie di elettroni, essi si dicono legati da un doppio o da un triplo legame. I doppi o tripli legami si indicano rispettivamente con 2 o 3 trattini tra i due atomi. La forza attrattiva di questi legami è più grande di quella esercitata dal legame singolo. La forza di attrazione che si l’esecuzione dei processi vitali. Il successo dell'acqua nella materia vivente è dovuto, oltre che alla sua gran quantità sul nostro pianeta, ad alcune proprietà fisicochimiche che la rendono un solvente effettivamente unico. La molecola dell'acqua è costituita da due atomi di idrogeno legati covalentemente ad un atomo di ossigeno. L'atomo di O costituisce la parte centrale della molecola e, a causa della disposizione spaziale dei propri orbitali esterni, le conferisce una forma a V con un angolo di legame di 104,5°. Poiché gli orbitali esterni dei tre atomi sono tutti saturi di elettroni, la molecola è molto stabile e globalmente neutra anche se, a causa della elettronegatività dell'O, la nube elettronica della molecola stessa è fortemente asimmetrica. In altre parole, la molecola dell'H2O presenta le regioni degli H fortemente elettropositive e quella dell'O fortemente elettronegativa. La molecola è quindi un dipolo, con il vertice occupato dall'O con carica negativa e le braccia occupate dai due H con carica positiva. L'organizzazione a dipolo delle molecole di H2O fa sì che esse possano stabilire legami idrogeno sia con altre molecole polari che tra loro. Anche se i legami idrogeno che si stabiliscono tra le varie molecole tendono ad immobilizzarle scambievolmente, essi sono agevolmente rotti dall'agitazione termica delle molecole stesse. La presenza dei legami idrogeno influenza a fondo lo stato fisico in cui si trovano le molecole acquose. Ad esempio, quando l'acqua si trova allo stato liquido, le sue molecole sono in continua agitazione termica e legate le une alle altre da legami idrogeno che ininterrottamente si formano e si spezzano. Con l'aumentare della temperatura, l'intensità del movimento molecolare aumenta gradualmente sino a un punto tale, corrispondente alla temperatura di 100 °C, che la formazione di qualunque legame idrogeno tra le varie molecole ne è di fatto completamente impedita. Di conseguenza le varie molecole divengono gassose, cioè si allontanano completamente e in maniera definitiva le une dalle altre. Una situazione diversa si ha invece quando la temperatura dell'acqua diviene uguale o inferiore a 0 °C. In questo caso, infatti, il movimento molecolare diminuisce al punto che 'energia cinetica goduta dalle singole molecole non è più sufficiente a spezzare i legami idrogeno. Le molecole, perciò, si arrestano le une rispetto alle altre, sistemandosi regolarmente secondo un reticolo cristallino, il ghiaccio, il quale risulta costituito da molecole equidistanti e legate tra loro da 4 legami idrogeno. È importante notare che, a causa della disposizione regolare dei legami idrogeno, nel ghiaccio la distanza tra le varie molecole acquose è maggiore di quella che si ha tra le molecole allo stato liquido. Di conseguenza il ghiaccio ha una densità minore di quella dell'acqua e può perciò galleggiare. Questa particolare proprietà, tipica dell'acqua, ha importanti conseguenze biologiche, in quanto consente la sopravvivenza degli organismi acquatici nella fase liquida sottostante agli strati ghiacciati. La presenza di plurimi legami idrogeno è anche alla base dell'elevata coesione dell'acqua, dovuta all'attrazione che le varie molecole acquose esercitano l'una rispetto alle altre. Tale proprietà dell'acqua ha rilevanti conseguenze biologiche, ad esempio, permettendo a notevoli masse di acqua di risalire per grandi altezze vasi capillari quali quelli del fusto di un albero di grandi dimensioni, senza che la colonna di liquido contenuta nei capillari si spezzi sotto l'azione della forza di gravità. L'alto potere coesivo dell'acqua è anche alla base della sua elevata tensione superficiale, tale da permettere ad alcuni insetti di correre sulla superficie senza sprofondare nel liquido. L'elevata tensione superficiale dell'acqua è originata dall'omogeneo orientamento verso il basso dei legami idrogeno formati dalle molecole poste all'interfaccia acqua-aria, con la conseguente formazione di uno strato molecolare superficiale più compatto. Come effetto della loro organizzazione a dipolo, le molecole dell'acqua tendono a stabilire attrazioni deboli con qualunque altra sostanza che sia provvista di carica (ioni) o che comunque presenti un addensamento di cariche positive e/o negative sulla sua superficie (molecole polari). L'acqua si lega alla superficie di ioni e molecole polari, costituendo un velo di acqua legata o guscio di idratazione della molecola. Questo fenomeno è alla base del potere solvente che l'acqua presenta nei confronti delle molecole polari. Infatti, il guscio di idratazione consente la solubilizzazione della molecola, cioè la comparsa di interazioni deboli tra le molecole del soluto e quelle dell'ambiente acquoso. Ad esempio, l'acqua esercita potere solvente nei confronti degli zuccheri, molecole ricche dei gruppi polari (gli ossidrili, -OH), che con grande facilità stabiliscono legami H con le molecole dell'acqua. Quando la sostanza a contatto con l'acqua è un sale, l'acqua tende a scinderlo negli ioni che lo costituiscono, mostrando un elevato potere ionizzante. Ad esempio, quando il sale NaCl viene posto nell'acqua, il solvente progressivamente distrugge l'organizzazione cristallina del sale, separando l'uno dall'altro i singoli ioni Na+ e Cl-