La Chimica della Vita, I Legami Chimici, L'acqua PDF

La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Biologia Chimica Fisica Organismi: fatti di materia, costituita di elementi, che si combinano in composti La...

La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Biologia Chimica Fisica Organismi: fatti di materia, costituita di elementi, che si combinano in composti La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Le cellule e gli organismi sono costituiti da un piccolo numero dei 92 elementi della tavola periodica. Circa il 96% dei costituenti sono quelli in rosa. La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Elementi naturali nella materia organica Circa il 96% è fatto di: Simbolo Elemento % in peso O Ossigeno 65.0 C Carbonio 18.5 H Idrogeno 9.5 N Azoto 3.3 Circa 4% è fatto di: Ca (calcio), P (fosforo), K (potassio), S (zolfo), Na (sodio), Cl (cloro), Mg (magnesio) Elementi traccia (oligoelementi, proprietà chimiche di un atomo (quindi dipendenti del numero totale di elettroni: numero atomico). Ogni guscio contiene orbitali, e in ogni orbitale ci sono 1 (spaiato) o 2 elettroni La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Gli atomi con elettroni spaiati interagiscono fra di loro. Cessione o condivisione di elettroni spaiati → legami chimici: - Forti: covalenti (80-100 Kcal/M) ionici (in assenza di acqua) - Deboli: ionici (in presenza di acqua, ˜3 Kcal/M) legami a idrogeno (2-5 Kcal/M) interazioni di Van der Waals (0,1 Kcal/M) forze idrofobiche (in ambiente acquoso) La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Legami covalenti Compartecipazione di elettroni, si crea una molecola (fondamentale nei esseri viventi), può essere un elemento puro o un composto Esempi: Idrogeno molecolare: H: valenza 1 Formula di struttura H-H Formula molecolare H2 Ossigeno moleclare: O: valenza 2 Formula struttura O=O Formula molecolare O2 Acqua Metano La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Quanti legami covalenti possono formare gli atomi sotto? La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Elettronegatività di un atomo: Misura dell’attrazione degli elettroni Legami covalenti: non polari: gli elettroni si trovano al centro tra i due nuclei perché gli atomi hanno elettronegatività paragonabile e polari: gli elettroni non si trovano più al centro tra due atomi ma sono spostati verso l’atomo a maggiore elettronegatività La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Legami ionici Un atomo molto elettronegativo ‘ruba’ un elettrone a un altro atomo e diventa un ione anione (-), mentre quello che perde diventa un ione catione (+) Ora che sono carichi si attraggono fortemente, formando un legame ionico La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Confronto tra legami covalenti e ionici La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Confronto tra legami covalenti e ionici La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Composti ionici o sali: gli ioni si ordinano in reticoli tridimensionali, di grandezza indefinita (non sono molecole), la formula chimica rappresenta solo il rapporto degli elementi nel composto NaCl: Na+ (catione) Cl- (anione) MgCl2: Mg2+ (catione) 2x Cl- (anioni) NH4Cl: NH4+ (catione) Cl- (anione) La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Molti sali sono idrosolubili perché in presenza di acqua si dissociano nei singoli ioni che li compongono, ciascuno avvolto da molecole di acqua La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Legami deboli… ma molto importanti per la vita! Legami a idrogeno Un atomo di idrogeno in una molecola polare interagisce con l’atomo elettronegativo di un’altra molecola La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Legami a idrogeno più frequenti nelle cellule La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Forze di Van der Waals Le molecole fatte da legami covalenti apolari possono avere regioni cariche in modo transitorio, che interagiscono con altre molecole simili (interazioni elettrostatiche) in modo molto debole. L’insieme di tante interazioni deboli può risultare forte abbastanza da fare camminare a un geco in verticale sul vetro! La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Forze di Van der Waals La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Forze idrofobiche Sostanze IDROFOBICHE: molecole apolari, non sono solubili in acqua (non formano interazioni favorevoli con l’acqua) →interrompono le interazioni favorevoli H2O-H2O (legami a idrogeno) Quando i composti idrofobici (non polari) vengono mescolati con l’acqua, la repulsione verso questa li “forza” insieme → tendono ad aggregarsi in modo da minimizzare la loro esposizione all’ambiente polare La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Struttura e funzione… delle molecole: la forma determina le interazioni tra le molecole, tramite legami non covalenti noncovalent_bonds La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Le molecole quando si incontrano possono abbinarsi tramite reazioni chimiche: scambio di legami covalenti fra gli atomi per creare nuove molecole, la materia (glia atomi) si conserva Ci sono reagenti e prodotti: La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. La vita è iniziata nell’acqua, e si è evoluta in acqua per 3 miliardi di anni La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Caratteristiche dell’acqua La struttura della molecola è responsabile delle proprietà fisico-chimiche e biologiche dell’acqua. Le molecole di acqua sono polari La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Interagiscono fra di loro attraverso legami a idrogeno, deboli e transienti pero in grado di ‘organizzare’ l’acqua in una struttura superiore. Questo da all’acqua delle proprietà molto speciali. l’H20 è liquida tra i 0 °C - 100 °C (intervallo di T che copre la maggior parte del globo) A 37°C il 15% delle molecole è connesso con altre 4 molecole La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Molecole di acqua in stato liquido La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Proprietà 1: la coesione (adesione, tensione superficiale) Legami a idrogeno -> liquido molto strutturato -> coesione -> adesione ad altre sostanze -> alta tensione superficiale La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Proprietà 2: moderazione delle escursioni termiche - Calore = somma di tutta l’energia cinetica delle molecole di acqua - Temperatura = intensità del calore: energia cinetica media delle molecole (oC) - Calore specifico: quantità di calore che si deve assorbire o perdere per cambiare di 1oC la temperatura di 1 g di materia - 1 caloria = quantità di energia per elevare 1oC la temperatura di 1 g di acqua Acqua: calore specifico 1 cal/g/oC, valore alto -> l’acqua può assorbire o rilasciare calore subendo solo piccoli cambiamenti di temperatura. Si deve alla presenza di numerosi legami a idrogeno, che assorbono o rilasciano tanta energia, diminuendo così la quantità d’energia che va a cambiare la temperatura La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Proprietà 3: l’acqua ghiacciata è meno densa che l’acqua fredda... Il ghiaccio galleggia! Questo permette la vita nell’acqua anche in ambienti gelidi La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Proprietà 4: l’acqua è il solvente (polare) della vita L’acqua, fatta da molecole polari, è in grado di disciogliere tanti soluti, siano ionici (sale) che polari (zuccheri, proteine, altre). La vita accade in soluzione acquosa! Guscio d’idratazione Sostanze IDROFILE (solubili o non) IDROFOBE tutte sono importanti in biologia: cellulosio e lipidi hanno ruoli diversi che dipendono pure delle loro proprietà riguardo all’acqua La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Acidità e basicità in soluzione acquosa l’H20 ha capacità di ionizzazione Acqua ionizzata in ambiente acquoso: H3O+ (idronio o ossonio), tante volte semplificato a H+ + OH- (idrossido o ossidrile) Acqua pura: 1 molecola dissociata ogni 554 milioni -> 10-7 M di OH- e H+ (a 25°C) Sono pochi ma poderosi: molto reattivi La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. La scala del pH a 25oC e pH neutro: [H+ ] = 10-7 [H+ ] x [OH-] = 10-14 pH = - log [H+ ] neutro: [H+ ] = 10-7 -> pH = 7 pH < 7 acido pH > 7 basico scala: 1 – 14, ogni unità di pH: [H+ ] 10 volte più alta o bassa Acqua pura: neutra, pH = 7 La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Acido: libera ioni H+ in soluzione: HCl -> H+ + Cl- Base: diminuisce la quantità di ioni H+ in soluzione: direttamente: NH3 + H+ NH4+ o indirettamente: NaOH Na+ + OH- OH- + H+ H2O La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Tamponi (buffer) Sostanze che diminuiscono la concentrazione degli ioni H+ e OH- in soluzione. Di solito: acido debole + base coniugata: H2CO3 HCO3- + H+ Acido carbonico ione bicarbonato Sangue, acqua di mare, laboratorio: tampone carbonico / bicarbonato: CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ Acido carbonico bicarbonato La chimica della vita. I legami chimici. L’acqua. Il sistema tampone bicarbonato è un meccanismo omeostatico acido-base che coinvolge l'equilibrio di acido carbonico (H2CO3), ione bicarbonato (HCO3-) e anidride carbonica (CO2) per mantenere entro i limiti fisiologici il pH del sangue