La struttura della materia: atomi, legami chimici e fotosintesi

La struttura della materia: gli atomi

1. La struttura della materia: gli atomi Per poter descrivere le particelle che costituiscono la materia si deve far riferimento al termine atomo. La materia è costituita fondamentalmente da atomi che sono i costituenti elettricamente neutri della materia. L'atomo in realtà non è una particella ultima della materia, ma è costituita da particelle subatomiche. Al suo interno l'atomo è infatti costituito da un nucleo centrale, costituito da protoni (hanno massa unitaria e carica unitaria positiva) e neutroni (hanno massa unitaria, ma carica neutra). Attorno al nucleo si trovano gli elettroni (hanno massa sostanzialmente trascurabile ed hanno carica negativa), i quali si muovono attorno al nucleo, generando una nube di carica elettrica negativa. Nell'atomo neutro il numero dei protoni del nucleo è uguale al numero degli elettroni e la carica totale è nulla. Le particelle subatomiche (protoni, neutroni ed elettroni) sono uguali in tutti gli elementi chimici: ciò che rende differente un elemento dall'altro è il numero di protoni, neutroni ed elettroni che lo costituiscono. L'identità chimica di un atomo, è individuata dal numero dei protoni (indicato con il numero atomico Z). Il numero atomico (Z) è il criterio ordinatore della tavola periodica. Definisce l'identità chimica di un elemento. NB: Atomi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni nel nucleo. Il numero di protoni di un elemento rappresenta il numero atomico, il cui simbolo è Z. Nel nucleo, oltre al protone, c'è il neutrone. Anche il neutrone ha massa. La somma dei neutroni e dei protoni costituisce quindi la massa atomica (u). Il numero di massa (A) è la somma delle particelle che hanno effettivamente una massa (protoni+neutroni). Per questioni convenzionali il termine massa atomica si trova anche indicato come peso atomico, anche se in realtà non è del tutto corretto. In fisica c'è infatti differenza tra massa e peso. Va quindi utilizzato il termine massa atomica e non peso atomico.Gli atomi con lo stesso numero atomico (Z) ma con differente numero di massa (A) sono chiamati isotopi. Per avere masse differenti, gli isotopi devono avere un differente numero di neutroni. Se la particella non è elettricamente neutra si parla di ioni. Gli ioni sono degli atomi o gruppi di atomi che hanno perso elettroni (diventando CATIONI, carichi positivamente) o hanno catturato elettroni (diventando ANIONI, carichi negativamente). A costituire la materia, quindi, si possono trovare atomi neutri, cationi oppure anioni.

Il legame chimico

1.1. Il legame chimico Con legame chimico si intende la forza attrattiva che lega tra loro due atomi in una molecola. I tipi di legame chimico che possono instaurarsi tra gli atomi sono divisibili in due categorie principali: legami elettrostatici, derivanti dall'attrazione tra cariche elettriche di segno opposto generatesi negli atomi, e legami covalenti, derivanti dalla condivisione di elettroni tra due nuclei atomici. Il legame covalente è un legame forte che si viene a creare quando due atomi si trovano in vicinanze adeguate l'uno con l'altro (non devono essere troppo vicini perché si respingerebbero a causa delle forze di repulsione nucleari); gli elettroni presenti sugli orbitali più esterni dell'atomo vengono messi in condivisione da entrambi gli atomi in quanto attratti dai protoni presenti a livello del nucleo. In ambito biologico sono molto importanti i PONTI DISOLFURO S-S. Sono dei legami tra due atomi di zolfo; sono legami forti e danno stabilità in determinate macromolecole come le proteine. Il legame ionico rientra nella famiglia dei legami elettrostatici e, come dice il nome stesso, è un legame che si instaura tra ioni, cioè atomi che hanno acquisito una carica elettrica in seguito alla cessione o all'acquisto di uno o più elettroni. All'interno della cellula un legame ionico ha una forza pari a circa metà di quella di un legame covalente.I legami a idrogeno si formano tra un atomo di idrogeno con debole carica positiva e un atomo di ossigeno con debole carica negativa appartenenti a molecole diverse. Nei sistemi biologici i legami a idrogeno possono essere:

• Intermolecolari = tra molecole diverse
• Intramolecolari = nell'ambito della stessa molecola

I legami a idrogeno sono anche coloro che conferiscono all'acqua le proprietà chimico-fisiche -> consentono all'acqua di mettere in atto caratteristiche di coesività (si distribuisce e si espande sulle superfici pur mantenendo coesione tra le singole molecole d'acqua) ed adesività (l'acqua può aderire alle superfici).

• Se la temperatura si alza, l'energia generata dal calore rompe i legami a idrogeno -> le molecole d'acqua aumentano il loro moto e si allontanano le une dalle altre -> l'acqua dallo stato liquido passa allo stato aeriforme (vaporizzazione).
• Se la temperatura scende e raggiunge il punto di congelamento, le molecole d'acqua cristallizzano in un reticolo cristallino preciso per cristallizzazione dei legami a idrogeno.

Le forze di Van Der Waals sono legami che si formano tra molecole o porzioni di molecole apolari (elettricamente neutre) quando gli elettroni nel loro movimento si accumulano in una porzione di molecola con formazione di zone a carica positiva e negativa. È quello che avviene, ad esempio, tra le singole catene di acidi grassi -> nel burro: le forze di van der Waals formano rigidità tra le singole catene degli acidi grassi e quindi si formano grassi solidi; in alcuni animali, invece, (come il geco) la particolare struttura dei polpastrelli presenta un apice estremamente piccolo che a livello microscopico riesce a formare forze di van der Waals per aderire e potersi muovere sul muro (si muove perché sono legami deboli).

Le molecole della vita

2. Le molecole della vitaIn questo capitolo prenderemo in esame una categoria molto ampia di composti chimici, le biomolecole, cioè i composti chimici che costituiscono i sistemi viventi. La maggior parte di questi composti è rappresentata da molecole organiche, ossia molecole dotate di scheletri carboniosi che possono arrivare a dimensioni notevoli e ad un grado di complessità molto alto, tale da dare origine ad organismi complessi quali sono anche gli esseri viventi più semplici.

La molecola d'acqua

2.1. La molecola d'acqua L'acqua è estremamente diffusa sulla Terra, tanto da ricoprire circa i tre quarti della superficie: non stupisce, quindi, che la vita sia cominciata nell'acqua e che questa costituisca tra il 50% e il 95% del peso di ogni organismo vivente. La molecola d'acqua ha formula H2O ed è costituita da due atomi di idrogeno uniti ad un atomo di ossigeno centrale per mezzo di legami covalenti semplici. La molecola d'acqua è una molecola capace di formare legami idrogeno e possiede proprietà del tutto particolari. La tensione superficiale è una proprietà dei liquidi direttamente correlata all'entità delle interazioni esistenti tra le molecole del liquido (forze coesive). Nell'acqua queste forze sono abbastanza elevate sia per l'elevata polarità della molecola, sia per la capacità di formare legami idrogeno e la loro presenza determina una certa resistenza della superficie liquida ad aumentare la propria estensione. La capillarità, ossia la capacità dell'acqua di risalire all'interno di un capillare, consegue dall'azione combinata della coesione tra le molecole d'acqua (che tende a mantenerle unite) e dell'adesione delle molecole stesse sulle pareti del capillare. Tale proprietà è sfruttata dalle piante per assorbire acqua dal terreno. L'acqua è dotata anche di un'elevata capacità termica, la quale le conferisce una certa inerzia a cambiare la propria temperatura in seguito allo scambio di calore. Anche questa proprietà è correlata alla struttura molecolare, poiché i legami idrogeno, presenti tra molecole, costituiscono un vincolo all'aumento dell'energia cinetica media, a sua volta proporzionale alla temperatura. Si tratta di una proprietà estremamenteimportante per i viventi, perché contribuisce a mantenere stabile la loro temperatura corporea. Infine, l'acqua ha un ottimo potere solvente, cioè possiede una buona capacità di sciogliere sostanze. Grazie alla sua polarità e alla possibilità di formare legami idrogeno, l'acqua discioglie facilmente le sostanze ioniche, solvatando efficacemente sia gli ioni positivi che quelli negativi, le specie polari, di cui talvolta può indurre la dissociazione in ioni, e le molecole in grado di formare legami idrogeno. Queste ottime capacità solventi fanno sì che in natura l'acqua non esista mai allo stato puro.

Dai polimeri alle biomolecole

3. Dai polimeri alle biomolecole Nonostante la loro straordinaria varietà, i composti organici che costituiscono gli esseri viventi derivano dalla combinazione di pochissimi elementi chimici: C, H, N, O, P, S. Tra questi un ruolo centrale è svolto dall'atomo di carbonio che, grazie alla capacità di formare quattro legami, può generare catene più o meno lunghe, lineari, ramificate o cicliche, le quali formano lo scheletro di tutte le molecole organiche. Le principali categorie di composti organici che troviamo negli esseri viventi sono: carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici . Tutte le biomolecole hanno in comune la caratteristica di essere molecole di grandi dimensioni, dette polimeri, ottenute dalla reazione di condensazione di subunità più piccole, chiamate monomeri, dotati di strutture simili tra loro o addirittura identiche.

I carboidrati

4. I carboidrati I carboidrati sono composti organici che rispondono alla formula generale Cn(H2O)n. Tra questi i più comuni sono il glucosio, la principale fonte di energia delle nostre cellule, il fruttosio, zucchero presente nella frutta e nel miele, il ribosio, costituente degli acidi nucleici. Queste molecole semplici, chiamate monosaccaridi, possono unirsi tra loro, eliminando molecole d'acqua e stabilendo legami a ponte di ossigeno (reazione di condensazione).Il legame tra alcune molecole di monosaccaridi porta alla formazione degli oligosaccaridi. Tra questi, i disaccaridi derivano dall'unione di due monosaccaridi per reazione dell'ossidrile anomerico di un monosaccaride con un ossidrile dell'altro attraverso una reazione di condensazione: la reazione porta alla liberazione di una molecola di acqua e alla formazione di un legame O-glicosidico, in cui un atomo di ossigeno si pone a ponte tra i due anelli. Possono così originarsi molecole di piccole dimensioni come i disaccaridi, costituiti dalla condensazione di due molecole di monosaccaride, o molecole molto grandi, i polisaccaridi, generati dall'unione di un gran numero di monomeri. Un disaccaride abbastanza diffuso è il saccarosio (il comune zucchero da tavola), risultato della condensazione di una molecola di glucosio e una di fruttosio, utilizzato dalle piante come zucchero di trasporto. Il disaccaride presente nel latte è il lattosio, risultato della condensazione di una molecola di glucosio e una di galattosio. Le molecole di monosaccaride possono essere liberate dalla molecola di disaccaride mediante idrolisi, reazione inversa alla condensazione, in cui viene riacquistata la molecola d'acqua eliminata e viene scisso il legame tra i due monosaccaridi. I polisaccaridi, infine, sono costituiti da lunghe catene di monosaccaridi. Alcuni di questi sono formati dall'associazione di qualche decina di unità monosaccaridiche, altri possono formare catene anche di decine di migliaia di molecole . Gli omopolisaccaridi sono costituiti dalla ripetizione di un solo tipo di monosaccaride ; gli eteropolisaccaridi contengono, invece, due o più tipi diversi di monosaccaride . I polisaccaridi si classificano anche in base alla presenza di ramificazioni nelle loro molecole : esistono così polisaccaridi a catena lineare e polisaccaridi a catena ramificata. L'amido, un omopolisaccaride assai diffuso nelle piante, è il più importante polisaccaride di riserva e si trova nei cereali, nelle patate e nei legumi, assumendo così notevole importanza alimentare per l'uomo. I costituenti principali dell'amido sono l'amilasio e l'amilopectina.