Componenti Chimici delle Cellule: Legami e Macromolecole Biologiche

I Legami Chimici

La materia è costituita da combinazioni di elementi, cioè sostanze che non si possono né demolire né trasformare con mezzi chimici. La più piccola particella di un elemento che ne conserva le proprietà chimiche caratteristiche è detta atomo.

Le caratteristiche delle varie sostanze, comprese quelle appartenenti alle cellule viventi, dipendono principalmente da quali atomi le compongono e dal modo in cui questi si raggruppano per formare le molecole.

Ogni atomo presenta al centro un nucleo, carico positivamente, formato da due particelle subatomiche: i protoni, con carica positiva, e i neutroni, elettricamente neutri. Il nucleo è circondato da altre particelle dette elettroni: questi sono posti ad una certa distanza dal nucleo e ruotano intorno ad esso negli orbitali. L'atomo, nel suo complesso, è elettricamente neutro: il numero di elettroni infatti è uguale al numero di protoni. Il numero dei protonio determina il numero atomico.

In natura esistono circa 90 elementi ma, solo 4 di questi, costituiscono circa il 96% della massa degli esseri viventi: questi quattro elementi sono il carbonio (C), l'idrogeno (I), l'azoto(N) e l'ossigeno(O).

Gli atomi si legano tra di loro e formano così le molecole tipiche degli organismi viventi: i legami formati dai vari atomi dipendono principalmente dai loro elettroni e dal loro comportamento.

Gli elettroni ruotano continuamente attorno al nucleo nelle loro orbite, che vengono anche chiamate strati o gusci elettronici. Ogni strato può contenere un numero limitato di elettroni: il primo strato ne può contenere massimo 2, il secondo e il terzo 8 e il quarto 18. Le molecole biologiche presentano molto raramente atomi con più di quattro gusci elettronici.

Gli atomi che hanno il guscio elettronico più esterno interamente occupato sono particolarmente stabili e perciò non reagiscono chimicamente: alcuni esempi sono sicuramente l'elio, il neon, l'argon e tutti quegli elementi che vengono definiti gas inerti.

L'idrogeno invece, dal momento che ha un solo elettrone, presenta il guscio più esterno mezzo vuoto ed è estremamente reattivo. Possiamo quindi dire che gli atomi caratterizzati dallo strato più esterno incompleto, hanno una forte tendenza a reagire con altri atomi in maniera tale da acquisire o perdere elettroni per completare tale strato più esterno. Lo scambio di elettroni tra atomi avviene tramite la formazione di LEGAMI CHIMICI.

Esistono due tipi di legami chimici fondamentali:

• Legame covalente, in cui due atomi mettono in condivisione coppie di elettroni;
• Legame ionico, in cui un atomo cede elettroni ad un altro atomo.

Il numero di elettroni che un atomo deve acquisire o perdere per arrivare a completare il suo strato più esterno determina il numero di legami che può formare.

Il Legame Covalente

Il legame covalente è caratterizzato dalla condivisione, tra due atomi, di una o più coppie di elettroni in maniera tale da permettere a ciascun atomo di completare il proprio strato più esterno.

Nella molecola più semplice possibile, quella dell'idrogeno, due atomi di idrogeno, che hanno un elettrone ciascuno, condividono i loro due elettroni totali e riempiono così il primo strato.

Altri atomi comuni nelle cellule, come N, O, S e P, possono formare anche più di un legame covalente.

Tipi di Legami Covalenti

• Singoli> viene condivisa solo una coppia di elettroni (1elettroni per atomo).
• Doppi> vengono condivise due coppie di elettroni (2elettroni per atomo)
• Tripli> vengono condivise tre coppie di elettroni (3elettroni per atomo)

Il legame singolo tra due atomi permette di solito la rotazione di una parte di molecola rispetto all'altra attorno all'asse di legame: forma quindi una struttura flessibile.

I legami doppi e tripli invece, sono più forti, più corti e conferiscono rigidità alla struttura della molecola.

Gli atomi uniti da un legame covalente singolo appartenenti a specie atomiche differenti spesso attraggono gli elettroni condivisi in maniera diseguale. I legami covalenti per questo motivo possono essere:

• Polari: gli elettroni sono condivisi in maniera diseguale tra gli atomi;· Apolari: gli elettroni sono invece condivisi in maniera pressoché uguale.

Si definisce polare una struttura in cui la carica positiva è concentrata da una parte della molecola, detta polo positivo, e la carica negativa dall'altra, detta invece polo negativo.

Per capire come si comportano gli atomi legati in une molecola è necessario conoscere la loro elettronegatività, ovvero la loro tendenza ad attrarre elettroni. Se due atomi hanno elettronegatività fortemente diverse, il loro legame covalente sarà polare. Quando invece la differenza di elettronegatività è pressoché minima gli elettroni verranno condivisi egualmente.

Caratteristiche dei Legami Chimici

Il legame covalente tra due atomi ha una lunghezza specifica, che dipende proprio dagli atomi coinvolti. Un'altra proprietà fondamentale dei legami chimici è la loro forza, detta forza di legame: questa si misura con la quantità di energia che bisogna usare per romperlo (unità di misura: kcal/mol e kJ/mol).

Negli organismi viventi i legami covalenti si rompono normalmente solo durante reazioni chimiche.

Il Legame Ionico

Il legame ionico tra due atomi si forma quando questi hanno una differenza di elettronegatività talmente elevata che non permette la condivisione di elettroni: questo tipo di legame è infatti caratterizzato dal trasferimento completo degli elettroni all'atomo più elettronegativo.

I legami ionici si formano solitamente tra atomi che possono completare più facilmente lo strato più esterno donando o accettando elettroni piuttosto che condividendoli.

Gli atomi che inizialmente erano neutri diventano carichi elettricamente si convertono in ioni. L'atomo che dona i suoi elettroni assume carica positiva e prende il nome di catione; l'atomo che invece riceve gli elettroni assume carica negativa e prende il nome di anione.

Gli ioni tenuti insieme dai soli legami ionici, formano dei composti che prendono il nome di SALI (invece che molecole).

Un esempio può sicuramente essere quello del sodio Na e del Cloro Cl. Il sodio può completare il suo stato più esterno donando il singolo elettrone presente nel terzo strato. Questo elettrone perso dal sodio verrà ceduto al cloro che potrà completare il suo stato più esterno accettando questo singolo elettrone. I due atomi diventano ioni Na+ e Cl-e formano un sale chiamato Cloruro di Sodio (NaCl).

I legami ionici sono 10-100 volte più deboli di quelli covalenti.

I Legami Non Covalenti

Legame Idrogeno

Il legame idrogeno o ponte idrogeno è un'interazione che si forma tra molecole polari in cui l'Idrogeno è legato covalentemente ad atomi più elettronegativi. Quando l'atomo di idrogeno di una molecola polare, che assume carica parziale positiva, si trova nelle vicinanze della regione carica negativamente di un'altra molecola polare, stabilisce un legame dovuto all'attrazione elettrica reciproca e si comporta come ponte tra le due molecole.

Questo legame è molto più debole rispetto a quelli covalenti e si rompe molto facilmente: tuttavia l'unione di molti legami deboli è fondamentale per il nostro organismo. Con i suoi due atomi di H ogni molecola d'acqua può formare legami idrogeno con altre due molecole d'acqua, intessendo una vera e propria rete in cui questi legami si rompono e si rigenerano continuamente. È grazie ai legami idrogeno che l'acqua si presenta allo stato liquido a temperatura ambiente e ha punto di ebollizione e tensione superficiale così elevati.

L'atomo di idrogeno carico positivamente forma dei legami idrogeno più frequentemente con Ossigeno e azoto appartenenti ad un'altra molecola.

Attrazione Elettrostatica

È un'interazione che si instaura tra molecole con cariche superficiali complementari. Una qualunque grande molecola con molti gruppi polari avrà sulla propria superficie una specifica disposizione di cariche positive e negative: se una molecola di questo tipo ne incontra un'altra con un corredo di cariche complementare, le due molecole si attireranno con una forza di tipo elettrostatico. Questa attrazione elettrostatica permette, ad esempio, l'interazione tra due proteine.

Forze di Van Der Waals

È un tipo di interazione che entra in gioco quando due atomi si avvicinano tra loro. Queste interazioni scaturiscono dal continuo spostamento degli elettroni in una molecola: lo spostamento, infatti, può generare un'attrazione temporanea tra due atomi quando questi sono vicini. Le forze di Van Der Waals si verificano in tutti i tipi di molecole.

• dipolo istantaneo

dipole indetto dipolo indotto dipolo istantaneo

Forza Idrofoba

È la tendenza delle molecole non polari poste in soluzione acquosa ad aggregarsi escludendo le molecole di acqua: queste molecole apolari tendono a spingersi fuori dalla rete idrica legata all'idrogeno, dove altrimenti interferirebbero fisicamente con le interazioni tra le molecole di acqua.

I legami non covalenti sono fondamentali perché determinano la forma precisa di una macromolecola. I legami covalenti singoli rendono la catena polimerica molto flessibile, permettendole di adottare qualsiasi tipo di conformazione: tuttavia, la maggior parte delle macromolecole, è vincolata ad assumere una forma ben precisa per via dell'instaurazione di legami non covalenti tra parti diverse della stessa molecola. Queste interazioni inducono quindi la macromolecola ad adottare una conformazione preferenziale suggerita dalla sequenza lineare dei monomeri che la compongono.

I legami non covalenti inoltre permettono alle macromolecole di unirsi selettivamente ad altre molecole: questi, infatti, danno luogo a forti attrazioni tra due macromolecole che combaciano perfettamente tra loro. Un legame di questo tipo, ad esempio, consente alle proteine di funzionare come enzimi: questi riconoscono i loro substrati proprio attraverso interazioni non covalenti.

Grazie a queste interazioni le macromolecole possono essere utilizzate anche come componenti di complessi macromolecolari

Acqua

L'Acqua

Due atomi, connessi da un legame covalente, possono esercitare attrazioni diverse per gli elettroni del legame. In tali casi il legame è polare, da una parte leggermente carico negativamente (8 ), dall'altra leggermente carico positivamente (8+).

H 10 regione elettropositiva 8 H 8 regione elettronegativa

Benché la carica della molecola dell'acqua sia complessivamente nulla (avendo lo stesso numero di elettroni e di protoni), gli elettroni sono distribuiti in modo asimmetrico e questo rende polare la molecola. Il nucleo dell'ossigeno attira gli elettroni verso di sé allontanandoli dai nuclei di idrogeno, che rimangono con una piccola carica positiva netta. L'eccesso di densità elettronica sull'atomo di ossigeno crea regioni debolmente negative agli altri due vertici di un tetraedro immaginario.

In queste tavole si passano in rassegna le proprietà chimiche dell'acqua e si vede come l'acqua influenza il comportamento delle molecole biologiche.

Struttura dell'Acqua

Le molecole dell'acqua si uniscono labilmente tra loro a formare un reticolo di legami idrogeno.

La natura coesiva dell'acqua giustifica molte delle sue proprietà inconsuete, come il valore elevato della tensione superficiale, del calore specifico e del calore di evaporazione.