Funzione delle bio-molecole: chimica e biochimica per universitari

Testi di Riferimento

Paola Taddei
Testo: elementi d chimica e biochimica EdiSES
Chimica, biochimica e biologia applicata Zanichelli

Esame e Pre-appello

Esame: domande a risposta aperta: una domanda di chimica generale e una sulle biomolecole.(10 punti),
durata 1h.
Pre-appello: 20 dicembre

Funzione delle Bio-molecole

Per capire la funzione delle bio molecole dobbiamo descriverne la struttura, dobbiamo partire dal
livello molecolare ossia dagli atomi. La materia è costituita da atomi.

Cos'è un Atomo?

L'atomo è la più piccola porzione di un elemento che ne conserva le proprietà chimiche
dell'elemento. L'atomo è l'ultimo frazionamento che posso fare per ottenere un qualcosa che ha le
stesse caratteristiche della lamina di partenza, in natura esistono più di 100 diversi tipi di atomi, che
trovo nella tavola periodica. La materia è costituita da sostanze pure o da miscele:

• Sostanze pure, possono essere elementi o composti;
• Miscele di sostanze pure, ad esempio il granito che è formato da granelli di colore diverso.
  Le miscele hanno composizione variabile, dipende da come sono miscelate le diverse
  sostanze pure. Il granito è una miscela eterogenea in quanto vedo anche a occhio nudo la
  superficie di separazione. Un esempio di miscela omogenea è l'acqua potabile.

Divisione delle Sostanze Pure

Le sostanze pure si dividono in:

• Elementi, sono sostanze pure che sono costituite da un unico tipo di atomi;
• Composti, possono essere molecolari o ionici, sono fatti da una specifica combinazione di
  atomi tra lo diversi. Ogni composto è identificato da una combinazione specifica di atomi,
  che la costituiscono, ad esempio sale da cucina NaCl (per ogni atomo di sodio ho un atomo
  di cloro).

Stati di Aggregazione della Materia

La materia è presente sotto 3 diversi stati di aggregazione:

• Solido;
• Liquido;
• Gassoso;

Questi stati di aggregazione hanno al loro interno un loro ordine di vicinanza perché sono diverse le
forze di coesione. Le forze di coesione sono le forze che tengono vicine le particelle l'une alle altre,
crescono passando dallo stato gassoso a quello liquido a quello solido.

Tavola Periodica

Atomi gli troviamo nella tavola periodica, indicati con il loro simbolo chimico, sono disposti in righe
(periodi) secondo il numero atomico crescente. Il numero atomico è il numero di protoni ed elettroni
presenti nell'atomo, che hanno la stessa carica ma di segno opposto. Gli elementi sono disposti
anche secondo colonne (gruppi), alcuni gruppi prendono dei nomi particolari, come gruppo IA
appartengono i metalli alcalini, gruppo IIA metalli alcalini terrosi. Parte centrale sono i metalli di
transizione e nella parte di destra troviamo i non metalli. I più abbondanti nel nostro corpo sono tra
i metalli: idrogeno, sodio, magnesio, potassio, cacio; invece, i non metalli: carbonio, azoto, ossigeno,
fosforo, zolfo (S), cloro (Cl). Il fabbisogno giornaliero è la quantità che giornalmente dobbiamo
introdurre con la dieta, possiamo parlare di:

• macroelementi, fabbisogno giornaliero superiore a 100 mg;
• microelementi, il fabbisogno giornaliero è compreso tra 1 mg e 100 mg;
• Oligoelementi, sono presenti in tracce;

Gli elementi presenti in piccole quantità come il ferro (microelementi) sono importati, in particolare
il ferro serve per i processi di trasporto e immagazzinamento dell'ossigeno.

Macroelementi Essenziali

Tra i macroelementi troviamo:

• Calcio, nelle ossa e nei denti, necessario per la contrazione muscolare, trasmissione degli
  impulsi nervosi;
• Fosforo, si trova nei fosfolipidi;
• Zolfò, nello studio degli aminoacidi e proteine.

Legami Chimici

Gli atomi come si legano tra loro?
Un legame chimico si lega con la forza, sulla base della forza posso classificare i legami in:

• legami forte (100 kcal/mole);
• legami deboli.

Legami Forti

Tra i legami forti troviamo:

• Legame ionico;
• Legame covalente, che può essere puro, polare o dativo;
• (Legame metallico)

Legami Deboli

Legami deboli:

• Legame a idrogeno;
• Forze di Van Der Waals.

I protagonisti del legame tra gli atomi sono gli elettroni di valenza (guscio esterno). Legare gli atomi
significa avvicinare le forze. Il numero degli elettroni di valenza dell'atomo coincide con il numero
del gruppo, ad esempio il sodio appartiene al primo gruppo e ha un elettrone di valenza. Gli elettroni
di valenza vengono indicate nelle formule di Lewis. Le formule di Lewis sono delle rappresentazioni
in cui al centro scrivo il simbolo dell'atomo, attorno al simbolo metto tanti puntini quanti sono gli
elettroni di valenza, possono essere disposti solitari o a coppie.

Gruppi parte destra: VII gruppo è detto degli alogeni e VIII gruppo è detto gas nobili perché hanno 8
elettroni di valenza, a parte l'elio, questa configurazione di valenza è stabile (regola dell'ottetto),
l'atomo quando si lega va a cercare questa configurazione.

Elettronegatività

L'elettronegatività è un numero che si trova su tutte le tavole periodiche, che mi esprime la tendenza
che l'atomo ha ad attrarre verso di se gli elettroni del legame. Gli elementi più elettronegativi della
tavola periodica sono i non metalli, il più elettronegativo è il fluoro, poi ossigeno, azoto e cloro. Il
simbolo è una lettera greca X. Gli elementi meno elettronegativi sono i metalli, ossia hanno una
scarsa tendenza ad attirare gli elettroni del legame.

Legame Ionico

Legame Forte

Il legame ionico si ha tipicamente quando la differenza di elettronegatività è maggiore o uguale a 2.
Questo legame è caratterizzato dal fatto che il trasferimento degli elettroni dall'atomo meno
elettronegativo verso quello più elettronegativo. Ad esempio, il cloruro di sodio (NaCl), avviene il
trasferimento dell'elettrone dal sodio (0,9) al cloro (3,0, grande tendenza ad attrarre elettroni).
Formula di Lewis:
Il sodio ha una bassa tendenza ad attrarre gli
Na + · CI :
Na : CI :
..
elettroni di legame mentre il cloro ha una
tendenza alta, per questo il sodio cede l'elettrone
al cloro. Lo ione sodio è uno ione positivo
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(catione) Na+, il cloro ha acquistato un elettrone
e ha raggiunto l'ottetto, si è trasformato in uno ione negativo detto ione cloruro (anione). Questi ioni
hanno carica di segno opposto, si genera l'attrazione tra cariche di segno opposto, ione sodio e
cloruro sono tenuti insieme da forze di natura elettrostatica. Mi appare un reticolo cubico dove ho
sodio e cloruro che si alternano formando una disposizione tridimensionale (reticolo).
I composti ionici, hanno un legame ionico, sono formati da ioni negativi e ioni positivi che
interagiscono mediante forze attrattive elettrostatiche. Si parla di unità di formula ossia il rapporto
secondo cui si combinano gli ioni e per il cloruro di sodio è NaCl, per ogni ione sodio ho uno ione
cloruro. Se ho l'unità di formula poso ricavare la massa formula è la somma delle masse atomiche
degli elementi presenti nell'unità di formula. Ad esempio, la massa formula di NaCl è 23 (massa
atomica del sodio) + 35,5 (massa atomica del cloro) = 58,5 unità di massa atomica.

Legame Covalente

Legame Forte

Si ha quando una coppia di elettroni è condivisa tra i due atomi, può essere:

• Legame covalente puro o omopolare, tipicamente tra due atomi che non ha differenza di
  elettronegatività, di solito tra due atomi uguali; per esempio, la molecola H2:
  H:H
  Siamo partiti da due atomi e abbiamo ottenuto una molecola.
  Altro esempio la molecola F2 (Fluoro):
  Altro esempio è l'azoto N2:
  Ottetti
  .N. N. -
  NGEN:
  :N=N:
  N2
  tre coppie condivise
  di elettroni
  legame covalente
  triplo
  Molecola di Azoto
  È un legame triplo, questi legami non sono uguali, sono uguali covalenti puri, ho un legame
  forte detto legame sigma (s) e gli altri due legami sono detti legami pigreco (p) che è più
  debole. Il fluoro e l'azoto hanno raggiunto l'ottetto. Questa coppia di elettroni ha la stessa
  elettronegatività, gli elettroni sono equamente condivisi tra gli atomi.

Terminologia Importante

ATTENZIONE AI TERMINI!
Atomo di idrogeno vuol dire un protone e un elettrone.
Molecola di idrogeno è H2 sono i due atomi uniti insieme a formare la molecola.
lone idrogeno H+ vuol dire che sono partita dall'atomo e ho tolto un elettrone, mi rimane un
protone.

• Legame covalente polare, tra due atomi aventi elettronegatività non molto diversa
  tipicamente minore o uguale a 1. Ad esempio, HCl ossia acido cloridrico, è fatto da un atomo
  di idrogeno e un atomo di cloro.
  8+
  8-
  H-CI:
  Idrogeno è l'elemento più elettronegativo (3,16), sopra ho delta + ossia ho una parziale carica
  positiva, sono più vicino al cloro che all'idrogeno invece il cloro ha una parziale carica
  negativa indicata con delta - (2,2). Gli elettroni vengono messi in comune dai due atomi, man
  non sono equamente condivisi: gli elettroni del legame sono più vicini all'atomo più
  elettronegativo ossia il cloro. Questa scrittura ho formato un dipolo, è formato da due cariche
  di segno opposto esattamente uguali poste a una certa distanza. Un dipolo è formato da due
  cariche di uguale valore assoluto e di segno posto, poste alla stessa distanza. La molecola ha
  un momento di dipolo, è polare. Il momento di dipolo è una freccia o vettore, è orientato dal
  polo positivo al polo negativo, non sono equamente condivisi. Una molecola che ha un
  momento di dipolo è detta molecola polare. L'acqua è un legame covalente polare. H20:
  エ ー
  H+>
  +
  0:8
  ILTEST
  Struttura molecolare d'acqua: l'acqua è una molecola polare. Le formule di Lewis per
  l'idrogeno è 1, invece l'ossigeno appartiene al sesto gruppo e ha 6 elettroni di valenza dove
  due coppie di elettroni e due elettroni spaiati. Per generare il legame devo accoppiare gli
  elettroni spaiati, ho creato due legami OH, sono legami covalenti polari perché se vado a
  vedere i valori di elettronegatività c'è una certa differenza che non mi permette di dare la
  differenza di elettroni. Gli elettroni saranno spinti verso l'ossigeno perché è l'atomo più
  elettronegativo. La geometria di questa molecola è ad angolo 104,5 gradi, non è una
  molecola lineare. Sull'ossigeno ho delle parziali cariche negative invece sull'idrogeno ho delle
  parziali cariche positive. Ha un momento di dipolo questa molecola, è la risultate dei vettori
  che vanno dal positivo al polo negativo per entrambi i legami. La regola per ricavare la
  risultante è la regola del parallelogramma. La molecola di CO2 è apolare pur essendo