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Capitolo 2

La chimica della vita

Atomi e molecole2.1 Le proprietà caratteristiche dei viventi sipossono osservare a ogni livello della lorostruttura gerarchica

Le strutture biologiche hannoun’organizzazione gerarchica

D. Organo:muscolo delle ali

C. Cellule e tessuti:Cellule muscolari all’internodel tessuto muscolare

B. Organulo:miofibrilla (solo nelle cellulemuscolari) Actina Miosina

A. Molecola: actinaAtomo

Figura 2.1

Atomi e molecole2.2 La vita richiede circa 25 elementi che sipossono combinare tra loro per formare icomposti

Per la vita sono fondamentali circa 25 differentielementi chimici (sostanze che non possono esserescomposte in altre sostanze mediante mezzi chimicitradizionali).

Carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto sono i quattroelementi fondamentali per costruire la maggior partedella materia vivente.

Tabella 2.2

• Gli elementi in tracce (oligoelementi) sonoessenziali almeno per alcuni organismi, masoltanto in minime quantità.

• Certi oligoelementi, come il ferro, sonoindispensabili per tutte le forme di vita, mentrealtri lo sono solo per alcune specie.

• Gli oligoelementi sono additivi comuni di cibo e acqua.

• Carenze alimentari in alcuni oligoelementi possonocausare diverse condizioni fisiologiche.

• Per esempio, una carenza o un eccesso di iodioimpediscono il normale funzionamento della ghiandolatiroide, provocandone l’ingrossamento (gozzo).

Figura 2.2A

• Gli elementi chimici possono combinarsi insieme performare i composti.

• Un composto è una sostanza costituita da piùelementi combinati secondo un rapporto fisso.

Sodio Cloro Cloruro di sodio

Figura 2.2C

2.3 Gli atomi sono formati da protoni, neutronied elettroni

L’atomo (il cui nome deriva dalla parola greca àtomosche significa «indivisibile») è la più piccola unità dimateria che conserva le proprietà di un elemento.

Le particelle subatomiche• Un atomo è costituito da protoni e neutroni situati

in un nucleo centrale.• Il nucleo è circondato da elettroni organizzati in

gusci elettronici.

Figura 2.3A

– –

Protoni

Neutroni

Elettroni

Numero di massa = 4

Nuvolaelettronica

Nucleo

La diversità tra elementiGli atomi di ciascun elemento sono caratterizzati da unospecifico numero di protoni, che rappresenta il numeroatomico.

Figura 2.3B

Protoni

Neutroni

Elettroni

Numero di massa = 12

Nucleo

Nuvolaelettronica

Gli isotopi• Il numero di neutroni in un atomo può variare.

• Alcuni elementi presentano forme diverse di atomidette isotopi.

• Alcuni isotopi sono radioattivi.

Tabella 2.3

COLLEGAMENTI2.4 Gli isotopi radioattivi possono essere utili maanche pericolosi

La ricerca scientifica

I biologi spesso usano i traccianti radioattiviper seguire le trasformazioni chimiche subitedalle molecole negli organismi.

La diagnostica medicaI traccianti radioattivi sono spesso usati nella diagnosticamedica in combinazione con sofisticate strumentazioni perla realizzazione di immagini.

Figura 2.4A Figura 2.4B

I pericoli della radioattività• Nonostante le loro molteplici applicazioni positive,

l’esposizione incontrollata agli isotopi radioattivipuò essere nociva per gli organismi viventi.

• Le particelle e l’energia emesse dagli atomiradioattivi possono spezzare i legami originari tragli atomi, formandone altri.

• Questi processi possono danneggiare molecoleimportanti all’interno dell’organismo (in particolare,il DNA).

2.5 La configurazione elettronica di un atomo nedetermina le proprietà chimicheGli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettroniciche possono contenere numeri diversi di elettroni.

Idrogeno (H)Numero atomico = 1

Elettrone

Carbonio (C)Numero atomico = 6

Azoto (N)Numero atomico = 7

Ossigeno (O)Numero atomico = 8

Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni)

Guscio elettronico più interno (può contenere fino a 2 elettroni)

Figura 2.5

• Quando due atomi con un guscio elettronicoincompleto reagiscono, ciascuno di essi mettein comune (cede oppure riceve) elettroni, inmodo da occuparlo completamente.

• Queste interazioni solitamente fanno sì che gliatomi vengano tenuti insieme da forze diattrazione chiamate legami chimici.

2.6 I legami ionici sono interazioni che si stabilisconotra ioni di carica oppostaQuando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creanoatomi carichi chiamati ioni.

Trasferimentodi elettroni

NaAtomo di sodio

ClAtomo di cloro Na+

Ione sodioCl–

Ione cloro

Cloruro di sodio (NaCl)

Na Cl ClNa

+ ––

Figura 2.6A

• Due ioni aventi cariche opposte si attraggono.

• Se l’attrazione è abbastanza forte, si forma unlegame detto legame ionico.

• Per esempio, gli ioni sodio e gli ioni cloro si leganoper formare il cloruro di sodio, il comune sale dacucina.

Figura 2.6B

2.7 Mediante i legami covalenti gli atomi condividonoelettroni formando molecole

• Nei legami covalenti dueatomi mettono in comuneuna o più coppie di elettroniposte sui loro livellienergetici più esterni,formando molecole.

• Le molecole possonoessere rappresentate inmolti modi.

Tabella 2.7

2.8 Le reazioni chimiche consentono alle sostanzedi ricombinarsi

In una reazione chimica i reagenti (materiali dipartenza) interagiscono, cambiano l’organizzazionedegli atomi e formano il prodotto finale.

2 H2 O2 2 H2OFigura 2.8A

• Nelle cellule viventi avvengono migliaia di reazionichimiche che trasformano la materia.

• Per esempio, il beta-carotene viene convertito invitamina A.

CH3 CH3 CH3

H2C C CH C CH C CH CH CH CH CH C

CH3CH3

CH CHCHCH CH

CH3 CH3 CH3

CH CHC CC

CH3CH3

CH C CH C C

CH CH CH CH OH

CH3 CH3

CH3CH3 CH3

Vitamina A(2 molecole)

Beta-carotene

Figura 2.8B

2.9 La molecola dell’acqua è polare

• Una molecola è non polare quando i suoi atomilegati da legame covalente condividono glielettroni equamente.

• In un legame covalente polare la condivisionedegli elettroni tra gli atomi è asimmetrica e creauna molecola polare (dotata cioè di poli concariche parziali opposte).

Le proprietà dell’acqua

(–) (–)

(+) (+)

Figura 2.9

2.10 La polarità della molecola dell’acquaconsente la formazione del legame idrogeno

Legameidrogeno (+)

(–)(–)

• Le estremità cariche dellemolecole d’acqua vengonoattratte dalle estremitàdotate di carica oppostadelle molecole vicine.

• Questa attrazione formalegami deboli chiamatilegami idrogeno.

Figura 2.10A

2.11 I legami idrogeno sono responsabili dellacoesione dell’acqua

• Grazie ai legami idrogeno, le molecole d’acquapossono spostarsi dalle radici alle foglie di unapianta.

• Gli insetti riescono a camminare sull’acqua graziealla tensione superficiale creata dalla coesionedelle molecole d’acqua.

Figura 2.11

2.12 I legami idrogeno regolano la temperaturadell’acqua

La capacità dell’acqua di immagazzinare caloreregola la temperatura del corpo e il clima.

• Per rompere i legami idrogeno serve energia(la rottura dei legami è accompagnata daassorbimento di calore).

• Per questo, l’acqua è in grado di assorbire unagrande quantità di calore senza un grandeaumento nella temperatura.

• Mentre l’acqua si raffredda, un piccolo calonella temperatura libera una grande quantità dicalore.

• Quando una molecola d’acqua evapora, assorbeenergia.

• Questo permette il raffreddamento (abbassamentodi temperatura) per evaporazione.

Figura 2.12

2.13 Il ghiaccio è meno denso dell’acqua allo statoliquido

I legami idrogeno tengono insieme le molecole nelghiaccio in modo meno denso che nell’acqua allostato liquido.

Acqua allo stato liquidoI legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente

GhiaccioI legami idrogeno sono stabili

Legame idrogeno

Figura 2.13

• Il ghiaccio è meno denso dell’acqua allo statoliquido ed è per questo che galleggia.

• Il fatto che il ghiaccio galleggi, protegge i laghie gli oceani dal congelamento solido.

2.14 L’acqua è un solvente versatile

I soluti polari o carichi si sciolgono quando lemolecole d’acqua li circondano, formando soluzioniacquose.

––

––+

Ioni insoluzione Cristallo

di sale

Figura 2.14

2.15 La chimica della vita è influenzatadall’acidità e dalla basicità

• Un composto chimico che cede ioni H+ a unasoluzione è un acido.

• Un composto che è in grado di accettare ioniH+ rimuovendoli da una soluzione è una base.

• L’acidità è misurata sulla scala del pH che vada 0 (massima acidità) a 14 (massima basicità).

La scala del pH:

Figura 2.15

Soluzione basica

Schiuma detergente per f orni

Soluzione acida

Soluzione neutra

Scala del pH0

Succo di limone, succhi gastrici

Succo di pompelmo

Succo di pomodoro

Acqua puraSangue umano

Acqua di mare

Bicarbonato

Ammoniaca per uso domestico

NEUTRALITÀ[H+]=[OH–]

H+ OH– H+

H+ H+OH– H+ H+

OH–OH–

H+ H+ OH–

OH– OH–

H+ H+H+

OH– OH–OH–OH– H+ BA

TÀ in

OH–H+

Candeggina per uso domestico

• Il pH della maggior parte delle cellule è tenutovicino a 7 (neutro) dalle sostanze tampone.

• Le sostanze tampone contrastano icambiamenti di pH (accettando ioni H+ quandosono presenti in eccesso e cedendoli se la loroconcentrazione diventa troppo bassa).

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