CHIMICA

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La chimica si studia perché…

Con la sua conoscenza possiamo meglio controllare le reazioni chimiche che ci coinvolgono nella vita di tutti i giorni

Ci permette di comprendere come funziona il nostro organismo ed i valori nutrizionali della dieta

Permette di comprendere i problemi ambientali relativi al clima

L’industria chimica controlla la produzione metalmeccanica, alimentare, farmaceutica, tessile…quindi la nostra vita!

E inoltre…

… per gli studenti è una disciplina scolastica che aiuta alla comprensione delle altre discipline scientifiche!

La chimica si studia perché…

La chimica si suddivide in … Chimica fisica Chimica analitica qualitativa Chimica analitica quantitativa Chimica generale Chimica inorganica Chimica organica Biochimica Chimica nucleare Merceologia ………………….

La chimica-fisica si occupa delle

variazioni energetiche coinvolte

nelle trasformazioni della materia

La chimica analitica qualitativa si occupa delle analisi chimiche-fisiche che aiutano al riconoscimento dei campioni in esame di cui si ricerca l’identità.

Ne sono un esempio l’analisi alla fiamma dei metalli.

La chimica analitica quantitativa si occupa delle analisi chimico-fisiche che aiutano a determinare la quantità dei reagenti e/o dei prodotti a noi noti.

Sono diversi i metodi per determinare piccole quantità o grandi quantità.

La chimica generale si occupa dei diversi aspetti della disciplina comuni alla chimica inorganica, organica e biochimica.Si occupa della materia nei suoi aspetti e trasformazioni. Esempi: velocità delle reazioni chimiche, cambiamenti di stato, proprietà della materia…

La chimica inorganica si occupa delle trasformazioni della materia che forma tutto ciò che è inanimato sul nostro pianeta.

Si occupa cioè della composizione e trasformazione delle rocce, dell’aria e delle nostre acque e delle loro interazioni.

In genere le molecole sono di piccole dimensioni rispetto a quelle della chimica organica

La chimica organica si occupa delle trasformazioni della materia formata dai composti del carbonio derivati dal petrolio e dalla decomposizione dei viventi.È la chimica degli idrocarburi, cioè molecole formate da catene più o meno lunghe di carbonio e idrogeno saldate tenacemente fra loro con legami covalenti.

Rappresentanti fra queste molecole sono i combustibili come il metano, i composti aromatici come le fragranze dei profumi e gli inquinanti come la diossina.

La biochimica si occupa delle molecole che formano i viventi.Tali molecole sono chiamate “macromolecole” per le loro dimensioni.

Appartengono ai composti organici presenti nei viventi.

Tali molecole sono i protidi, i glucidi, i lipidi e gli acidi nucleici.

La chimica nucleare si occupa

* della identificazione e trasformazione delle particelle subatomiche

* della trasformazione del nucleo dell’atomo in reazioni che si classificano in

* fissione nucleare * fusione nucleare * decadimento radioattivo

Le reazioni di fissione nucleare riguardano la rottura del nucleo dell’atomo.Cambiando il numero di protoni al suo interno, l’atomo si trasforma in un altro elemento.Tali reazioni richiedono notevole energia di attivazione ma ne rilasciano quantità ancora maggiori.

Tali reazioni avvengono :

* spontaneamente sulla superficie del sole.* provocate dall’uomo nelle centrali per la produzione di energia utile. * provocate dall’uomo per ottenere propellenti utili alle missioni spaziali* provocate dall’uomo per l’innesco di bombe atomiche a fusione a scopi bellici

Le reazioni di fusione nucleare riguardano l‘unione di due nuclei atomici.Cambiando il numero di protoni al suo interno, l’atomo si trasforma in un altro elemento.Tali reazioni richiedono notevole energia , maggiore ancora di quella necessaria alla attivazione della fissione ma attivata dalle stesse, ne rilasciano quantità ancora maggiori.Se potessimo produrla nelle centrali nucleari non avremmo problemi di scorie radioattive, ma ancora l’uomo non è riuscito ancora a controllare l’energia liberata da tali reazioni..

Tali reazioni avvengono :

* spontaneamente nel nucleo del sole e di ogni altra stella attiva: è qui che si producono gli elementi che sono presenti sul nostro pianeta* provocate dall’uomo, come bombe nucleari, soprattutto a scopi bellici

Decadimento radioattivo

Merceologia

La Chimica è…

… lo studio delle trasformazioni della materia

La materia è …

Tutto ciò che ha massa Tutto ciò che occupa spazio Tutto ciò che possiede energia

La materia si trova

Allo stato puro Aggregata

La materia è fatta ……da unità elementari chiamati atomi

La materia possiede proprietà

Organolettiche Fisiche chimiche

PROPRIETÀ ORGANOLETTICHE

Colpiscono i nostri sensi Sono soggettive Si distinguono in:

ColoreSaporeOdore Suono (o rumore)Tatto

PROPRIETA’ FISICHE Le proprietà fisiche sono oggettive Sono invariabili per quel campione Sono misurate con le grandezze intensive

Ecco alcuni esempi

ESEMPI DI ROPRIETÀ FISICHE temperatura di fusione/solidificazione temperatura di ebollizione/condensazione attrazione alla calamita Peso specifico densità calore specifico calore latente

Le proprietà chimiche della materia riguardano Il comportamento della stessa in presenza di

altri campioni di materia diversa Sono esempi:

La capacità di formare o no soluzioni con l’acqua La capacità di reagire o no con l’O2

La materia si presenta allo stato fisico

Solido Liquido Gassoso

La materia si definisce solida quando ha:

Forma propria Volume proprio

La materia si definisce liquida quando ha:

Volume proprio Forma non propria ma del

recipiente in cui è contenuta

La materia si definisce gassosa quando ha:

Volume non proprio Forma non propria

Le trasformazioni della materia possono essere Chimiche Fisiche

Le trasformazioni chimiche sono cambiamenti radicali della materia che cambia così le proprie proprietà chimiche, fisiche e organolettiche

Le trasformazioni fisiche riguardano i cambiamenti di stato di aggregazione della materia e coinvolgono solo le proprietà organolettiche e alcune proprietà fisiche

di ciò se ne occupa la chimica-fisica

Cambiamenti di stato Avvengono grazie ai cambiamenti di

temperatura del sistema, cioè grazie agli apporti o sottrazioni di energia termica

Durante il cambiamento di stato si verifica la sosta termica

Variano alcune proprietà fisiche fra cui la densità ed il peso specifico della materia

Ecco i nomi corrispondenti ai vari cambiamenti

Cambiamenti di stato

Stato fisico iniziale

Stato fisico finale

Solido Fusione Liquido

Liquido Solidificazione Solido

LiquidoEvaporazione

EbollizioneAeriforme

Aeriforme Condensazione Liquido

Solido Sublimazione Aeriforme

Aeriforme Brinamento Solido

L’evaporazione riguarda solo la superficie del liquido e richiede una temperatura inferiore a quella di ebollizione.

La materia allo stato puro è definita sostanza Può essere semplice o composta È esprimibile con una formula

chimica Il concetto di purezza è differente

dal punto di vista chimico o da quello merceologico

Le sostanze semplici sono formate da un unico elemento anche se è un aggregato di più atomi.

Sono esempi:Fe un atomo di ferroO2 molecola di ossigeno

Le sostanze composte sono formate da atomi di diversi elementi .

Sono esempi:Fe(0H)3 molecola di idrossido di ferro, cioè

della ruggine

H2O molecola dell’acqua

CH3CH2 0H molecola dell’alcol etilico

responsabile dell’ebbrezza provocata dalle bevande alcoliche

Sia le sostanze semplici che quelle composte, purché formate da più atomi, indifferentemente se uguali o diversi, sono formate da molecole, cioè aggregati di atomi saldati tra loro da legami più o meno forti.

Tali molecole vengono scritte con formule chimiche che esprimono, con simboli e numeri, la presenza degli elementi che la compongono ed il rapporto quantitativo tra essi.I simboli corrispondenti a tali elementi sono ritrovabili sulla tavola periodica degli stessi.

Le nomenclature che permettono la lettura della formula sono la I.U.P.A.C. e la tradizionale.

si classificano poi in base alla presenza combinata di ossigeno, idrogeno, metallo, non metallo o alogenoNon viene considerata la presenza dei gas nobili in quanto presenti soltanto nelle sostanze sempliciVediamo i tipi di composti possibili

ossigeno e metalloossigeno e non metalloidrogeno e metalloidrogeno ed alogenometallo ed alogenoidrogeno e ossigeno

I composti binari

idrogeno e azoto

si classificano poi in base alla presenza combinata di ossigeno, idrogeno, metallo, non metallo o alogenoNon viene considerata la presenza dei gas nobili in quanto presenti soltanto nelle sostanze sempliciVediamo i tipi di composti possibili

ossigeno e metalloossigeno e non metalloidrogeno e metalloidrogeno ed alogenometallo ed alogenoidrogeno e ossigeno

I composti binari

idrogeno e azoto

ossigeno e metallo

Formano composti chiamati ossidi-basici, secondo la nomenclatura I.U.P.A.C., o più semplicemente ossidi, secondo la nomenclatura tradizionale

Sono prodotti dalla reazione del metallo con l’ossigeno. Reagiscono con l’acqua formando idrossidi Il metallo è scritto rigorosamente a sinistra della

formula Possono esistere più ossidi dello stesso metallo Es.: FeO ossido ferroso, Fe2O3 ossido ferrico

CuO ossido rameico Cu2O ossido rameoso

ossigeno e non metallo Formano composti chiamati ossidi-acidi, secondo la

nomenclatura I.U.P.A.C., o più semplicemente anidridi, secondo la nomenclatura tradizionale

Sono prodotti dalla reazione del non metallo con l’ossigeno.

Reagiscono con l’acqua formando ossiacidi Il non metallo è scritto rigorosamente a sinistra della

formula Possono esistere più anidridi dello stesso non metallo Es.: SO2 anidride solforosa

SO3 anidride solforica

idrogeno e metallo Sono composti difficili a trovarsi in natura Sono chiamati idruri È sempre il metallo ad occupare il posto a

sinistra della formula Sono un esempio

CaH2 idruro di calcio

NaH idruro di sodioAlH3 idruro di alluminio

idrogeno e alogeno Sono composti pericolosi per l’elevata reattività:

provocano ustioni ai tessuti umani, bucano i tessuti dell’abbigliamento, sono potenti disinfettanti

Formano composti chiamati idracidi, ma anche acidi binari ed acidi alogenati

Reagiscono con gli idrossidi per formare Sali Sono prodotti dalla reazione dell’idrogeno con l’alogeno L’idrogeno occupa la posizione sinistra della formula Es.: HCl acido cloridrico più comunemente conosciuto

nella sua forma impura ad uso domestico con il nome di acido muriatico

Metallo ed alogeno Questi composti sono chiamati sali alogenati Possono essere prodotti dalla reazione di un

acido alogenato con un idrossido o dalla reazione di un ossido-acido (anidride) con un ossido-basico

Sono sali solubili riccamente presenti nelle acque

Es.: NaCl cloruro di sodio più comunemente conosciuto come “sale da cucina”, si estrae dal mare e dalle miniere di salgemma

Idrogeno ed ossigeno

Il composto più famoso è l’acqua che si esprime con la formula H2O, da non confondere con l’acqua che si beve, essendo quest’ultima una soluzione con H2O come solvente.

La presenza di entrambi gli elementi impedisce una chiara classificazione del composto anche perché esso si discosta dalle proprietà di ciascuna classe a cui dovrebbe appartenere

Non dobbiamo dimenticare l’acqua ossigenataH2O2 ancora oggi utile disinfettante proprio per la sua instabilità nella produzione di Ossigeno nascente

L’azoto è un non metallo qualsiasi, non un alogeno

Si combina con l’idrogeno utilizzando la valenza negativa, ma non forma l’idracido ma l’ ammoniaca

N2 + 3H2 2NH3

un composto basico dove l’azoto si scrive a sinistra della formula perché in soluzione innalza il pH e non rilascia H+, anzi lo acquisisce con la seguente reazione:

NH3 + H+ NH4+

che forma lo ione ammonio

Idrogeno ed azoto

I composti ternari si classificano in

Idrossidi Ossiacidi Sali

Gli idrossidi sono caratterizzati dalla presenza del gruppo

funzionale ossidrile OH- e dalla presenza del metallo scritto rigorosamente a sinistra della formula

si ottengono dalla reazione dell’ossido-basico con l’acqua

Reagiscono con gli ossidi-acidi per produrre Sali ed acqua

Messi in soluzione innalzano il pH della stessa Ecco un esempio : Ca(OH)2 idrossido di calcio

LiOH idrossido di litio

Gli ossiacidi

Sono caratterizzati dalla presenza del residuo acido (non metallo e ossigeno) e dal non metallo scritto rigorosamente a sinistra della formula

Sono il prodotto della reazione dell’ossido-acido con l’acqua

Reagiscono con gli idrossidi per formare sali ed acqua

In soluzione acquosa abbassano il pH della stessa

Sono un esempio H2SO4 acido solforico

Sali ternari detti anche ossigenati

Sono formati da metallo, non metallo e ossigeno Sono il prodotto della reazione di neutralizzazione tra

un ossiacido ed un idrossidoNaOH + HNO3 NaNO3 + H2O

possono essere il prodotto della sintesi tra ossido-basico e ossido-acido

Na2O + N2O3 2 NaNO3

Possono conservare acidità o basicità anche se sono neutri

es.: NaClO candeggina sale basico CuSO4 verderame sale acido

I composti quaternari sono sali particolari formati da quattro elementi. Eccoli:

Sali doppi: sono formati con due metalli; esempio: LiKCO3 carbonato di litio e potassio

Sali acidi: conservano ancora la capacità di liberare idrogeno ancora incluso nella molecola; abbassano il pH.

es.: NaHCO3 carbonato acido di sodio

Sali basici: conservano ancora la capacità di liberare ossidrili; innalzano il pH

es.:CaOHNO3 nitrato basico di calcio

I nucleotidi sono monomeri che nascono dall’ “assemblamento” dei seguenti composti organici ed inorganici:

Un gruppo fosfato

Un monosaccaride:

il desossiribosio nel DNA

il ribosio negli RNA

Una base azotata

Adenina, Guanina ,Citosina o Timina nel DNA

Adenina, Guanina ,Citosina od Uracile negli RNA

Acidi nucleiciSono macromolecole polimeri dei

nucleotidiEccoli :

DNA acido desossiribonucleicomRNA acido ribonucleico messaggerorRNA acido ribonucleico ribosomialet RNA acido ribonucleico di trasferimento

DNA È presente in tutte le cellule dei viventi:

nelle cellule procariote è presente nel citoplasma

Nelle cellule eucariote è presente nelNucleoNei mitocondriNei cloroplasti

È sede del patrimonio genetico della cellula È responsabile della sua replicazione È sede del controllo di tutta l’attività cellulare È la molecola che forma cromatina e cromosomi È la molecola che forma i geni

RNASono responsabili della sintesi proteicaagiscono in sequenza formando proteine

Si distinguono in

RNA messaggero (mRNA)Trasporta il messaggio genetico dal DNA

nucleare al citoplasma dove verrà tradotto in proteina RNA ribosomiale (rRNA)

forma i ribosomi sui quali si distende l’mRNA RNA di trasferimento (tRNA)

recluta gli amminoacidi e li trasporta al tRNA

La materia si può aggregare formando

Miscugli omogenei Miscugli eterogenei

Miscugli omogenei

Nei miscugli omogenei i componenti sono mescolati in modo molto “profondo” tanto che essi perdono alcune proprietà e non sono più distinguibili fra loro

Miscugli omogenei liquidi sono chiamati soluzioni.

Le soluzioni hanno Un solvente liquido Uno o più soluti che si possono

presentare sia allo stato solido, sia liquido che gassoso

I componenti di un miscuglio omogeneo si separano sfruttando le diverse temperature dei cambiamenti di stato

Miscugli eterogenei

I miscugli eterogenei sono quelli più facili da individuare perché in genere i diversi componenti che li costituiscono si riconoscono nettamente, talvolta anche ad occhio nudo.

I componenti di un miscuglio eterogeneo si separano mediante metodi empirici.

I più comuni sono:

La filtrazione La centrifugazione La sedimentazione La cromatografia La separazione con la calamita

appendiceProprietà soggettive

Proprietà oggettive

I.U.P.A.C.

Grandezze intensive

Grandezze estensive

Calore specifico

Calore latente

Energia termica

Grandezze

Intensive:rimangono costanti al variare della massa o del volume del campione

Estensive: cambiano in base al volume e/o alla massa del campione

Proprietà soggettive

Dipendono dalla sensibilità dell’osservatore.

Un daltonico può distinguere due oggetti diversi ma non attribuire gli stessi colori rispetto ad un individuo normale

Un sordo non sente il suono del campione ma non vuol dire che questo non emetta suoni.

Proprietà oggettive

Dipendono dalla materia Sono indipendenti dall’osservatore Sono indipendenti dall’ambiente

International

Union of

Pure and

Applied Chemistry

indice

La materia è …

La materia si trasformareazioni fisiche

reazioni chimiche

La materia si aggrega miscugli composti

La chimica si classifica in …La chimica si classifica in …

Le reazioni chimiche si classifica in …

La materia è formata da…..

appendice

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dell’ H ELP

Acidi Nucleici

ITIS Sobrero Casale Monferrato

Elisabetta Gaita

Tecniche di ingegneria genetica

DNA e RNAIl DNA è formato da una sequenza di nucleotidi; ogni nucleotide è formato da uno zucchero, il ribosio, un gruppo fosforico ed una base azotata.

L’RNA differisce dal DNA per una base azotata, al posto della timina è presente l’uracile.

Struttura secondaria del DNA

La struttura secondaria non è casuale ma è dovuta ai legami ad idrogeno che si formano tra le basi

Struttura dell’RNA

La molecola dell’RNA è costituita da un’unica catena, che non si dispone nè in modo continuo né in modo disordinato.La catena presenta accoppiamento tra segmenti di basi lontane e di basi vicine dello stesso filamento, per cui si producono dei tratti di doppia elica e delle strutture a tornanti.

La struttura secondaria dell’RNA coinvolge ripiegamento e accatastamento delle basi.

Struttura dell’RNAL’RNA ha struttura secondaria differente secondo la funzione del tipo di molecola.

Ci sono tre tipi di RNA:RNA messaggeroRNA transferRNA ribosomiale

RNA transfer

Tipi di RNA RNA MESSAGGERO: Esso è solo una piccolissima parte dell’RNA totale. Ha una vita media di 2 – 24 ore negli eucarioti e di 2 – 3 minuti nei procarioti. Esso contiene sequenze ribonucleotidiche che codificano per sequenze aminoacidiche di proteine. Ha la funzione di trasportare l’informazione genetica dal DNA ai ribosomi. E’ presente sotto forma di singola elica.

RNA RIBOSOMIALE: Nel citoplasma, i ribosomi rappresentano il più abbondante materiale, costituito di ribonucleoproteine, cioè di complessi di acido nucleico ribosomiale (rRNA) con numerose proteine. I ribosomi si possono isolare rompendo le cellule e centrifugando il materiale in un ultracentrifuga, centrifuga analitica ad alta velocità. Le varie frazioni si possono separare grazie alla diversa velocità di sedimentazione, e vengono appunto indicate con le Unità Svedberg (S): 1S = 10-13 secondi.

RNA TRANSFER: Sono le molecole che trasportano gli aminoacidi al ribosoma ed è formato da tratti a doppia elica che, avvolgendosi su se stessa, forma delle caratteristiche anse a singola elica. Ha la funzione di appaiare ad ogni tripletta di mRNA un determinato aminoacido.

Sintesi proteicaLa sintesi proteica si compone di 3 passaggi:

TRASCRIZIONE

TRADUZIONE

MODIFICAZIONI post-trascrizionali

PROCESSI POST TRASCRIZIONALIQuando il ribosoma incontra la tripletta di stop si ha il distacco dell’mRNA e della proteina, quindi la cellula provvede alla deformilazione, cioè la scissione enzimatica della formil metionina.

A volte le proteina possono essere glicosilate, cioè legate covalentemente ad un carboidrato ed alcuni aminoacidi possono essere fosforilati, ad esempio la tirosina.

Infine l’mRNA viene idrolizzato e libera i suoi nucleotidi.

Il plasmideIl plasmide è un frammento circolare di DNA extracromosomiale, contenente geni per specifiche proprietà (come la resistenza agli antibiotici), contenuto in molti batteri.Solitamente in laboratorio si utilizzano plasmidi standard, che contengono al loro interno siti attivi per determinati enzimi di restrizione.

Estrazione plasmidicaPer poter manipolare il plasmide è necessario innanzi tutto estrarlo dalla cellula.La lisi della cellula batterica può avvenire in due modi:

Alcalina Al calore

Entrambi i metodi si basano sull’utilizzo di un enzima, il lisozima, che digerisce la parete cellulare. Nella lisi al calore, dopo aver aggiunto l’enzima si provvede alla bollitura, mentre nella lisi alcalina occorre aggiungere alcali, EDTA, detergente (SDS o Triton X-100) al fine di solubilizzare la parete, e soda. Mediante l’aggiunta di soda si procede alla denaturazione di tutto il DNA presente nella cellula, cioè sia DNA genomico che plasmidico. La denaturazione mediante soda del DNA genomico risulta irreversibile, in quanto la catena è troppo lunga per essere rinaturata perfettamente. Quindi si procede alla neutralizzazione della soluzione mediante tampone acetato di potassio/acido acetico che permette la rinaturazione della doppia elica.Per isolare il DNA così estratto è necessario farlo precipitare mediante l’uso di isopropanolo o etanolo.

Enzimi di restrizioneSono enzimi di origine batterica, presenti nella cellula come sistemi immunitari primitivi, sono cioè utilizzati dal batterio per tagliare DNA estraneo che entri nella cellula.

Ogni enzima può tagliare più volte sullo stesso plasmide a seconda del numero di siti riconosciuti ed è tanto più specifico quanto maggiore è il numero di basi riconosciute.

Tipi di taglioEsistono due tipi di taglio: Sticky ends o estremità

appiccicose, sono complementari e possono essere riattaccate enzimaticamente ad un altro prodotto dello stesso enzima di restrizione.

Blunt ends: sono tagli simmetrici della sequenza, anche in questo caso è possibile la riunione enzimatica dei due frammenti.

La PCRLa PCR può essere definita come una reazione d’amplificazione in vitro di un segmento specifico per mezzo di un enzima.

Nella reazione sono coinvolti tre segmenti di acidi nucleici: lo stampo di DNA a doppia elica, che deve essere amplificato, e due primers oligonucleotidi a singolo filamento, che fiancheggiano il segmento stampo.

Inoltre sono presenti una componente proteica (DNA polimerasi), appropriati deossiribonucleotidi, un tampone e dei sali.

Le fasi della PCRLa reazione PCR standard consiste di 30-40 cicli.

I cicli di reazione sono tutti uguali tranne il primo, che ha una fase di denaturazione prolungata e l’ultimo, che ha una fase di estensione prolungata per consentire la completa polimerizzazione di tutte le molecole.