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7/25/2019 Chimica Della Cellula
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La chimica della cellula
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Componenti chimici di una cellula
Principali elementi:
C, H, O, N, S, P (99% peso della cellula)
Principali molecole:
Acqua (70% peso della cellula)
Molecole organiche:
amminoacidi e proteine
nucleotidi e acidi nucleicizuccheri
lipidi
La materia costituita da ELEMENTI = sostanze che non possono essere spezzate
o convertite in altre sostanze con mezzi chimici.
Pi ELEMENTI possono formare MOLECOLEmediante LEGAMI CHIMICI.
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L Atomo
Gli atomi sono formati da tre particelle diverse:
I protoniprotoni, particelle pesanti caricate positivamente
I neutronineutroniparticelle con massa leggermente
superiore ai protoni senza carica elettrica
Gli elettronielettroniparticelle molto pi piccole dei
protoni caricate negativamente
Anche se un protone 2000 volte pi pesante2
000 volte pi pesante di un elettrone, la sua
carica positiva eguaglia la carica negativa, ed insieme si annullano
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I protoni e i neutronisono tenuti insiemeda elevate forze nucleari e formano il
nucleo positivo dellatomo
Gli elettronigirano intorno al nucleo, ad una certa distanza da esso,
percorrendo uno spazio che viene detto orbitale atomico.Il numerodegli elettroni generalmente uguale a quello dei protoni e quindi
latomo neutro (stesso numero di cariche positive e negative)
NucleoNucleo
elettronielettroni
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Lo spazio dove si
muovono gli
elettroni viene anche
chiamato LIVELLO
ENERGETICOe
quello indicato dalla
freccia il primo
primo
livellolivello
Il numero di protoninel nucleo
viene detto NUMERONUMEROATOMICOATOMICOed indicato dalla
lettera ZZ
In questo caso Z = 2
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Il peso dellatomo invece dato dalla somma dei
protoni e dei neutroni (in quanto gli elettroni hanno
una massa trascurabile) e viene indicato con il terminedi PESO ATOMICOPESO ATOMICO o MASSA ATOMICAMASSA ATOMICA e con
la lettera AA
In questo caso A = 4In questo caso A = 4
(( 2 protoni2 protoni + 2 neutroni+ 2 neutroni ))
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ISOTOPI= elementi con ugual numero di protoni e
diverso numero di neutroni
Esempi:
14C = 6 protoni e 8 neutroni3
H = 1 protone e 2 neutroni
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La massa atomica di un atomo, o peso atomico o peso
molecolare, la sua massa relativa a quella dellatomo di
idrogeno.
Essa risulta sostanzialmente uguale al numero di protoni
pi quello dei neutroni, dato che gli elettroni sono molto
pi leggeri e non contribuiscono quasi nulla al totale.
L Unit di misura del Peso molecolare il Dalton
La quantit in grammi di una sostanza pari al PESO
MOLECOLARE viene detta MOLE
Una mole contiene 6 x 1023molecole della sostanza.
(6 x 1023: numero di Avogadro)
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Ogni elettrone si muove allinterno di una porzione limitata dello spazio
dellatomo (stato discreto), chiamata orbitale dove alloggiano un numero
preciso di elettroni.
I principali atomi presenti nelle cellule utilizzano solo tre gusci:
- il primo pu contenere solo due elettroni- il secondo e il terzo ne contengono fino a otto.
Un atomo che contenga gi uno strato esterno pieno di elettroni (elio, neon
e argon) non chimicamente reattivo.
Gli atomi che non hanno lo strato esterno gi pieno possono raggiungereUn0o stato stabile in due modi: acquistando o perdendo elettroni in un
legame ionico, oppure mettendo elettroni in condivisione formando un
legame covalente.
Gli orbitali
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Riempimento degli orbitali
Il principio di Pauli
Un orbitale puo contenere al massimo una coppia di elettroni con spin appaiati
(o antiparalleli)
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Gas inerte
Gas inerte
Gas inerte
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Si chiama legame chimicoci che tiene unito un atomo ad un
altro e si forma sempre fra almeno due atomi.
Per indicare che due atomi sono legati, si interpone un trattino
fra i loro simboli (C-C, H-H, ecc).
Gli atomi formano legami chimici per raggiungere una
configurazione elettronica pi stabile, generalmente la
configurazione elettronica del gas nobile pi vicino, quindi
lottetto.
I gas nobili, che gi hanno raggiunto lottetto, non formano
legami chimici.
Legame chimico
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Il raggiungimento della stabilit si ottiene per CONDIVISIONE o
TRASFERIMENTO
Il numero di elettroni che un atomo deve acquisire o perdere per ottenere un
guscio elettronico pieno detto VALENZA
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Un legame covalente detto puro quando si forma fra
atomi con lo stesso valore di elettronegativit, oppure
valori molto vicini.
In questo caso, gli elettroni che vengono messi in comune
fra i due atomi vengono attratti con la stessa forza da
entrambi i nuclei e, perci, vengono ad essere condivisi in
maniera uguale fra i due atomi (c una distribuzione
simmetrica della nube elettronica).
Il legame covalente un legame FORTEle molecole sonoad una distanza di 0,074 nm.
Legame covalente puro
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Legame covalente polare
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Un legame covalente polare si forma tra atomi che hanno
elettronegativit diversa, ma non tanto diversa da rendere possibilela formazione di un legame ionico.
I due atomi mettono in comune i loro elettroni spaiati, tramite la
sovrapposizione degli orbitali in cui si trovano questi elettroni.
Tuttavia la coppia di elettroni non equamente condivisa fra i due
atomi:
-gli elettroni passano pi tempo attorno allatomo pi
elettronegativo, rendendolo parzialmente negativo, mentre
laltro atomo diviene parzialmente positivo.
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Polarit nel legame covalente: H20
La carica totale dellacqua nulla, ma distribuita in modo
asimmetrico.
Lacqua un dipolopermanente.
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Na Na+ ione positivo o CATIONE
Cl Cl- ione negativo ANIONE
Legame ionico
Un cristallo di sale contiene circa 2 X 1019 ioni di ciascun tipo di ione
Sostanze come lNaCl sono chiamate SALI
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Legami covalenti e non covalenti
Forza di un legame: energia necessaria per romperlo
Tipo di legame lunghezza (nm) Forza (Kcal/mole)
nel vuoto nellacqua
Covalente
Non covalente: .ionico .idrogeno
.attrazione di van der Waals
0.15
0.250.30
0.35
90
804
0.1
90
31
0.1
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Il legame idrogeno si forma tra un atomo elettronegativo (N o O) che ha una
carica parzialmente negativa e un atomo di idrogeno combinato che porta una
carica leggermente positiva.
Legame idrogeno
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Associazioni polari e non polari
Le molecole polari tendono ad attrarsi e ad allinearsi con altri ioni e molecole polari oprovviste di carica.
Gli ambienti polari (ad es. lacqua) tendono ad escludere sostanze non polari.
Quando presenti in quantit, le molecole non polari o apolari tendono a raggrupparsi in
disposizioni che riducono larea della siuperficie esposta allacqua (associazione apolare).
Acqua e sostanze polari: Idrofile (affini allacqua)
Sostanze non polari: Idrofobe (avverse allacqua)
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Molecole idrofiliche
Le sostanze che si sciolgono prontamente in acqua si dicono idrofiliche. Esse sono
composte da ioni o molecole polari che attraggono le molecole dellacqua per interazionielettriche.
Le molecole di acqua circondano ogni ione o molecola polare che si trova alla superficie
del solido e lo portano in soluzione.
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Molecole idrofobiche
Le molecole che contengono prevalentemente legami non polari di solito non sono
solubili in acqua e si dicono idrofobiche.Questo particolarmente vero nel caso degli idrocarburi che contengono molti legami
C-H.
Lacqua non attratta da tali molecole e perci non tende ad avvolgerle e a portarle in
soluzione.
C
C
C HH
H H
HH
O
HH
O
HHO
H
H
O HH
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Forze di Van der Waals
Due atomi si avvicinano sino ad un certo punto e poi a distanza troppo ravvicinata sigenera una forza di repulsione.
Lattrazione dipende dal raggio dellatomo ( raggio di Van der Waal).
Due atomi si attirano fino a che la distanza che li separa non diventa quasi uguale alla
somma dei loro raggi di Van der Waals.
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Acido: donatore di protoni
Acido Anione + H+
Base: accettore di protoni
La maggior parte delle basi rappresentata da sostanze che, sciolte inacqua, si dissociano cedendo uno ione OH-ed un catione
NaOH Na+ + OH-
Alcune basi invece accettano un protone dallacqua, rilasciando uno ione
OH-
NH3+ H2O NH4+ + OH-
CH3COOH CH3COO-+ H+
Reazioni chimiche in acqua
( acido acetico)
( idrossido di sodio)
( ammoniaca)
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pH = log negativo della concentrazione degli ioni idrogeno di una soluzione
pH = -log10[H+]
La soluzione neutrase il pH = 7
La soluzione acidase il pH < 7
La soluzione basicase il pH > 7
Per lacqua pura: [H+] = 10-7moli/l
Infatti per [H+]=1,010-7Msi ha pH=7
Si noti che per [H+] > 10-7 si ha pH < 7
pH
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100 10-2 10-4 10-610-1 10-3 10-5 10-7 10-8 10-10 10-12 10-1410-9 10-11 10-13[[HH++]]
soluzione acidasoluzione acidapH < 7pH < 7
soluzione basicasoluzione basicapH > 7pH > 7
soluzionesoluzione
neutraneutra
pHpH == 77
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Gruppi funzionali biologicamente importanti
Ossidrilico R OH Alcoli
H C C OH
H H
HH
etanolo
Carbonilico
R C H
O Aldeidi
H C H
O
formaldeide
R C R
O
Chetoni
H C C C OH
H H
HH
O
acetone
Carbossilico
R C OH
O
R C C OH
H
NH2 O
amminoacido
Acidi carbossilici
Gruppo funzionale Formula di struttura Classe di composti
caratterizzati dal gruppo
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Gruppi funzionali biologicamente importanti
Amminico Ammine
Metilico
R CH3
Componente di molti composti
organici
H C C H
H H
H H
etano
Fosfato Fosfati organici
R N H
H
R C C OH
H
NH2 O
amminoacido
R O P OH
O
OH OH P O R
O
OH
esteri fosforici
come nellATP
Sulfidrilico R SHTioli
H C C C OH
SH NH2
H HO
cisteina
Gruppo funzionale Formula di struttura Classe di composti
caratterizzati dal gruppo
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Condensazionee idrolisi
Condensazione: i componenti di una molecola di
H2
O(H+e OH-) si staccano dai gruppi reagenti
delle molecole che si stanno combinando.
(reazione di polimerizzazione)
Idrolisi:I componenti di una molecola di H2O
vengono aggiunti dove si rompe un legame
covalente.
( reazione di lisi o depolimerizzazione)