Biologia (2/10): Il contesto chimico della vita

Elementi e composti

Gli organismi sono costituiti da materia che è qualsiasi cosa che occupa uno spazio e ha una massa (sulla terra la massa equivale al peso, nello spazio no).
Un elemento è una sostanza che non può essere ulteriormente suddivisa in sostanze più semplici attraverso procedimenti chimici.
Fino ad ora sono stati scoperti 92 elementi presenti in natura.
Ogni elemento è rappresentato da un simbolo che di solito rappresenta l'iniziale o le prime 2 lettere del nome, che può derivare dall'inglese, dal tedesco o dal latino (O, C, H, N, ecc...).
Due elementi possono combinarsi in 2 o più composti chimici formando un composto, ad esempio il sale da cucina (NaCl) è un composto formato da sodio (Na) e cloro (Cl).
Un composto presenta caratteristiche emergenti diverse dagli elementi che lo costituiscono.

La vita richiede circa 25 elementi chimici e 4 di questi (carbonio C, ossigeno O, idrogeno H, azoto N) costituiscono circa il 96% della materia vivente, mentre il rimanente 4% del peso di un organismo è costituito per la maggior parte da fosforo (P), zolfo (S), calcio (Ca), potassio (K) e pochi altri elementi.
Gli elementi traccia sono gli elementi necessari ad un organismo in quantità estremamente basse.
Alcuni sono necessari per tutte le forme di vita (tipo il ferro Fe), mentre altri sono necessari solo a determinate specie.

Atomi e molecole

Le proprietà degli elementi chimici e dei composti sono determinate in ultima analisi dalla struttura degli atomi.
Ogni elemento consiste in un certo tipo di atomi che è diverso da altri elementi.
L'atomo è la più piccola quantità di materia che mantiene le proprietà di un elemento.
Gli atomi sono indicati con la stessa lettera degli elementi di cui fanno parte singolarmente.
L'atomo è composto da delle particelle subatomiche, le principali sono: neutroni, protoni, elettroni.
I protoni e i neutroni sono ammassati assieme al centro dell'atomo e formano il nucleo atomico, mentre gli elettroni ruotano attorno al nucleo atomico ad una velocità quasi pari a quella della luce.
Gli elettroni sono caricati negativamente (-), i protoni positivamente (+), mentre i neutroni hanno carica elettrica neutra.
Protone e neutrone hanno massa quasi identica, pari a 1,7x10^-24 grammi, che equivale ad 1 Dalton l'unità di massa atomica, uma.
Gli elettroni pesano 1/2000 circa meno dei protoni, quindi quando si calcola il peso atomico gli elettroni non vengono considerati.

Il numero atomico è il numero di protoni posseduto da un atomo.
Gli atomi di diversi elementi differiscono dal numero delle particelle subatomiche e tutti gli atomi di un determinato elemento possiedono lo stesso numero atomico (protoni).
Il numero atomico si indica con un numerino in basso a sinistra della lettera che identifica l'atomo, ad esempio ₂He, che indica che l'atomo di elio ha due protoni.
Se non diversamente indicato, l'atomo è neutro ovvero ha il numero di elettroni uguale a quello dei neutroni.

Il numero di massa indica la somma dei neutroni e dei protoni e quindi sottraendo a questo numero il numero atomico, si risale al numero di neutroni.
Il numero di massa si indica con un numero in alto a sinistra della lettera che identifica l'atomo, ad esempio ₂⁴He, indica che l'elio ha 4-2=2 neutroni,2 protoni e 2 elettroni.
L'atomo più semplice è quello dell'idrogeno ₁¹H che ha zero neutroni, un protone ed un elettrone.
Il numero di massa indica approssivativamente anche il peso dell'intero atomo, detto peso atomico.

Gli isotopi di un elemento sono quegli atomi che hanno un maggiore numero di neutroni rispetto agli altri atomi dello stesso elemento.
Ad esempio il carbonio ha 3 isotopi.
Un isotopo radiottivo si ha quando il suo nucleo tende a decadere emettendo particelle ed energia.
Quando c'è un cambiamento del numero dei protoni, il decadimento nucleare trasforma l'atomo in un atomo di un differente elemento.
Gli isotopi radioattivi vengono usati per le ricerche mediche, dato che sono facilmente tracciabili con determinati strumenti per via della loro radioattività, che cmq può essere pericolosa per l'organismo.

Livelli energetici degli elettroni
Gli atomi sono costituiti per la maggior parte da spazi vuoti e anche quando 2 atomi si avvicinano molto, i 2 nuclei non arriveranno mai a toccarsi, ma solo gli elettroni saranno coinvolti nelle reazioni chimiche degli atomi.
L'energia è la capacità di compiere un lavoro, l'energia potenziale è la quantità di energia posseduta dalla materia in funzione della sua posizione.
Gli elettroni di un atomo variano per quanto riguarda la quantità di energia posseduta.
Inoltre, la materia ha la tendenza a spostarsi nello stato corrispondente al minimo livello di energia potenziale possibile.
Gli elettroni di un atomo possiedono un'energia potenziale che è tanto più grande tanto più essi sono lontani dal nucleo, e viceversa, e cmq, i cambiamenti di energia potenziale degli elettroni avvengono solo per quantità discrete.
I diversi stati di energia potenziale degli elettroni sono detti livelli energentici o strati elettronici (gusci), e un elettrone non può trovarsi in una condizione intermedia tra 2 strati.
Esistono 3 principali strati in cui può trovarsi un elettrone.
Un elettrone può cambiare livello/strato solo aumentando o perdendo una quantità di energia pari alla differenza tra l'energia potenziale del vecchio e quella del nuovo livello.

La configurazione elettronica di un atomo equivale alla distribuzione degli elettroni nei gusci dell'atomo, e questa configurazione determina il comportamento chimico dell'atomo.
Gli elettroni tendono a disporsi nello strato con minor energia libera, il primo, ma questo trato può contenere solo 2 elettroni, il secondo invece può contenere fino ad 8 elettroni, così come il terzo.
Il cambiamento chimico di un atomo dipende principalmente dal numero di elettroni presenti nel terzo strato, questi elettroni esterni vengono indicati come elettroni di valenza, e il guscio che li contiene viene chiamato strato di valenza.
Gli atomi con lo stesso numero di elettroni nello strato di valenza presentano comportamenti chimici molto simili.
Un atomo con lo strato di valenza completo, non è reattivo, e ciò significa che non reagirà facilmente quando entrerà in contatto con altri atomi.

Lo spazio tridimensionale dove un elettrone passa il 90% del tempo è detto orbitale.
Ogni guscio è costituito da uno specifico numero di orbitali dalle forme particolari, e lo stesso orbitale non può essere occupato da più di 2 elettroni, ne consegue che il primo guscio contiene un solo orbitale di forma sferica detto 1s, il secondo 4 orbitali, uno sferico detto 2s e 3 a forma di manubrio detti 2p.

Legami chimici
Gli atomi con strati di valenza incompleti interagiscono con altri atomi in modo da riempire il proprio strato di valenza, e per far questo cedono o acquistano elettroni.
Queste iterazioni tendono a tener vicini gli atomi con forze di attrazione chiamate legami chimici.
I legami chimici più forti sono quello ionico e quello covalente.

Un legame covalente è la compartecipazione tra due atomi di una coppia di elettroni di valenza.
Il legame covalente è il legame mediamente più forte.
Due o più atomi tenuti assieme da legami covalenti fanno una molecola.
La formula di struttura è una formula molecolare, un numerino messo in basso a destra della lettera che indica la molecola (ad esempio H₂) che indica che la molecola è costituita da n atomi di un determinato elemento.
Il legame covalente doppio si ha quanto 2 atomi formano una molecola mettendo in compartecipazione due coppie di elettroni di valenza.
La valenza dell'atomo è la capacità di effettuare legami ed è pari al numero di elettroni spaiati(non accoppiati) presenti nello strato esterno.
Un composto è la combinazione di due elementi differenti, quindi le molecole H₂ e Q₂ sono elementi puri, in quanto non sono composti.
L'attrazione esercitata da un atomo sulla coppia di elettroni di un legame covalente è detta elettrogalvanità.
In un legame covalente non polare (apolare) gli elettroni di legame sono condivisi in modo simmetrico, ovvero c'è la stessa elettrogalvanità da parte di entrambi gli atomi che sono quindi elementi uguali.
Nel legame covalente polare invece, elementi diversi hanno diversa elettrogalvanità.
L'ossigeno è uno degli elementi con maggiore elettrogalvanità, quindi attrae a se molto più dell'idrogeno i due elettroni di legame.
Quando un atomo forma legami covalenti, gli orbitali del suo strato di valenza si ridistribuiscono.
Legame ionico: quando l'atomo più elettrogalvanico strappa completamente l'elettrone al suo compagno.
Quando un atomo perde un elettrone o lo acquisisce, si trova ad avere il numero degli elettroni diverso da quello degli elettroni, assumendo una carica (ad esempio +1 se ha 1 protone in più degli elettroni, -1 se viceversa).
Un atomo che possiede una carica viene detto ione.
Il termine ione si applica anche ad intere molecole cariche elettricamente.
Quando questa carica è positiva viene detto catione, quando è negativa viene detto anione.
Anioni e cationi si attraggono con una forza detta legame ionico.
I composti che hanno legami ionici sono detti composti ionici o sali.
Il legame ionico può essere molto forte, come nel caso dei cristalli di sale, o relativamente debole in ambiente acquoso.

Nella vita non sono importanti solo i legami forti, ma anche i legami deboli.
Ad esempio in alcuni casi può essere indispensabile un contatto debole tra molecole per far si che si stacchino subito, come ad esempio nel caso del dolore, se le molecole segnalatrici non si staccassero più, il dolore non cesserebbe.

Il legame ad idrogeno è un legame debole che si forma quando un atomo di idrogeno legato covalentemente ad un atomo molto elettronegativo viene attratto anche da un secondo atomo sempre elettronegativo.

Le forze di van der Waals si hanno quando in una molecola con legami covalenti apolari sono presenti regioni parziali con cariche positive e negative, in costante movimento, che creano punti caldi con carica positiva e negativa che possono associarsi transitoriamente ad altre molecole.
Queste forze sono molto deboli ed agiscono solo su atomi e molecole che sono a distanza molto breve.
Queste interazioni deboli possono formarsi non solo tra molecole diverse, ma anche tra regioni differenti di una stessa molecola di grandi dimensioni.

La funzione chimica di una molecola è in relazione con la sua forma.
La forma molecolare determina il modo in cui la maggior parte delle molecole si riconosce e interagisce.
Ad esempio alcune molecole segnalatrici si incastrano perfettamente nelle cavita di alcune cellule ricevitori, e ciò facilita i legami.
La forma di una molecola è determinata dalla posizione dei suoi orbitali di valenza dei suoi atomi.

Le reazioni chimiche sono la rottura e la formazione di legami chimici.
Nello scrivere una reazione chimica si utilizza la freccia per indicare la conversione dei materiali di partenza, chiamati reagenti, in prodotti: 2H₂+O₂--> 2H₂O.
Le reazioni chimiche non creano o distruggono materia, ma la ridistribuiscono.
La maggior parte delle reazioni sono reversibili, ovvero, i prodotti della reazione diretta sono i reagenti della reazione inversa (in questo caso si indica la reazione con la doppia freccia: 3H₂+N₂ <--> 2NH₃).
Maggiore è la concentrazione delle molecole di reagenti e tanto più frequentemente esse verranno in contatto con altre, e quindi maggiore sarà la possibilità che essere reagiscano (lo stesso ragionamento vale per i prodotti).
Si ha l'equilibrio chimico quando si raggiunge il punto in cui la velocità delle due reazioni (diretta e inversa) si equivale, e ciò non significa che le concentrazioni di reagenti e di prodotti sono uguali, ma che si sono stabilizzate.