CORSO INTEGRATO DI BIOLOGIA, FISICA E CHIMICA a.a .201 0-2011 Dott.ssa Alessandra Forgione

1. CORSO INTEGRATO DI BIOLOGIA, FISICA E CHIMICA a.a.2010-2011 Dott.ssa Alessandra Forgione ale_forgione@yahoo.com

2. PROGRAMMA Elementi di chimica, introduzione alla biochimica Acqua, PH, Acidi, basi, Sali e tamponi I composti del carbonio Carboidrati Lipidi Proteine Enzimi Metabolismi Vitamine

3. ORARIO DELLE LEZIONI Novembre 8 – orario 8.00 – 10.30 10 – orario 8.00 – 10.30 12 – orario 8.00 – 10.30 17  - orario 8.00 – 10.30 Dicembre 20 – orario 8.00 – 10.30 21 – orario 17.00 – 18.30 Gennaio 10 – orario 8.00 – 10.30 17 – orario 8.00 – 10.30

4. BIOCHIMICA E’ lo studio della chimica della vita, un ponte fra la biologia e la chimica , che studia le reazioni chimiche complesse che danno origine alla vita: oggetto di studio sono la struttura e le trasformazioni dei componenti delle cellule, come proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici. CHIMICA: Oggetto di studio della chimica sono le proprietà e le strutture dei costituenti della materia (atomi, molecole) e le loro interazioni reciproche, da cui hanno origine gli statio della materia. Tale studio della materia non è limitato alle sue proprietà e struttura in un dato istante, ma riguarda anche le sue trasformazioni, dette reazioni chimiche BIOLOGIA: (dal greco βιολογία, composto da βίος, bìos = "vita" e λόγος, lògos = nel senso di "studio") è la scienza che studia tutto ciò che riguarda la vita.

5. LIVELLO DI ORGANIZZAZIONE DEGLI ORGANISMI Il più semplice livello di organizzazione è costituito da atomi e molecole Atomo: è la più piccola unità di un elemento chimico, di cui possiede tutte le caratteristiche Molecole: si ottengono dalla combinazione chimica di più atomi

6. Diversi tipi di atomi e molecole possono associarsi a formare cellule (struttura di base fondamentale degli organismi viventi): il più semplice componente della materia vivente in grado di svolgere le attività necessarie per la vita Tessuti: sono formati da diverse cellule Organi formati da diversi tessuti Sistemi: diversi gruppi di organi coordinati tra loro Organismi pluricellulari: formati da sistemi che funzionano tra loro

7. LIVELLO DI ORGANIZZAZIONE ECOLOGICA Popolazione: è costituita da tutti i membri di una specie che vivono contemporaneamente nella stessa regione geografica. Le diverse popolazioni che vivono in una stessa area geografica interagiscono tra di loro formando una comunità Ecositema: una cominità insieme all’ambiente in cui vive Biosfera: insime di tutti gli ecosistemi..:Ecologia

8. ELEMENTI CHIMICI La materia è costituita da sostanze semplici (detti elementi) e da sostanze composte. • Elementi: sostanze che non possono essere scisse in sostanze più semplici, ciascuno è caratterizzato da un simbolo chimico. • Più del 96% della massa della maggior • parte degli organismi è composta • da 4 elementi: azoto (N), carbonio (C), • ossigeno (O) ed idrogeno (H). • La porzione più piccola dell’elemento • è l’atomo, che ne rappresenta tutte le caratteristice chimiche.

9. OSSIGENO: presente con il carbonio nella gran maggioranza delle molecole organiche CARBONIO: costituisce lo scheletro di tutte le molecole organiche IDROGENO: fa parte di tutte le molecole organiche e di molte altre come l’acqua. AZOTO: è il costituente delle proteine e degli acidi nucleici; nell’aria è presente sottoforma di molecole costituite da due atomi di azoto legati assieme. Si trova nel terreno sottoforma di ioni (ammonio e nitrato) che vengono utilizzati dalle piante come nutrimento.

10. Altri elementi chimici fosforo (P), zolfo (S), calcio (Ca), Potassio (K), Sodio (Na), Ferro (Fe), Cloro (Cl) e Magnesio (Mg) rappresentano circa il 4% della materia vivente. Esistono ancora gli oligoelementi o microelementi, che costituiscono meno dello 0,01% della materia vivente, ma sono comunque essenziali per molti organismi : Iodio (I), Zinco (Zn), Boro (B), Cromo (Cr), Rame (Cu), Manganese (Mn), Fluoro (F), Selenio (Se), Silicio (Si), Stagno (Sn), Vanadio(V).

11. ATOMO Questi sono formati da particelle subatomiche: protoni, neutroni, elettroni. L ’atomo è neutro. L’insieme di protoni e neutroni costituisce il nucleo atomico, attorno a cui si muovono gli elettroni Il numero di elettroni è uguale a quello di protoni

12. Gli elettroni si muovono in regioni 3D dello spazio, su degli orbitali, ciascuno dei quali contiene al massimo due elettroni. L’energia dell’elettrone dipende dall’orbitale che occupa. Livelli orbitali con energie simili formano i gusci elettronici. Gli elettroni più lontani dal nucleo hanno energia maggiore, infatti per allontanare gli elettroni più vicini al nucleo c’è bisogno di energia maggiore, rispetto a quelli più lontani che vengono detti di valenza e costituiscono quindi il guscio più lontano detto anche esso di valenza. Gli spostamenti tra un orbitale e l’altro sono permessi e richiedono energia per gli elettroni che si allontanano dal nucleo, mentre quelli che si avvicinano rilasciano energia

13. Composto chimico: consiste di atomi di due o più elementi differenti Molecola: si ottiene dalla combinazione di due o più atomi

14. Sulla Terra sono stati identificati 92 elementi naturali a cui si aggiungono un'altra ventina di elementi sintetizzati dall'uomo (detti elementi artificiali). Tutti gli elementi sono indicati con l'iniziale (o le prime due iniziali) del loro nome in latino. Ad esempio, l'idrogeno ha il simbolo H che deriva dalla parola latina Hydrogenum (idrogeno), il ferro ha il simbolo Fe che deriva dalla parola latina Ferrum (ferro), il rame ha il simbolo Cu che deriva dalla parola latina Cuprum (rame) ……

15. Ciascun elemento ha un numero fisso di protoni, detto numero atomico (scritto in basso a sinistra), che serve ad identificare l’atomo che descrive l’elemento. Gli atomi sono organizzati nella tavola periodica in base al loro numero atomico. Questa fornisce informazioni sugli elementi: la composizione, la struttura ed il comportamento chimico.

16. La posizione di ciascun elemento nella tavola periodica dipende dal numero di protoni e dalla conseguente configurazione elettronica esterna. Il numero di elettroni di valenza varia da 1 a 8 (periodo), da questi deriva il comportamento chimico Tutti gli elementi del gruppohanno la stessa configurazione del gruppo di valenza, quindi un comportamento chimico simile. Gli elementi a destra del periodo sono pi elettronegativi e tendono a trasformarsi in anioni, rispettoa quelli posti a sinistra.

17. TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

18. MATERIA E MASSA ATOMICA Materia: tutto ciò che ha massa e occupa spazio La massa di una particella subatomica è molto piccola per essere descritta e quindi la sua massa viene espressa in termini di unità di massa atomica (uma) o dalton: 1 dalton è uguale alla massa di un protone o di un neutrone (la massa di un elettrone è circa 1/1800 di questa), quindi la massa atomica è data dalla somma di protoni e neutroni di un atomo (scritto in alto a sinistra)

19. MASSA MOLECOLARE Il peso atomico di un composto chimico è dato dalla somma dei pesi atomici di tutti i suoi atomi Peso molecolare dell’acqua 2H+16O=18 Peso molecolare del glucosio (6Cx12)+(12Hx1)+(6Ox16)= 180

20. MOLE La mole è la quantità di composto la cui massa in grammi è equivalente alla sua massa atomica. Consente di confrontare tra loro atomi e molecole perchè 1 mole di ciascuna sostanza contiene sempre lo stesso numero di unità. Il numero di unità di una mole è detto numero di Avogadro

21. ISOTOPI La maggior parte degli elementi è costituita da una miscela di atomi che hanno un diverso numero di neutroni e quindi con massa differente: isotopi. Quindi gli isotopi hanno lo stesso numero di elettroni e protoni ma differiscono per il numero di neutroni. La massa di un elemento è quindi espressa dalla massa media degli isotopi. Poiché il numero di elettroni è uguale, le caratteristiche chimiche sono uguali, ma quelle fisiche diverse. Gli isotopi sono tendenzialmente instabili e quindi tendono a decadere verso un isotopo più stabile emettendo radiazioni: radioisotopo

22. Il comportamento chimico di un atomo dipende dal numero e disposizione del guscio di valenza. Il guscio di valenza è stabile, completo, quando contiene 8 elettroni. Qualora questo non fosse completo tende a cedere o acquisire elettroni per completare il guscio di valenza: da questi trasferimenti di elettroni originano i cationi e gli anioni. Gli isotopi hanno tutti lo stesso guscio di valenza ecco perché sono chimicamente stabili e possono sostituirsi nelle reazioni chimiche.

23. LEGAMI CHIMICI Sono le forze attrattive che uniscono gli atomi di una molecola. Tale legame, caratterizzato da intensità differente in relazione al composto a cui dà origine, è fondamentale nel conferire la particolare reattività e stabilità del composto stesso, nonché nel determinarne la struttura e geometria molecolare caratteristica. L’energia di legame è l’energia necessaria a rompere questi legami. • LEGAMI FORTI • -covalente • Ionico • LEGAMI DEBOLI • Idrogeno • Forze di vanderwalls

24. LEGAME COVALENTE Il legame covalente si forma quando due elementi - avendo entrambi elevata tendenza ad attrarre elettroni - condividono fra di loro alcuni degli elettroni di valenza, per raggiungere entrambi l'ottetto di elettroni esterni. Per esempio, il cloro ha sette elettroni di valenza, e "ha bisogno" di un altro elettrone; per questo due atomi di cloro mettono in comune due elettroni, e si forma un legame fra i due atomi: ("mettono in comune" significa che i due elettroni vengono attratti da entrambi gli atomi)

25. Ne deriva il composto covalente. Il legame può essere doppio o semplice o triplo. Quando le molecole si legano mediante il legame covalente si può avere un riarrangiamento degli orbitali: ibridazione degli orbitali, responsabile della forma della molecola che ne deriva. Gli atomi di molecole diverse differiscono per la loro affinità per gli elettroni, l’elettronegatività è la misura di questa affinità. Il legame covalente tra molecole con la stessa elettronegatività è detto apolare, altrimenti è detto polare

26. LEGAME IONICO Il legame ionico si forma quando due elementi hanno una tendenza molto diversa ad attrarre elettroni ; in questo caso avviene il passaggio di uno o piu' elettroni da un atomo all'altro, in modo da raggiungere entrambi l'ottetto di elettroni esterni. L'atomo che perde elettroni diventa unoione positivo, quello che li guadagna diventa uno ione negativo: la forza di attrazione fra i due ioni costituisce il legame ionico. Il legame ionico è molto forte (le forze fra ioni sono comparabili alle forze dentro una molecola), per cui i composti ionici sono di solito solidi con alta temperatura di fusione. I solidi ionici si sciolgono facilmene in acqua o altri liquidi polari.

27. LEGAME IDROGENO Il legame a idrogeno o ponte idrogeno è un caso particolare di interazione fra dipoli. In particolare si tratta di un legame dipolo permanente - dipolo permanente in cui è implicato un atomodi idrogeno coinvolto in un legame covalente con elementi molto elettronegativi come fluoro, cloro, ossigeno o azoto, i quali attraggono a sé gli elettroni di valenza, acquisendo una parziale carica negativa (δ-) lasciando l'idrogeno con una parziale carica positiva (δ+).[

28. FORZE DI VAN DER WALLS Le Forze di attrazione di Van derWaals sono forze di interazione relativamente deboli che uniscono le molecole neutre in quasi tutti i composti organici liquidi e solidi.

29. REAZIONI REDOX Molte delle reazioni che avvengono in una cellula prevedono il trasferimento di elettroni da una cellula all’altra: tali reazioni, dette anche ossido-riduzioni, sono quelle in cui almeno due elementi, appartenenti a due differenti composti (reagenti), modificano il proprio stato ossidativo nel passaggio da reagenti a prodotti: uno dei due elementi “si riduce”, cioè acquista elettroni, mentre l’altro elemento “si ossida”, cioè perde elettroni. Il composto che si ossida ha il ruolo di riducente, mentre quello che si riduce ha il ruolo di ossidante.

30. RiduzioneOssidante + e- → prodotto(la specie guadagna elettroni, il suo numero di ossidazione diminuisce) OssidazioneRiducente → prodotto + e-(la specie perde elettroni, il suo numero di ossidazione aumenta)

31. ACQUA

32. L’acqua e l’uomo Un adulto deve assumere in media 2.5l di acqua al giorno. Il corpo umano è costituito per il 60-70% di acqua FUNZIONI NEL NOSTRO CORPO ACQUA ELIMINATA AL GIORNO

33. Il legame tra l’O e l’H è un legame covalente; gli atomi sono disposti nella molecola in modo quasi da formare un triangolo isoscele. L’ossigeno, che è disposto al vertice superiore, attrae gli elettroni con una forza maggiore (si dice che è più elettronegativo). A causa della grande differenza di elettronegatività che esiste tra idrogeno e ossigeno, tra due molecole d’acqua si formano legami idrogeno.

34. Gli atomi di ossigeno attirano elettroni e quindi risultano elettricamente negativi, mentre gli atomi di idrogeno sono elettricamente positivi. Ciò fa sì che le molecole dell'acqua abbiano due poli: uno positivo (+) e uno negativo (-) (molecola bipolare), ragione per cui si legano tra loro creando una specie di reticolo con dei legami, detti legami idrogeno.

35. CAMBIAMENTO DI STATO DELL’ACQUA

36.                                                                                                                            Nel “range” delle Temperature ordinarie sulla Terra (-40°C - +40°C ) Idrogenoe Ossigeno... ...sono dei gas fisica24ore

37. …ma se si legano danno origine ad unliquido raffreddando il quale si ottiene un solido fisica24ore

39. L’aumento di temperatura di una sostanza determina un aumento della velocità con cui si muovono le molecole: energia cinetica La quantità totale di energia cinetica in un campione è detta calore, mentre per temperatura si intende l’energia media delle particelle. Calore di evaporazione: quantità di energia termica necessaria a a far passare 1 gr di una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso, è espresso in calorie. Caloria: quantità di energia termica necessaria per innalzare di 1 grado celsius la temperatura di 1 gr di acqua

41. CONSEGUENZE DEL LEGAME IDROGENO Grazie alla presenza dei legami idrogeno le molecole d’acqua hanno una forte tendenza ad attacarsi le une alle altre, sono cioè coesive. A causa della natura coesiva delle molecole d’acqua, qualunque forza esercitata su una colonna d’acqua sarà trasferita a tutta la colonna. Queste forze, inoltre, determinano la tensione superficiale, cioè tendono a legarsi tra loro e non con le molecole di aria, creando uno strato resistente. Queste molecole sono anche adesive, cioè si attaccano anche ad altre sostanze, e da qui, la loro capacità di bagnare le superfici. FORZA DI COESIONE: questa forza agisce su molecole dello stesso tipo mantenendole unite. FORZA DI ADESIONE: questa forza agisce su molecole di tipo diverso mantenendole unite. Entrambe queste forze sono alla base dell’azione capillare, cioè la sua tendenza a risalire all’interno di tubi molto stretti

42. RESISTENZA AI CAMBIAMENTI DI TEMPERATURA: l’acqua ha un elevato calore specifico (quantità di calore necessaria per determinare un aumento di temperatura della sostanza) a causa dei legami idrogeno che limitano il movimento delle molecole. EVAPORAZIONE: l’acqua ha un elevato calore di evaporazione, che avviene quando alcune delle molecole del liquido, in movimento più rapido, affiorano alla superficie e passano nell’aria, spezzando i legami idrogeno. L’operazione richiede energia termica: perché avvenga l’evaporazione le molecole d’acqua devono assorbire una certa quantità di energia termica, raffreddando l’acqua che rimane. PASSAGGIO ALLO STATO SOLIDO: nella maggior parte dei liquidi la densità (massa della sostanza in un dato volume) aumenta col diminuire della T. La densità dell’acqua aumenta al diminuire della temperatura fino a 4°C. Al di sotto di questa temperatura, le molecole sono così vicine che ognuna stabilisce contemporaneamente 4 legami H con altre 4 molecole; questo fa sì che le molecole si allontanino. Perciò l’acqua, allo stato solido, occupa un volume maggiore che allo stato liquido. Il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida e galleggia su di essa.

43. LE PROPRIETA’ DELL’ACQUA • Allo stato liquido ha un volume proprio e quindi non è comprimibile • Allo stato liquido assume la forma del recipiente che la contiene • Presenta deboli forze di coesione fra le molecole • Ha un elevato calore specifico e un'alta capacità termica: si scalda e si raffredda lentamente, proprio per la presenza di legami di idrogeno • Quando si solidifica il volume aumenta, al contrario di ciò che accade con le altre sostanze; quindi la densità del ghiaccio diminuisce, pesa meno e perciò galleggia sull'acqua. Ciò ha una notevole importanza perché rende possibile la vita sotto i mari ghiacciati in superficie. • Ha un suo peso ed esercita quindi anch'essa una pressione, la pressione idrostatica: è un fenomeno importante per le pressioni che l'acqua può esercitare negli abissi oceanici. • Come un qualsiasi liquido, anche l'acqua, se è in riposo mantiene la sua superficie libera sempre piana ed orizzontale.

44. SOLUBILITA’ A causa della polarità delle sue molecole, l’acqua è un ottimo solvente in grado di sciogliere molti tipi di composti, specialmente quelli ionici e polari. L’acqua unita ad un sale o a uno zucchero (detti soluto) forma una soluzione. La solubilità dell’acqua aumenta all’aumentare della temperatura. Soluzione : è il risultato della miscelazione di un solvente e di un soluto. Soluto: sostanza disciolta in un solvente. Solvente: sostanza in cui si scioglie un'altra sostanza, che si separa in singoli ioni e molecole. In relazione alla rapidità di interazione con l’acqua, i soluti sono detti idrofilici (saccarosio, sale da tavola) o idrofibici, quest’ultimi sono insolubili e tendono a formare aggregati (olio).

45. I dipoli dell’ H2O interagiscono con gli ioni, in modo tale che risultino idratati, cioè circondati da gusci di molecole di H2O Esempio: NaCl allo stato solido esiste come reticolo cristallino molto stabile, in acqua si scioglie facilmente