9-Caporossi L22 14-15 Prop Chimica
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Lezioni di Biologia 1
Livelli di organizzazione della materia; dimensioni, visibilità emicroscopi; unità di misura. Scale di complessità eriduzionismo scientifico.
Composizione dei viventi e richiami di chimica: atomo elegami, molecole organiche, gruppi funzionali; interazionideboli: il legame a idrogeno; acqua e soluzioni: acidi, basi esali, il pH.
Le grandi molecole biologiche: glucidi, lipidi, protidi, acidinucleici.
Variabilità e caratteristiche dei viventi – organizzazione,metabolismo, riproduzione. Caratteristiche fondamentalidei cinque regni.
I virus
1. Propedeutica chimica e Biologia generale
Cellula tipo e sua variabilità. Membrana cellulare: struttura efunzione. Citoplasma e organuli. Citoscheletro e strutture delmovimento. Flusso materia-energia nei viventi; leggi dellatermodinamica; strategie energetiche dei viventi, enzimi,trasportatori di energia; metabolismo energetico: fotosintesi, glicolisie respirazione.
Replicazione del DNA e riproduzione cellulare; ciclo cellulare, mitosie meiosi.
Leggi di Mendel, geni e cromosomi, determinazione del sesso,caratteri legati al sesso, mutazioni.
Codice genetico e sintesi delle proteine, controllo dell'espressionegenica. Cenni di genetica dello sviluppo e di genetica umana. Cennisugli sviluppi della biologia: riproduzione assistita; ingegneriagenetica; biotecnologie.
2. Biologia cellulare, genetica molecolare,
genetica generale
Lezioni di Biologia 2
L’evoluzione e l’ambiente. Origine della vita, adattamento edevoluzione dei viventi. Evoluzione dell'uomo e sua variabilitàbiogeografica: adattamenti all’ambiente, polimorfismi genetici,popolazioni.
3.Biologia umana e Antropologia
- Perché tutti gli organismiviventi hanno necessità di H2O?
- Perché molti organismi viventihanno necessità di O2?
Lezioni di Biologia 3
- Quale organismo viventeutilizza i mitocondri?
- Quale organismo vivente utilizza i cloroplasti?
- Quale è la base cellulare e molecolare del movimento?
Che differenza c’è tra questi atleti ?
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…e tra questi?
…e tra questi?
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…e tra questi
?
…e tra questi?
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…e tra questi?
LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DELLA
MATERIA
Lezioni di Biologia 7
� UNIVERSO
� Sistema solare
� Terra
� BIOSFERA
� Ecosistema
� Comunità
� Popolazione
� ORGANISMO
� Sistema/Apparato
� Organo
� Tessuto
� CELLULA
� Organulo
� MOLECOLA
� ATOMO
� Particella subatom.
O
L
I
S
M
O
R
I
D
U
Z
I
O
N
I
S
M
O Olismo= visione dell’intero
Riduzionismo= dal grande al piccolo
TessutoGruppo di cellule simili formanti una unità strutturale e funzionale
OrganismoEssere vivente capace di vita autonoma
Sistema / ApparatoGruppo di organi coordinati tra loro
OrganoGruppo di tessuti formanti una unità strutturale e funzionale
Lezioni di Biologia 8
Tutti gli organismi viventi sono
formati da una o più cellule che
sostengono tutti i processi vitali
L’unità biologica più piccola in grado di portare avanti le funzioni caratteristiche di un
vivente è la CELLULA
Miscugli formate da unità costitutive (molecole) diverse
MATERIA
Sostanze formate da un solo tipo di
unità costitutive (molecole)
Le unità costitutive della materia sono le molecole
Le unità costitutive delle molecole sono gli atomi
Lezioni di Biologia 9
Atomo unità costitutiva delle molecole, a sua volta formata da particelle elementari
(Protoni, elettroni, neutroni,…).
Esistono oltre 100 tipi di atomi
Elemento sostanza le cui molecole sono formate da atomi tutti uguali. Ne esistono dunque un centinaio, tanti quantigli atomi, e ne hanno gli stessi nomi (idrogeno H, ossigeno O, carbonio C, …)
Molecola unità costitutiva di una sostanza, a sua voltaformata da atomi
Composto sostanza le cui molecole sono formate da atomi diversi. Ne esistono milioni, e si distinguono in: composti organici se contengono Carboniocomposti inorganici se non contengono Carbonio
Molecole e Atomi
Proprietà della materia
Fisiche�Stato (solido, liquido, gassoso)
�Massa e peso
�Volume, Densità
�Energia
�…
Chimiche�Sono le proprietà che si possono osservare
quando una sostanza subisce una trasformazione in un’altra sostanza
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Dimensioni della Materia
Unità di misura
1m x 10-3 = 1 mm (millimetro) = 1/1000m = 1000 µm1m x 10-6 = 1 µm (micrometro) = 1/1000 mm = 1000 nm 1m x 10-9 = 1 nm (nanometro) = 1/1000 µm = 10 Å
1m x 10-10 = 1 Å (Ångström) = 1/10 nm
MATERIA = forma di Energia (e = mc2)
Energia capacità di compiere lavoro.
Si presenta in forme diverse,
trasformabili le une nelle altre:
meccanica (cinetica, potenziale)
termica
luminosa
chimica
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L’energia
Leggi della Termodinamica
1°: Conservazione All’interno di un sistema chiuso l’energia/materia complessiva è costante (l’energia/materia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma)
2°: Entropia In assenza di apporto energetico dall’esterno,qualsiasi sistema decade verso il massimodisordine (disordine = Entropia). In ognitrasformazione, parte dell’energia si disperdesotto forma di calore (moto molecolare) e non èpiù utilizzabile, traducendosi in un aumento dientropia. L’entropia è nulla a 0ºK = - 273ºC(assenza di moto molecolare)
I sistemi biologici esprimono capacità:
Organizzative complessità
Conservative stabilità
Evolutive adattabilità
Sistemi biologici
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Più in generale, i sistemi biologici presentano le
seguenti caratteristiche:
� Complessità – chimica, strutturale -organizzativa, funzionale
� Organizzazione cellulare� Metabolismo -- Assunzione di energia, trasformazioni
biochimiche
� Reattività, Omeostasi� Informazione propria� Adattamento, Evoluzione� Crescita -- Accrescimento e sviluppo
� Riproduzione, Eredità
Sistemi biologici
COMPOSIZIONE DEI VIVENTI
E RICHIAMI DI CHIMICA
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STRUTTURA DELL’ATOMO
massa carica
Nucleo
� Neutroni (N) 1 0� Protoni (P) 1 +1
Livelli energetici (orbitali)
� Elettroni (e) - -1
Peso Atomico (PA) = numero di N+P (caratteristiche fisiche)
Numero Atomico (NA) = n°di P = n°di e (caratteristiche chimiche)
Isotopi = atomi con stesso NA ma diverso PA
Trizio (³H)1P 2N 1e
Idrogeno (¹H)1P 1e
Azoto (N)7P 7N 7e
PA=14 NA=7
Ossigeno (O)8P 8N 8e
PA=16 NA=8
14C 6P 8N 6e
PA=14 NA=6
¹³C 6P 7N 6e
PA=13 NA=6
¹²C 6P 6N 6e
PA=12 NA=6
Deuterio (²H)1P 1N 1e
Il più piccolo di tuttigli atomi, l’Idrogeno Hha solo un P e un e,e quindi NA=1 e PA=1.Esistono vari isotopi
con 1, 2 o più N
L’atomo del Carbonio,caratteristico di tutti icomposti organici e isuoi più comuniisotopi
Altri atomi, comuninel vivente: Azoto N eOssigeno O.Dal punto di vistachimico non interessatanto la composizionedel nucleo quanto ilnumero degli elettroni,da cui infatti deriva lareattività degli atomi
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Disposizione degli elettroni
Gli elettroni (e) orbitano intorno al nucleo instrati (o livelli energetici), ciascuno contenente 1o più orbitali che si saturano con 2e ciascuno.
Il primo strato si satura con 2e (1 solo orbitale).Gli strati successivi sono stabili, quindi completi,con 8e (4 orbitali).
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Reattività dell’atomo
L’atomo tende:
� da un lato, a mantenersi elettricamente neutro(numero di P = numero di e)
� dall’altro, a saturare i propri livelli energeticiesterni riempiendoli del relativo numeromassimo di elettroni (2e per il primo livello, 8eper i livelli successivi – “regola dell’ottetto”).
Ciò determina la reattività chimica
Sistema periodico degli elementi
Il comportamento di un atomo è dunquedeterminato dal numero di e del suo livello
energetico esterno, facilmente ricavabiledal NA.
Ordinando gli atomi per NA crescente, sihanno somiglianze periodiche dicomportamento.
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Elemento NA N°di e per livello N°di e
1°liv. 2°liv. 3°liv esterni / totale ammessi
Idrogeno (H) 1 1 1 / 2
Carbonio (C) 6 2 4 4 / 8
Azoto (N) 7 2 5 5 / 8
Ossigeno (O) 8 2 6 6 / 8
Sodio (Na) 11 2 8 1 1 / 8
Fosforo (P) 15 2 8 5 5 / 8
Zolfo (S) 16 2 8 6 6 / 8
Cloro (Cl) 17 2 8 7 7 / 8
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REAZIONI E LEGAMI CHIMICI
Per saturare il suo livello energetico esterno, un atomo può reagire:
� cedendo o acquistando e- :cioè ossidandosi: cedendo e-
o riducendosi: acquistando e-
oppure
�mettendo in comune e- con altri atomi
� L’ossidazione è la perdita di elettroni e la conseguente trasformazione in ione positivo (catione)
esempio:
Na - e- Na+ (catione sodio)
(SODIO, NA=11)
Reazioni di Ossidoriduzione
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�La riduzione è l’acquisto di elettroni e laconseguente trasformazione in ionenegativo (anione)
esempio:
Cl + e- Cl- (anione cloro)(CLORO, NA=17)
Reazioni di Ossidoriduzione
In questo caso le reazioni sono praticamente simultanee
(ossidoriduzione)
Cationi e anioni avendo carica elettrica opposta, si attraggono, formando il
legame ionico
Na+ + Cl-
NaCl
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Legame ionico
Tra atomi a elettronegatività molto diversa
Na Cl +NaCl-
E’ un legame molto forte (per il reticolo cristallino) ma diviene debole a contatto con solventi polari (H2O)
e-
Legame ionico
Lezioni di Biologia 20
Elettronegatività
Capacità di un atomo di attrarreelettroni verso di sé all’interno di un
legame chimico
Valori di Elettronegatività
F 4.0O 3.5N 3.0Cl 3.0S 2.5C 2.5P 2.1
H 2.1Ca 1.0Na 0.9K 0.8
Lezioni di Biologia 21
Per saturare il suo livello energetico esterno, un atomo può anche mettere in comune e con altri
atomi, formando legame covalente
Cl Cl Cl2ClClClCl+Legame covalente semplice
Legame covalente
Per saturare il suo livello energetico esterno, un atomo può anche mettere in comune e- con altri
atomi, formando legame covalente
O O O O O O O2+Legame covalente doppio
Legame covalente
Lezioni di Biologia 22
Legame covalente
Legame covalente
Il legame covalente è tipico del Carbonio,
Composti organici -- Metano CH4
Idrocarburi -- CH3-(CH2)n-CH3
Radicali: -CH3 rad. metilico
-CH3-CH2 rad. etilico, ecc.
-R = radicale generico
.
... C HH
HCH
:C :. .. . H
HH
HC4H . + = = CH4
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Legame covalente Tra atomi a pari elettronegatività
H : H H2
CH4
Tra atomi a diversa elettronegatività
H : Cl δ+HClδ-
dipolo
CH
HHH
. .
. .: :
Omopolare
Eteropolare
Legame covalente eteropolare
Lezioni di Biologia 24
Legame covalente eteropolare
Legame dativo
Un elemento datore mette in comune un doppietto
elettronico con un elemento accettore, che si limitaad accettarlo, ma senza mettere in comuneelettroni da parte sua
S NA=16
N P S
OH
OO
OHO
ON
HNO3
O
OH
OH
OH
OH
OHO
O
H3PO4 H2SO4
N NA=7P NA=15
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Legami Forti
� Legame covalente apolare (omopolare)� Legame covalente polare (eteropolare)� Legame ionico
Legami Deboli
• Forze di Van der Waals - debole
attrazione intermolecolare causata da
forze attrattive dovute a perturbazioni
della nuvola elettronica
• Legame a idrogeno
Lezioni di Biologia 26
Legami a idrogeno
Tra un atomo H impegnato in un legame covalente polare (tipicamente con F, O, N) e un altro atomo molto elettronegativo:
δ+H-Fδ -...
δ+H-Fδ -...
δ+H-Fδ -...
δ+H-Fδ -
δ - O-Hδ+…
δ -O δ - O-Hδ+…
δ -Nδ - N-Hδ+
…δ -O δ - N-Hδ+
…δ -N
Sono legami altamente instabili (1 sec x 10-11)ma numerosissimi = effetto di massa e determinanostrutture dipolari.
Legami a idrogeno
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Legami a idrogeno