La chimica della vita,atomi e molecole.

Mauro Goretti - Programmatore - 

La chimica della vita,atomi e molecole.

Non molti secoli fa,fisica,chimica e biologia erano scienze

completamente separate. I fisici indagavano i moti di oggetti

di grandi dimensioni sulla Terra e dei pianeti attorno al Sole;

i chimici cercavano di definire le proprietà della materia con

il miraggio della trasmutazione dei metalli in oro;i biologi

infine erano occupatissimi a raccogliere e classificare piante

e animali. Negli ultimi duecento anni però,fisica,chimica e

biologia interagiscono sempre più tra loro. I fisici hanno

scoperto uno “strano” mondo di particelle e forze subatomiche

responsabili delle caratteristiche degli atomi;i chimici devono

conoscere la fisica per capire come gli atomi formino le

molecole;e i biologi devono apprendere la chimica organica

per poter comprendere la struttura e il comportamento delle

complessive macromolecole di cui sono formati gli esseri

viventi. Lo studio della vita sulla Terra presuppone lo

studio delle molecole che compongono gli organismi

viventi. In che modo la fotosintesi immagazzina in

molecole di zucchero l'energia che cattura dalla luce

del Sole? Qual'è la struttura della membrana cellulare,

e come riesce a regolare il flusso dei materiali in entrata

e in uscita? Come si contraggono i muscoli? In che modo

comunicano tra loro i neuroni del cervello? Che cosa

provoca il cancro? Per poter dare delle risposte a questi

interrogativi occorre prima acquistare alcune conoscenze

su energia e materia,sulle proprietà degli atomi e sulle

interazioni che legano gli atomi gli uni agli altri a

formare le molecole.

Materia ed energia sono intercambiabili,come ha dimostrato

la famosa equazione di Albert Einstein.

Tuttavia,limitatamente alle reazioni chimiche che si

producono all'interno degli organismi viventi,conviene

tenere disgiunte queste due entità:la materia,solida,

liquida e gassosa,è ciò che costituisce l'universo,mentre

l'energia è la capacità di compiere lavoro,una capacità

che di solito si manifesta in relazione allo spostamento

di frammenti di materia.

FORME DI ENERGIA. L'energia si presenta in

diverse forme che possono trasformarsi le une nelle altre.

Le due fondamentali forme di energia sono l'energia

cinetica e l'energia potenziale. L'energia cinetica è

energia di movimento,sia che si tratti del moto di

corpi voluminosi e visibili,del fluire degli elettroni

in un conduttore (energia elettrica) o del moto di

agitazione termica di atomi e molecole (calore).

L' energia potenziale è energia “immagazzinata”

che,nelle condizioni opportune,può trasformarsi in

energia cinetica. Una mela possiede energia

potenziale in quanto si trova sospesa ad una certa

altezza su un albero. La sua energia potenziale

si trasforma in energia cinetica (cioè di movimento)

quando cade per terra. Gli alimenti racchiudono

energia chimica potenziale che si trasforma

in energia cinetica e calore quando si compiono

movimenti (correre,saltare,ecc.).

Alla base di tutte le interazioni tra componenti

della materia vi è sempre un trasferimento di

energia . Esamineremo la struttura della materia,

dagli atomi alle molecole. Concentreremo l'attenzione

sulle molecole che costituiscono gli organismi

viventi. Spiegheremo,infine,come gli scambi di

energia tra atomi e molecole determinano le

reazioni chimiche che avvengono nelle cellule.

La struttura della materia. Tutta la materia

dell'universo è formata da 92 elementi naturali

diversi. Un elemento,per esempio il carbonio e

l'ossigeno,è una sostanza con caratteristiche

specifiche che non può essere scomposta in

sostanze più semplici né trasformata in sostanze

diverse mediante le normali reazioni chimiche.

Un composto ,per esempio il biossido di carbonio

o anidride carbonica,è invece una sostanza formata

da due o più elementi. I composti possono essere

scissi nei loro elementi costitutivi (per esempio,

carbonio e ossigeno nel caso del biossido di

carbonio),con metodi chimici.

La struttura atomica. Il diamante è una forma

di carbonio puro;se si taglia un diamante in frammenti,

ciascuno di essi sarà ancora carbonio. Immaginando

di suddividere sempre più minutamente tali frammenti,

alla fine arriveremo a isolarne i singoli atomi di

carbonio costituenti,cioè le più piccole particelle

ciascuna delle quali conserva ancora le caratteristiche

dell'elemento carbonio. L'atomo è fondamentalmente

costituito da due parti:un nucleo centrale,in cui è

concentrata la gran parte della massa dell'atomo,e

una zona esterna,di bassa densità,una “nuvola” di

elettroni,in un numero variabile da 1 a 92 negli atomi

degli elementi presenti in natura. Il nucleo contiene

due tipi di particelle (definite genericamente nucleoni)

di massa circa uguale:i protoni ,ciascuno dei quali

porta una carica elettrica positiva,e i neutroni

che sono privi di carica elettrica. Gli elettroni ,

di massa assai inferiore a quella dei nucleoni,

portano una carica elettrica negativa. Un atomo

che ha un ugual numero di protoni ed elettroni

è quindi elettricamente neutro.

I nuclei non risentono praticamente dell'azione

delle ordinarie forze esterne. Le abituali forme di

energia,quali il calore,l'elettricità o la luce,non

riescono a scalfire significativamente,né tanto

meno a spezzare,la struttura dei nuclei.

La stabilità del nucleo di un atomo di carbonio

spiega perché esso conservi la propria identità

sia nel diamante,sia in una molecola di biossido

di carbonio o di una proteina o di uno zucchero.

Gli elettroni,distribuiti esternamente al nucleo,

possiedono invece una certa mobilità:è proprio

questa mobilità che permette il verificarsi di

reazioni in seguito a scambi di elettroni tra

due o più atomi (in pratica,interviene una

ridisposizione di elettroni).

IL NUCLEO. Il numero di protoni nel nucleo

viene detto numero atomico ed è caratteristico

di ciascun elemento. Per esempio,ogni atomo di

idrogeno possiede un protone nel nucleo,ogni

atomo di carbonio possiede sei protoni e ogni

atomo di ossigeno otto. Atomi diversi di uno

stesso elemento possono però avere un differente

numero di neutroni. Gli atomi del medesimo

elemento,cioè con lo stesso numero di protoni,

ma con diverso numero di neutroni,sono

chiamati isotopi . Tutti gli isotopi di un

elemento sono in pratica identici per quanto

riguarda il comportamento chimico,ma si

differenziano tra loro per le diversità delle

proprietà fisiche. In particolare,i nuclei

di certi isotopi si disintegrano spontaneamente,

emettendo radioattività. Gli isotopi radioattivi

sono utili come “traccianti” nello studio dei

processi biologici.

ORBITALI ELETTRONICI E LIVELLI

DI ENERGIA. Come sappiamo,gli scienziati

per studiare i fenomeni naturali ideano dei modelli

sui quali poter verificare la consistenza delle loro

ipotesi. Uno dei modelli atomici era il cosiddetto

“modello planetario”,che paragonava gli elettroni

a pianeti orbitanti attorno al nucleo (il Sole di

questo sistema planetario).

Questo modello si è poi rivelato semplicistico e

scorretto. Nel modello attualmente accettato,

si ammette che gli elettroni,anziché ruotare a

una distanza fissa dal nucleo,occupino una regione

di spazio denominata orbitale .

Rammentando che particelle di carica uguale

(entrambe negative o entrambe positive) si respingono,

mentre particelle di carica opposta si attraggono,

si potrebbe concludere che gli elettroni,essendo

carichi negativamente,dovrebbero collidere con

il nucleo carico positivamente. Ciò in realtà non

accade,e questo grazie all'elevata velocità di

rivoluzione degli elettroni o,detto in altro modo,

grazie alla loro energia di movimento che

impedisce che precipitino verso il nucleo (così

come la Terra non precipita verso il Sole,

nonostante l'elevata intensità della forza di attrazione

gravitazionale). A causa della mutua repulsione

elettrostatica,solo due elettroni possono occupare

un orbitale,e solo un ristretto numero di orbitali

può coesistere a una data distanza dal nucleo.

Gli atomi di grandi dimensioni accolgono

molti elettroni perché possiedono molteplici

orbitali,riuniti in “gruppi” (detti,anche se

impropriamente,”gusci elettronici”) situati

a distanze crescenti dal nucleo. Gli elettroni

negli orbitali più vicini al nucleo hanno energia

minore (cioè sono più stabili) e quelli via via

più lontani hanno energia via via maggiore.

Per questo motivo i vari raggruppamenti di

orbitali sono denominati livelli di energia .

Al livello di energia più vicino al nucleo,

quello più basso,corrisponde un unico orbitale

che può ospitare due soli elettroni. Al secondo

livello di energia corrispondono quattro orbitali,

in cui possono sistemarsi sino a otto elettroni.

Gli elettroni in un atomo occupano normalmente

gli orbitali corrispondenti al livello di energia più

prossimo al nucleo. I sei elettroni dell'atomo di

carbonio,per esempio,si distribuiscono due nel

primo livello,adiacente al nucleo,e quattro nel

secondo. Perché si parla di livelli di energia?

La risposta va ricercata nella seguente circostanza:

l'energia che caratterizza i vari orbitali distribuiti

intorno al nucleo non varia in modo continuo,

ma secondo ben definite quantità,cioè in modo

discreto . Corrispondentemente a questi livelli

discreti di energia ,le distanze a cui possono

collocarsi gli orbitali intorno al nucleo sono ben

determinate. Pochi sono abituati ad associare

l'energia al concetto di discontinuità,ma a

questo riguardo può forse essere d'aiuto

un'analogia con la gravità. Immaginate di

salire su per una rampa di scale. Ogni gradino

richiede il dispendio di una certa quantità di

energia cinetica che non può essere frazionata,

nel senso che non è possibile sollevare il piede

a metà del gradino e indugiare in quella

posizione. L'energia impiegata per superare

via via gli scalini viene accumulata come

energia potenziale di una posizione più elevata

rispetto al fondo delle scale. Questa energia

potenziale può essere trasformata in energia

cinetica spiccando un salto verso il basso:

l'impatto con il suolo sarà tanto più “violento”

quanto più alto è il punto di partenza.

I livelli energetici negli atomi sono paragonabili

ai gradini di una scala. Occorre fornire energia

perché un elettrone abbandoni il suo stato normale

(o livello fondamentale) e salti in un livello di

energia maggiore. Poiché un elettrone non può

occupare una posizione intermedia tra i due

livelli,è necessario comunicargli una quantità

di energia ben definita per fargli compiere il salto

da un livello all'altro. Di solito l'elettrone ricade

spontaneamente al livello energetico più basso,

liberando esattamente la stessa quantità di

energia che aveva acquistato,anche se spesso

in una forma diversa,per esempio luce o calore.

Questo “salto di livelli energetici” si verifica

nelle lampade a fluorescenza. La corrente elettrica,

passando attraverso il gas che riempie la

lampadina,fornisce l'energia necessaria perché

gli elettroni negli atomi del gas saltino in livelli

a maggior contenuto energetico;ritornando

immediatamente dopo al livello originario,

emetteranno onde luminose associate a

un determinato valore di energia,cui corrisponde

un calore (lunghezza d'onda) specifico.

Questo oscillare tra due livelli continua finché

nella lampadina passa corrente. Per ogni elemento

esistono determinati livelli energetici tra i quali

i suoi elettroni possono saltare,emettendo ogni

volta onde luminose caratteristiche di un

determinato colore,lo stesso impartito alla

lampada a fluorescenza,giallo è riempita di

vapori sodio,violetto se lo è di vapori di mercurio,

rosso se lo è di neon. Il fenomeno interessa

anche la biologia. Nella fotosintesi,l'energia

della radiazione solare sposta gli elettroni

nelle molecole di clorofilla dal loro livello abituale.

Quando gli elettroni eccitati tornano ai livelli

iniziali,una parte dell'energia in eccesso viene

sfruttata per sintetizzare zucchero da biossido di

carbonio e acqua.

LA REATTIVITÀ DEGLI ATOMI. Quasi tutti

gli atomi possono reagire con altri atomi per formare

molecole,secondo questo principio fondamentale:

un atomo è stabile (cioè non reagisce con altri atomi)

quando il suo livello elettronico più esterno è

completamente pieno o completamente vuoto.

Consideriamo i due atomi più piccoli,idrogeno ed

elio. L'idrogeno possiede un protone nel nucleo e

un elettrone nel primo livello,che ne può accogliere

due. L'elio ha due protoni nel nucleo e due elettroni

che saturano il livello più esterno. Secondo quanto

appena affermato,gli atomi di elio,con un livello

completo ,dovrebbero essere stabili,mentre quelli

di idrogeno,con un livello vuoto per metà,dovrebbero

possedere una notevole reattività. Ed è proprio così,

come dimostra anche il fatto che per gonfiare i

palloni aerostatici si usa preferibilmente l'elio,

più stabile. L'idrogeno,invece,si combina in

maniera esplosiva con l'ossigeno,come dimostrò

nel 1937 la tragedia del dirigibile Hinderburg,

nel cui rogo a Lakehurst,nel New Jersey,trovarono

la morte 36 persone.

Gli atomi della maggior parte degli elementi

di importanza biologica possiedono orbitali

nei livelli esterni in grado di ospitare otto

elettroni,ma che di fatto (negli atomi neutri,

isolati) sono riempiti in parte:è proprio per questo

motivo che gli atomi reagiscono uno con l'altro.