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.

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