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Lez. n. 2: Molecole e Legami
I legami si formano quando gli atomi condividono elettroni o quando gli elettroni sono trasferiti: ceduti o acquistati;
due o più atomi formano una molecola quando si legano tra loro condividendo elettroni.
Il legame chimico è la forza attrattiva che lega tra loro due o più atomi in una molecola.
Esistono vari tipi di legame chimico, ma quelli più forti sono il risultato della tendenza di un atomo a raggiungere
la stabilità riempiendo i suoi orbitali più esterni.
Legame covalente
Il legame covalente si forma quando gli atomi condividono una o più coppie di elettroni, ogni atomo contribuisce con un
elettrone a formare una coppia. I legami covalenti costituiscono la maggior parte dei legami che tengono uniti tra loro
gli atomi in una molecola.
Conoscendo il numero degli elettroni non appaiati posseduti da un atomo nel suo livello energetico esterno si può prevedere
quanti legami covalenti potrà formare un atomo; con il legame covalente gli atomi raggiungono la configurazione elettronica
stabile dello strato più esterno, mettendo in comune uno o più coppie di elettroni.
Un atomo di Idrogeno H ha un solo protone nel suo nucleo ed un solo elettrone nello strato più esterno, avendo un solo
elettrone da condividere può formare un unico legame covalente.
Il Carbonio C ha 6 protoni nel nucleo e 6 elettroni, 2 elettroni occupano lo strato più interno (primo livello energetico)
e 4 quello più esterno (secondo livello energetico), il secondo livello ha spazio per 8 elettroni, quindi ha 4 posti liberi
e, poiché un atomo raggiunge la massima stabilità quando il suo livello energetico più esterno è completamente occupato,
il Carbonio può formare quattro legami covalenti, perché può condividere tutti e 4 gli elettroni dello strato più esterno.
L’Ossigeno O ha 8 elettroni, 2 elettroni occupano completamente lo strato più interno e 6 lo strato più esterno, che può
ospitare 8 elettroni, quindi l’Ossigeno può formare 2 legami covalenti.
Nella molecola dell’acqua H2O due atomi di Idrogeno condividono i due elettroni con i due elettroni dell’Ossigeno.
Nella molecola del metano, qui sotto raffigurata
CH4 un atomo di Carbonio si combina con 4 atomi di Idrogeno;
ogni atomo di Idrogeno condivide
il suo elettrone con uno dei quattro elettroni del Carbonio.
Gli atomi possono condividere anche due coppie di elettroni formando così un doppio legame.
Gruppi funzionali
Nelle molecole biologiche vi sono combinazioni di atomi detti gruppi funzionali che ricorrono ripetutamente. Gli atomi nei
gruppi funzionali tendono a muoversi da una molecola all’altra come se fossero un’unica entità; ad esempio il gruppo OH,
presente in molte molecole biologiche, è aggiunto o rimosso come gruppo e non come singoli atomi di Idrogeno o di Ossigeno.
Il gruppo OH è presente negli alcooli, un esempio è dato dall’etanolo o alcol etilico: CH3CH2OH.
Gli zuccheri contengono sia gruppi ossidrilici –OH che gruppi carbonilici –C==O, nei quali il carbonio è legato con un
doppio legame covalente all’ossigeno.
Quando il gruppo carbonilico si lega ad un idrogeno e ad un altro carbonio si forma un gruppo aldeidico, quando il gruppo
carbonilico si lega a due atomi di carbonio si forma un gruppo chetonico
Il gruppo carbossilico –COOH, che si comporta da acido perché cede ioni H+, presenta un carbonio legato con legame
covalente doppio all’ossigeno ed un gruppo ossidrile OH.
Il gruppo amminico –NH2 si comporta da base perché accetta ioni H+ producendo il gruppo ammonio –NH3+,
è presente negli aminoacidi, che presentano anche il gruppo carbossilico.
Il gruppo sulfidrilico -SH è presente nella catena laterale di due aminoacidi (metionina e cisteina), è presente nei tioli.
Quando due gruppi SH reagiscono tra loro perdono i due atomi di idrogeno formando un legame covalente tra i due atomi di
zolfo: -S---S-, si forma così un legame disolfuro, che contribuisce a stabilizzare la struttura tridimensionale delle proteine.
Il gruppo fosfato -OPO3—si trova negli acidi nucleici:
DNA (acido deossiribonucleico) e RNA (acido
ribonucleico), molecole depositarie dell’informazione genetica, e nelle molecole come l’ATP (Adenosin TriFosfato) che
intervengono nelle reazioni di trasferimento dell’energia, l’idrolisi (rottura con l’acqua) dei gruppi fosfato è una
reazione che libera energia.
Molecole polari e apolari
Le coppie di elettroni condivise nei legami covalenti non sono sempre condivise in modo equo tra gli atomi legati; in alcune
molecole il nucleo di un atomo può esercitare un’attrazione maggiore rispetto a quella esercitata dall’altro atomo. La coppia
di elettroni stazionerà più tempo vicino al nucleo che ha attrazione maggiore, dando a tale atomo una leggera carica negativa;
l’atomo che è più lontano dagli elettroni presenterà una leggera carica positiva.
Le molecole che presentano regioni di
parziale carica positiva e negativa sono dette molecole polari, perché presentano un polo positivo e uno negativo.
L’acqua H2O è un esempio di molecola polare. L’idrogeno si lega covalentemente con l’ossigeno, gli elettroni
sono trattenuti con maggior forza e per più tempo vicino al nucleo dell’ossigeno, quindi i due atomi di Idrogeno avranno
una parziale carica positiva e l’atomo di Ossigeno avrà una parziale carica negativa.
(Le cariche parziali sono
rappresentate con la lettera greca δ+ e δ-. La carica netta della molecola è zero.
Le molecole polari sono molecole i cui elettroni sono distribuiti equamente, così che non sono presenti regioni a parziale
carica positiva o negativa.
Molecole formate da atomi di Carbonio ed Idrogeno tendono a formare legami non polari.
La polarità di una molecola è importante per determinare la solubilità in acqua: le molecole polari si sciolgono in acqua,
le molecole apolari no.
Radicali liberi ed Antiossidanti
Un radicale libero è una molecola con almeno un elettrone non appaiato.
Gli elettroni sono più stabili quando sono in coppia, per tale motivo tendono a “rubare” un elettrone da un’altra molecola.
La molecola che perde l’elettrone rimane appunto
con l’elettrone spaiato e diventa quindi anch’essa un radicale libero,
perciò si ha una reazione a catena di produzione di radicali liberi nell’organismo
che può turbare la funzionalità della cellula.
Le radiazioni, provenienti da fonti naturali:
quelle ultraviolette del sole o artificiali:
i forni a microonde o i televisori, modificano la distribuzione
degli elettroni in alcune molecole creando appunto radicali liberi. Si pensa che i radicali liberi contribuiscano
all’invecchiamento e allo sviluppo di alcuni tumori.
Le molecole antiossidanti fermano la reazione a catena fornendo elettroni, senza diventare però radicali liberi.
Antiossidanti
naturali sono presenti nella frutta e nella verdura, le vitamine C ed E.
Legami ionici
Quando un atomo o una molecola acquista o perde uno o più elettroni forma uno ione.
Una molecola che prende un elettrone acquista una carica negativa per ogni elettrone preso in più ed è detta anione, esempi
di anioni sono lo ione cloruro Cl-, lo ione bicarbonato HCO3- con una carica negativa, lo
ione fosfato HPO42- e lo ione solfato SO42- con due cariche negative.
La molecola che perde elettroni acquista una carica positiva per ogni elettrone perso ed è dovuta al fatto che i protoni
vengono lasciati con un numero non corrispondente di elettroni; gli ioni carichi positivamente sono detti cationi, esempi
sono lo ione sodio Na+, potassio K+, idrogeno H+, Ca2+, Mg2+ e lo
ione ammonio NH4+.
HCO3-, HPO42-, SO42- e NH4+ sono gruppi di
atomi legati covalentemente e dotati di carica elettrica e sono detti ioni complessi.
Il legame ionico si forma tra un catione ed un anione e consiste nell’attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta
(particelle di segno opposto si attraggono, di segno uguale si respingono).
Un atomo di sodio Na ha un solo elettrone nel suo livello più esterno, quindi è in una condizione di forte instabilità;
l’atomo di cloro Cl ha 7 elettroni (degli 8 elettroni che possono occupare il suo strato più esterno) nel suo livello più
esterno ed è anch’esso instabile.
Reagendo tra loro sodio e cloro raggiungono una situazione energetica stabile, il cloro,
che è molto elettronegativo, prende un elettrone al sodio, il cloro diventa un anione ed il sodio un catione, così il
guscio elettronico più esterno del sodio è completo e quindi stabile, così come il sodio.
Legami idrogeno
Il legame idrogeno è una attrazione debole che si stabilisce tra un atomo di idrogeno e un atomo di ossigeno o azoto o fluoro. Il legame idrogeno si stabilisce tra gli atomi di molecole vicine o tra atomi che si trovano all’interno di una stessa molecola.
Nelle proteine i legami di idrogeno permettono il ripiegamento della proteina su se stessa, creando una struttura tridimensionale, essenziale per la funzione della molecola.
Legami idrogeno si stabiliscono tra le molecole di acqua, il polo positivo dell’idrogeno di una molecola di acqua è attratto dal polo negativo dell’ossigeno di altre molecole di acqua, fino a quattro molecole, così le molecole si allineano in modo ordinato.
Il legame idrogeno dell’acqua è responsabile della tensione superficiale dell’acqua.
Le forze di attrazione tra le molecole di acqua fanno sì che assuma la forma sferica di una gocce quando cade o che si raggruppi in goccioline su una superficie non assorbente. Inoltre tali deboli forze di attrazione rendono difficile separare le molecole di acqua, basta osservare un bicchiere bagnato
che si “incolla” su di un tavolo a causa di un sottile strato di acqua.
Forze di van der Waals
Le forze di van der Waals sono legami più deboli dei legami idrogeno e sono attrazioni tra nuclei di atomi ed elettroni di atomi vicini. Due atomi che si attraggono debolmente tra loro si avvicinano fino al punto che i loro elettroni iniziano ad allontanarli; le forze di van der Waals permettono agli atomi di unirsi e occupare la minima quantità di spazio.
Molte forze di van der Waals integrano i legami idrogeno che mantengono le proteine nella loro forma tridimensionale.
Mukkola on web Pina Vitelli
Gli articoli del sito hanno mero carattere didattico-divulgativo e non sono consigli medici, nè prescrizioni
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