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2. legami chimici - E

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Biologia Molecolare e Cellulare D'Addario
25/02/14
2. I legami chimici contiene materiale protetto da copyright, ad esclusivo uso personale; non è
consentita diffusione ed utilizzo di tipo commerciale
Il legame chimico è la forza attrattiva che si stabilisce tra due o più atomi, uguali o diversi, che consente loro di unirsi formando molecole o aggregati cristallini La forza di un legame si misura in termini di energia: L energia di legame è quella quantità di energia necessaria a spezzarlo: §  + legame forte è
> energia di legame §  si misura in chilocalorie (Kcal) Una caloria (cal) equivale alla quantità di calore richiesto per aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua da 14,5°C a 15,5°C. (una kilocaloria equivale a 1000 cal) 1
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Possiamo suddividere i legami chimici in due grandi gruppi in relazione alla loro energia di legame: di tipo forte (centinaia di Kcal/mole) di tipo debole (poche Kcal/mole). LEGAME CHIMICO ELETTRONEGATIVITA SECONDARI FORZE DI DISPERSIONE PRIMARI METALLICO IONICO DIPOLO-­‐DIPOLO IONE-­‐DIPOLO COVALENTE 2
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ELETTRONEGATIVITA TENDENZA DI UN ATOMO DI ATTIRARE UNA COPPIA DI ELETTRONI DI LEGAME DETERMINANDO COSI IL TIPO DI LEGAME CHE SI VIENE A FORMARE. DERIVA DA ALTRE DUE GRANDEZZE I. 
II. 
Energia di ionizzazione: l energia necessaria per allontanare un elettrone, trasformando l atomo in uno ione positivo. Affinità elettronica: energia liberata quando si acquista un elettrone (ione negativo) •  Legame primario: è il legame responsabile delle stru2ure metalliche, dei compos6 ionici, e dei compos6 covalen6 (molecole) ed è quindi rela6vo alla composizione delle sostanze. E dovuto alle interazioni tra gli ele2roni del guscio più esterno (ele2roni di valenza) •  Legame secondario: è un legame che non modifica la composizione delle sostanze, è cara2eris6co dei soli compos6 covalen6, si stabilisce tra le molecole ed è responsabile dello stato di aggregazione e della solubilità delle sostanze. 3
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Legame primario
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Legame covalente è il legame che si realizza fra due atomi me3endo in comune due o più ele6roni delle orbite esterne. E' il 6pico legame che troviamo nei compos7 organici: C – C , C – N , C = O , S – S , etc. legame molto forte (50 100 kcal/mole) e viene comunemente indicato nelle formule con un tra6o con7nuo. La condivisione degli elettroni può essere: -­‐ uniforme (legame covalente puro) -­‐ prevalente su uno dei due atomi (legame covalente polare) se gli elettroni provengono solo da un atomo abbiamo un legame covalente dativo, (l atomo che mette a disposizione gli elettroni si dice donatore e l altro accettore) Per valutare la polarità di un legame si calcola la differenza di elettronegatività (De) degli atomi impegnati nel legame: 1.  atomi uguali De = 0 legame è covalente puro 2.  atomi diversi De ≈ 0 legame covalente apolare 3.  atomi diversi 0 < De ≤ 1,9
legame covalente polare L atomo consiste di un nucleo circondato da una nuvola elettronica Il nucleo denso carico positivamente contiene la > parte della massa atomica Gli elettroni (e-­‐), carichi negativamente, occupano lo spazio intorno al nucleo B. Alberts: L'essenziale di Biologia Molecolare della cellula. Zanichelli
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Il nucleo di ogni atomo è fatto sia di protoni carichi positivamente che di neutroni neutri numero di elettroni = numero di protoni atomo privo di carica netta B. Alberts: L'essenziale di Biologia Molecolare della cellula. Zanichelli
Configurazione eleDronica dei primi 18 elemen3 3 livelli energe3ci: il primo è completo con 2 e-­‐, il secondo ed il terzo con un massimo di 8 e-­‐. Man mano che sono aggiun3, gli e-­‐ occupano prima i livelli a minor contenuto energe3co. Il guscio di valenza è il livello energe3co più esterno occupato da e-­‐. Nel guscio di valenza si possono trovare e-­‐ dispari ed e-­‐ pari 5
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GUSCIO di VALENZA e LEGAMI COVALENTI •Gli atomi si incontrano e meDono in comune gli e-­‐ del loro guscio di valenza. •Gli atomi cercano di appaiare i propri e-­‐ perchè così diventano più STABILI •Il numero dei legami che si può formare dipende dal numero degli e-­‐ che vi si trovano •Si possono formare così 1 o + legami chimici covalen3. essi formano cosi LE MOLECOLE B. Alberts: L'essenziale di Biologia Molecolare della cellula. Zanichelli
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Legame covalente singolo Legame covalente doppio Acqua Metano Legami chimici di tipo debole Legame ionico o ele6rosta7co : si stabilisce tra gruppi aven7 cariche eleDriche opposte (Na+ Cl-­‐ ) Ques3 gruppi possono appartenere a singoli atomi oppure a grandi molecole In ambiente anidro è più forte Diventa rela3vamente debole in ambiente acquoso Nelle proteine si realizza tra i gruppi polari di aminocidi basici carichi posi3vamente (Lys e Arg) e aminoacidi carichi nega3vamente (Glu e Asp). Legame idrogeno : Se l idrogeno (H) è legato a un atomo fortemente eleDronega3vo (O, N, F) ci sarà un aDrazione degli eleDroni di legame da parte di quest ul3mo. Si formerà così un dipolo di cui l H sarà la parte posi3va. E un legame debole (2-­‐ 10 kcal/mole) altamente direzionale richiedendo l allineamento degli atomi che lo formano. Viene comunemente indicato con una linea punteggiata. Il legame idrogeno si dice forte quando i tre atomi coinvol7 sono dispos7 in linea re6a. Se questa geometria perfeDa non è raggiunta e si formano angoli allora il legame si dice debole. 7
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LEGAME IONICO si forma in seguito al trasferimento di elettroni da un
atomo all altro dovuto ad un De > 1,9. Si forma una
coppia di ioni (positivo e negativo) che si attraggono
reciprocamente.
• trasferimento di un eleDrone dal sodio (Na) al cloro (Cl) •La forza aDraava delle cariche di segno opposto forma il legame ionico. •Non è una molecola come quella che si forma con il legame covalente B. Alberts: L'essenziale di Biologia Molecolare della cellula. Zanichelli
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LEGAMI SECONDARI v Legame dipolo-dipolo: forza di
attrazione tra il polo positivo di una
molecola e quello negativo della
molecola vicina
δ+
δ -
δ+
δ -
δ+
δ -
v Forze di London (di dispersione): in una
molecola apolare il movimento degli elettroni
determina la formazione di un dipolo istantaneo
che determina una piccolissima forza di
attrazione tra le molecole.
v  Leagame a idrogeno: è
un legame dipolo-dipolo
particolarmente forte che si
stabilisce tra molecole in cui
il polo positivo è sull H e
quello negativo su uno dei
seguenti atomi: F , O , N ,
Cl caratterizzati da una
elevata elettronegatività.
LEGAME IDROGENO: c è un atomo donatore e uno acceDore. Entrambi sono atomi molto eleDronega3vi. Il donatore (d-­‐) è legato in modo covalente con l atomo di idrogeno che quindi fa da tramite in quanto è carico posi3vamente (d+). L acceDore è un altro atomo eleDronega3vo, cioè ha la caraDeris3ca di aarare fortemente gli eleDroni su di sé. Così l acceDore essendo un po nega3vo ben si lega all idrogeno un po posi3vo del donatore. 9
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I 3pi più comuni di legame idrogeno nei sistemi biologici : Gli atomi impegna3 nei legami idrogeno sono a loro volta lega3 in modo covalente ad altri atomi E proprio la presenza del legame covalente e della forte eleDronega3vità di uno di essi che produce asimmetrica distribuzione degli eleDoni (dipolo) e successivamente il LEGAME IDROGENO. Forze di van der WAALS : avvengono tra tuF gli atomi lega7 covalentemente responsabili di generiche forze a6raFve tra i nuclei e gli eleDroni degli atomi Dipendono dalla distanza a cui gli atomi si trovano tra loro Se gli atomi sono troppo vicini prevalgono le forze di repulsione. Sono forze che variano ad ogni momento Legame idrofobico : avviene tra diverse molecole le catene apolari lipofile tendono a restare vicine e a sfuggire l acqua, che viene allontanata da queste molecole. Sono molecole nella cui struDura sono presen3 serie di mol3 atomi di carbonio e idrogeno e mancano atomi eleDronega3vi, come 0 e N. E un legame assai debole (2-­‐ 5 kcal/mole) ed è 3pico delle catene laterali degli aminoacidi apolari (alanina, valina, leucina, fenilalanina, etc.) il cui contenuto nelle proteine è generalmente assai elevato (35 – 50 %). 10
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FORZE di van der Waals Energia di interazione tra 2 par3celle che si avvicinano è in funzione della distanza dai loro centri ( r ): c è una distanza precisa a cui è massima l aDrazione Non possono compenetrarsi. COMPORTAMENTO DELLE BIOMOLECOLE nei confron3 dell ACQUA dipende naturalmente dalla loro composizione chimica. RispeDo al comportamento verso l acqua le molecole stesse (e non solo i legami chimici) prendono il nome di IDROFILICHE (che amano l acqua) IDROFOBICHE (che sfuggono l acqua). Le molecole idrofiliche sono cos3tuite (oltre che da C e H) anche da atomi che sono più eleDronega3vi (O, N). Ques3 come sappiamo possono formare legami idrogeno o eleDrosta3ci con l acqua. Ecco perché le molecole idrofiliche amano l acqua e vi si disperdono bene. Le molecole idrofiliche sono anche chiamate POLARI. Le sostanze idrofobiche sono cos3tuite prevalentemente da atomi di C e H e NON contengono O o N. Non possono formare legami favorevoli con l acqua. Tendono a stare con altre molecole di natura chimica uguale o simile Le molecole idrofobiche sono anche chiamate molecole NON POLARI. Le molecole ANFIPATICHE possiedono entrambe le cara6eris7che idrofiliche e idrofobiche in par3 diverse della stessa molecola 11
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RIEPILOGO sui legami chimici • I legami covalen3 mantengono l impalcatura di una molecola : nelle macromolecole cos3tuiscono la struDura portante , quella che chiameremo la sua struDura primaria. • I legami deboli, cioè tuDe quelle forze che abbiamo definito non covalen3 sono anch esse indispensabili. Esse danno origine e mantengono la struDura tridimensionale che ogni macromolecola assume. • A seconda del 3po diverso di struDura tridimensionale, parleremo di struDura secondaria, terziaria e (talvolta) quaternaria di una macromolecola. • I legami non covalen3, pur non avendo molta forza di legame presi singolarmente, sono importan3 per una macromolecola perché se ne formano cen3naia inoltre sono di 3po coopera3vo cioè ogni legame che si forma aiuta il formarsi del successivo. • L acqua ha un ruolo fondamentale nei legami non covalen3. Essa si trova ovunque e partecipa direDamente ai legami (ionico, idrogeno) e indireDamente al legame idrofobico. 12
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FORZA del LEGAME CHIMICO Reazioni chimiche Sostanze dette reagenti subiscono una ridistribuzione degli atomi o degli ioni trasformandosi in sostanze di diversa natura dette prodotti cioè con rottura e formazione di legami chimici e con variazioni di energia. In ogni reazione chimica viene sempre rispettata la legge di conservazione della massa = la sommatoria delle masse dei reagenti è identica alla sommatoria delle masse dei prodotti 13
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Come variano nel tempo le concentrazioni dei composti nelle reazioni chimiche Reazioni esoergoniche E Prodotti < E Reagenti
assorbe calore
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Reazioni endoergoniche E Prodotti > E Reagenti
si libera calore
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