Chimica Appplicata Ai
Sistemi Biologici
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Moodle
TESTI CONSIGLIATI
• Metodi fisici in Chimica
Organica (GF Pedulli, Ed.
PICCIN)
•Identificazione
spettrometrica di composti
organici (Rober M. Silverstein )
SPETTROSCOPIA
Spettro elettromagnetico
Radiazioni elettromagnetiche (r.e.m)
Modello classico e quantistico
Assorbimento di r.e.m
Emissione di r.e.m.
Spettroscopia di assorbimento
Spettroscopia di emissione
Il Nobel per la Chimica
2012: Robert J. Lefkowitz e a Brian K. Kobilka "per gli studi sui
recettori accoppiati alle proteine G", uno dei più importanti
strumenti attraverso cui le cellule rilevano le condizioni
dell'ambiente circostante»
2014: Eric Betzig, Stefan W. Hell e William E. Moerner «per lo
sviluppo della microscopia in fluorescenza in super risoluzione",
che consente di guardare le strutture cellulari con dettaglio prima
impensabile»
2015: Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar per aver
mappato e spiegato il meccanismo attraverso il quale le cellule
riparano il proprio DNA e salvaguardano l'informazione genetica
BIOLOGIA MOLECOLARE
• studia gli esseri viventi a livello dei meccanismi molecolari alla base della
loro fisiologia, concentrandosi in particolare sulle interazioni tra le macromolecole,
ovvero proteine e acidi nucleici (DNA e RNA).
• Per biologia molecolare si intendono spesso una serie di tecniche che consentono la
rilevazione, l'analisi, la manipolazione, l'amplificazione (PCR) e la copia
(clonaggio) degli acidi nucleici.
BIOLOGIA MOLECOLARE
• studia gli esseri viventi a livello dei meccanismi molecolari alla base della
loro fisiologia, concentrandosi in particolare sulle interazioni tra le macromolecole,
ovvero proteine e acidi nucleici (DNA e RNA).
• Per biologia molecolare si intendono spesso una serie di tecniche che consentono la
rilevazione, l'analisi, la manipolazione, l'amplificazione (PCR) e la copia
(clonaggio) degli acidi nucleici.
Il campo della biologia molecolare si interseca anche con altre
discipline non biologiche:
Ad esempio
Informatica
per l'elaborazione
dell'enorme mole di dati
che vengono prodotti
Biologia
molecolare
Fisica
nello studio delle
biomolecole a livello di
struttura tridimensionale
(biologia strutturale).
Struttura
ESEMPIO: RICONOSCIMENTO MOLECOLARE
E’ il punto di partenza per quasi tutti i processi
biologici.
Un modello di riconoscimento tra molecole
biologiche
prevede
che
le
molecole
interagiscono in una maniera altamente
specifica: modello CHIAVE-SERRATURA (Fisher e
Ehrilch)
Attivita’
Struttura
ESEMPIO: RICONOSCIMENTO MOLECOLARE
E’ il punto di partenza per quasi tutti i processi
biologici.
Un modello di riconoscimento tra molecole
biologiche
prevede
che
le
molecole
interagiscono in una maniera altamente
specifica: modello CHIAVE-SERRATURA (Fisher e
Ehrilch)
Attivita’
Spettroscopia
Studia le proprietà della materia attraverso l’interazione con
diverse componenti dello spettro elettromagnetico
Riflessione
Si verifica quando la luce incontra una superficie lucida, per esempio uno specchio.
Il raggio che proviene dall'oggetto, (chiamato raggio
incidente), e il raggio che ritorna dalla superficie
lucida (chiamato raggio riflesso), formano angoli
uguali con la superficie riflettente.
Rifrazione
cannucce
È un fenomeno dovuto alla diversa
velocità della luce in mezzi diversi: il
passaggio da un mezzo a bassa densità
come l'aria a un mezzo a densità elevata
come l'acqua ne riduce la velocità e ne
causa la deviazione (eccetto nel caso in
cui entri perpendicolarmente alla
superficie del mezzo).
Dispersione e rifrazione della luce solare
contro le pareti delle gocce.
Quando LA LUCE incontra la materia vi è
sempre una interazione; la natura di questa
interazione può variare da un caso all’altro.
Che cosa è la luce?
Il termine luce si riferisce alla porzione dello spettro
elettromagnetico visibile dall'occhio umano, approssimativamente
compresa tra 400 e 700 nm di lunghezza d’onda, ovvero tra 790
e 435 THz di frequenza.
Che cosa è lo spettro elettromagnetico?
In fisica, indica l'insieme di tutte le possibili frequenze delle radiazioni
elettromagnetiche
Che cosa è una radiazione elettromagnetica?
una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio ad altissima velocità
Spettro elettromagnetico
Radiazione del visibile
Spettroscopia
Radiazione Elettromagnetica
Che cosa è la radiazione elettromagnetica?
una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio
ad altissima velocità.
Teoria ondulatoria
Venne formulata da Christian Huygen
(1629-1695)
Teoria ondulatoria
La radiazione elettromagnetica è composta da onde
elettromagnetiche, consistenti, cioè, nell'oscillazione
concertata di un campo elettrico e di un campo
magnetico. Queste onde si propagano in direzione
ortogonale a quella di oscillazione
Radiazione Elettromagnetica
Le onde elettromagnetiche sono definite
da alcuni parametri quali:
lunghezza
ampiezza
frequenza
velocità di propagazione
energia
intensità
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
l= lunghezza d’onda
l
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
l= lunghezza d’onda
Nel SI l’unita’ di misura e’ il metro (m).
Per lunghezze d’onda corte si usano i
prefissi:
p
10-12
pico
n
10-9
nano
μ
10-6
micro
m
10-3
milli
c
10-2
centi
l
Si usa anche l’Angström (Å)
che corrisponde a 10-10 m.
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
l= lunghezza d’onda
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
n = frequenza
Nel SI l’unita’ di misura e’ l’Hertz (Hz, ha le dimensioni di s-1).
Corrisponde al numero di cicli al secondo.
Si usano i prefissi:
M
106
mega
G
109
giga
T
1012
tera
P
1015
peta
E
1018
exa
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
c=velocità
c=ln=2,9979*108 m/s
Radiazione Elettromagnetica
Proprietà delle onde
E=energia
E=hn
h=6,62618*10-34 J s
Costante di Planck
la quantità di energia trasportata per
unità di tempo e di superficie
ortogonale alla direzione di
propagazione.
Intensità
(legata all’ ampiezza dell’onda)
Joule su metri quadrati al
secondo (J/(m2·s)).
Radiazione Elettromagnetica
http://www.youtube.com/watch?v=snNwE6txxP0
Modello corpuscolare
Venne formulata da ISAC NEWTON (1642-1727)
Sia la teoria ondulatoria che quella
corpuscolare sono in grado di spiegare
ugualmente bene fenomeni luminosi
quali riflessione e rifrazione
La RIFLESSIONE
La RIFRAZIONE
La forza produce un cambiamento di velocità e la velocità
aumenta passando da un mezzo meno denso ad uno più denso.
La RIFRAZIONE
Chi ha ragione?
Misurare la velocità della luce
Misurò la velocità della
luce tramite il
suo interferometro
E dimostrò che passando
da un mezzo meno denso
ad uno più denso la
velocità della luce
diminuisce
Fizeau ( 1819-1896)
DIFFRAZIONE
È un fenomeno tipico delle onde,
che non si spiega con il modello corpuscolare della luce.
DIFFRAZIONE
È un fenomeno tipico delle onde,
che non si spiega con il modello corpuscolare della luce.
Si ha diffrazione quando la luce non si propaga in
linea retta e invade quella che dovrebbe essere una
zona d’ombra.
Il modello corpuscolare
non va bene in quanto
prevede che i corpuscoli di
luce si propaghino sempre
in linea retta.
Facciamo il punto
La teoria della luce di Newton si fondava sulle affermazioni
seguenti:
• La luce è composta da piccolissime
particelle di materia emesse da sostanze
luminose in tutte le direzioni.
• Tali particelle vengono liberate dai
corpi luminosi e si propagano in linea
retta (in un mezzo omogeneo).
Facciamo il punto
Newton riuscì a spiegare:
– riflessione,
– differenze di colore,
– propagazione della luce dal Sole alla Terra.
• La teoria corpuscolare però non poteva dare una spiegazione a:
– assorbimento della luce dei corpi opachi
– rifrazione
– diffrazione e interferenza.
Thomas Young
Agli inizi del XIX secolo, Thomas
Young fu in grado di verificare con la
necessaria precisione sperimentale che
la luce filtrata attraverso due
piccole
fenditure parallele in uno
schermo
opaco,
di
larghezza
sufficientemente piccola in confronto
alla lunghezza della luceincident,era in
grado di produrre un fenomeno di
interferenza del tutto analogo a
quello prodotto da due sorgenti di
onde circolari.
Effetto fotoelettrico
Nel tardo 800 i risultati di alcuni esperimenti indicavano che, quando la luce
ultravioletta colpiva una superficie metallica, questa emetteva elettroni.
Ciò accadeva solo con luce ultravioletta
Con raggi di luce di frequenza più piccola (lunghezza d'onda più lunga) il
fenomeno non si verificava.
Secondo la teoria corpuscolare i fotoni
possono provocare l’espulsione degli
elettroni atomici oppure possono venire
assorbiti cedendo l’energia che trasportano.
Nell'ambito della fisica classica i risultati sperimentali potevano essere spiegati con l'idea che:
quando le onde luminose colpivano gli elettroni, questi si sarebbero messi a VIBRARE fino a
quando non avessero raggiunta l'energia sufficiente per essere emessi dalla piastra.
Tuttavia ci sono dei punti deboli in questa spiegazione.
• Si ha emissione fotoelettrica solo se le frequenza della radiazione incidente è superiore al
valore della soglia fotoelettrica precedentemente citata.
• L’energia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della radiazione incidente e
non dalla sua intensità.
•Il numero degli elettroni emessi per unità di tempo aumenta all’aumentare dell’intensità della
radiazione elettromagnetica incidente.
I Fotoni
La teoria dei quanti di luce, o fotoni, fu
proposta da Albert Einstein nel 1905 a
seguito dei suoi studi sull’effetto fotoeletrico.
Per i suoi studi sull’effetto fotolerttrico e la conseguente
scoperta dei quanti di luce, Einstein ricevette il Premio
Nobel in Fisica nel 1921.
Questa ipotesi spiega i risultati ottenuti sperimentalmente.
Appena un fotone con sufficiente energia colpisce un elettrone, l'elettrone l'assorbe ed
acquisisce una energia sufficiente a liberarsi dei suoi legami atomici. La quantità minima di
energia necessaria a causare ciò corrisponde direttamente alla frequenza critica menzionata
sopra. E quando il fotone ha maggior energia rispetto a quella richiesta, quella energia in più
viene convertita in energia cinetica
Modello corpuscolare
la radiazione è descritta come un flusso di particelle
discrete, o pacchetti d’onde, chiamati fotoni. Da una
parte, i fotoni hanno caratteristiche simili a quella di
un onda (es. hanno una frequenza e danno fenomeni
di interferenza), dall’altra hanno proprietà simili a
quella di una particella.
L’energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della
radiazione elettromagnetica a cui appartiene:
E=hn
Radiazione Elettromagnetica
1923: Un terzo tipo di interazione tra la radiazione e la materia venne
descritto in maniera semplice e soddisfacente da Arthur Holly
Compton, il quale riprese l'idea di Einstein che la luce fosse costituita
da particelle dotate di energia e impulso.
Quest'ultima era la prova definitiva che
convinse la comunità scientifica circa la
NATURA CORPUSCOLARE
DELLA LUCE.
Radiazione Elettromagnetica
Emerse quindi un nuovo modello del campo elettromagnetico,
descritto dalla MECCANICA QUANTISTICA:
la luce, accanto alle proprietà ondulatorie
classiche, in determinate condizioni, manifesta
anche proprietà corpuscolari.
Questi "quanti di luce" di cui è composta la
radiazione elettromagnetica sono detti fotoni
Quantizzazione di Energia
Base comune di tutte le forme di spettroscopia è il
concetto di transizione:
il passaggio di un atomo o molecola da uno
stato energetico ad un altro.
L’interazione tra energia radiante e materia
segue differenti meccanismi a seconda della
radiazione impiegata
Quantizzazione di Energia
Rotazione
in virtù’ della rotazione intorno al suo
centro di massa
Vibrazione
per gli spostamenti periodici
degli atomi dalla loro posizione
di equilibrio
Elettronica
poiché gli elettroni intorno
all’atomo o quelli di legame
sono in continuo movimento.
Quantizzazione di Energia
L’energia interna delle molecole è quantizzata (sono permessi solo valori
finiti) e l’energia di ogni molecola poliatomica deriva da diversi contributi :
Etot = Etras + Erot + Evib +Eele+ Eelv + En
•Etras = Energia traslazionale dovuta al movimento dovuta al movimento traslazionale
della molecola della molecola
•Erot = Energia rotazionale dovuta al movimento di rotazione della molecola
•Evib = Energia vibrazionale dovuta alle vibrazioni cui sono soggetti gli atomi della
molecola
•Eele = Energia dovuta agli elettroni di non legame (interni)
•Eelv = Energia dovuta agli elettroni di valenza
•En = Energia nucleare legata all’energia delle particelle che compongono il nucleo
Ognuno dei termini energetici ha valori quantizzati e
compresi in un intervallo di valori di energia paragonabile alle
energie delle differenti zone dello spettro elettromagnetico.
Primo livello elettronico
eccitato
DE1 >DE2 >DE3
DE1
DE3
DE2
Livello elettronico fondamentale
Livelli rotazionali
Livelli vibrazionali
Eccitazione e Rilassamento
Primo livello elettronico
eccitato
e-
Eccitazione
assorbimento
eLivello elettronico fondamentale
Eccitazione e Rilassamento
Rilassamento non radioattivo:
Primo livello elettronico
l’energia viene trasferita mediante piccole collisioni alle
eccitato ma senza emissione di fotoni. C’è un
molecole circondanti,
piccolo aumento di temperatura nel mezzo.
Rilassamento radioattivo (EMISSIONE):
l’energia viene trasferita mediante emissione di fotoni.
Si può raggiungere uno stato intermedio di decadimento
termico e riemissione di una radiazione con frequenza
minore della radiazione che provoca l’eccitazione, si parla
in questo caso di fluorescenza e di fosforescenza.
In alcuni casi, l’energia elettromagnetica assorbita è
rilassata interamente in forma di radiazione con frequenza
diversa, si ha allora la diffusione per effetto Raman.
Rilassamento
emissione
Spettroscopia
Spettroscopia di assorbimento
studia l’assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte
di atomi e molecule.
Spettroscopia
Spettroscopia di emissione
studia l’emissione di radiazione elettromagnetica da
parte di atomi e molecole.
Spettroscopia
Tanto la spettroscopia di emissione
quanto quella di assorbimento
forniscono identica informazione
circa gli intervalli che separano i
livelli energetici; la scelta di una
tecnica rispetto ad un’altra poggia su
considerazione di ordine pratico.
Spettroscopia
Spettro d’Assorbimento
Asse X
Asse Y: l’assorbimento
Domande di riepilogo:
Che
cosa si intende per spettro
elettromagnetico ?
Che cosa si intende per radiazioni
elettromagnetiche (r.e.m)?
Come viene descritta la rem secondo il
modello classico?
Come viene descritta la rem secondo il
modello quantistico?
Che cosa succede alla materia quando
avviene assorbimento di r.e.m?
Che cosa succede alla materia quando
