Biologia Applicata corso Integrato 01.12.2014 Di Pietro N

La chimica della vita:
i composti organici.
GRUPPI FUNZIONALI
Elementi più importanti
nella chimica organica
La Chimica Organica è la chimica del carbonio.
In chimica organica il carbonio forma sempre in totale 4
legami che possono essere di varia natura.
4 legami semplici
C
C
1 legame doppio e 2 semplici = 4 legami
C
1 legame triplo e 1 semplice = 4 legami
In chimica organica generalmente l’ossigeno forma in totale 2
legami che possono essere di varia natura
O
O
2 legami semplici
1 legame doppio
Generalmente l’azoto forma in totale 3 legami che possono
essere di varia natura
N
3 legami semplici
N
1 doppio e 1 semplice
N
1 legame triplo
L’idrogeno forma 1 legame.
H
1 legame semplice
In chimica organica generalmente lo zolfo forma in totale 2
legami che possono essere di varia natura
S
S
2 legami semplici
1 legame doppio
In chimica organica gli alogeni (F, Cl, Br, I) formano 1
legame.
X
X= F, Cl, Br, I
1 legame semplice
Il carbonio può formare legami di vario genere con ossigeno,
azoto, idrogeno, zolfo, alogeni, altri elementi o con altri
carboni.
C
H
C
Cl
C
O
H
H
C
N
C
C
C
O
H
ATTENZIONE: in questi esempi il C ha 1 solo legame e ne deve
formare altri 3, ma O, N, Cl e H hanno il massimo dei legami che
possono formare. Nel caso del C=O il carbonio forma due legami
sotto forma di 1 doppio legame.
Gruppi funzionali
I composti organici possono essere classificati in base a
specifiche caratteristiche strutturali identificate con il nome di
GRUPPO FUNZIONALE
la cui definizione è quella di una PORZIONE DI MOLECOLA CHE
HA UN COMPORTAMENTO CHIMICO SPECIFICO E CHE
PERMETTE ALLA MOLECOLA INTERA DI ESSERE
CLASSIFICATA IN UNA DATA CLASSE DI COMPOSTI.
Alcani
Gli alcani appartengono alla classe degli idrocarburi, ovvero
molecole costituite solo da carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi si
chiamano saturi perché tutti i carboni della catena della molecola
formano legami semplici.
Formula generale: CnH2n+2 con n=1,2,3…
Desinenza: -ano
H
H
C
H
1 carbonio
H
H
H
H
C
H
C
H
H
H
2 carboni
Etano
C2H6
CH3CH3
Metano
CH4
3 carboni
H
H
H
H
C
C
H
C
H
H
H
Propano
C3H8
CH3CH2CH3
H
H
H
H
H
H
C
C
C
H
C
H
H
H
H
Butano
C4H10
CH3CH2CH2CH3
H
4 carboni
CICLOALCANI
Ciclopropano
H
Ciclobutano
H
H
C
H
C
Ciclopentano
H
H
C
H
H
H
C
H
C
C
H
C
H
H
H
C
C
H
H
H
H
C
H
C
C
H
H
H
H
C
H
H
H
H
H
C
H
Cicloesano
C
H
Desinenza: ciclo -ano
C
H
H
C
C
H
H
H
H
ALCHENI
H
CH2
CH2
C
H
H
H
H
H
H
C
H
Etene
C2H4
Gli alcheni sono idrocarburi che contengono lungo la
catena uno o più doppi legami carbonio=carbonio. Per
questo motivo gli alcheni sono classificati come
idrocarburi insaturi.
Formula generale: CnH2n con n=2,3,4…
Desinenza: -ene
ALCHINI
1
2
HC
CH
2
1
2 3
HC
CCH3
1
Etino
Propino
Gli alchini sono caratterizzati dalla presenza di uno o
più tripli legami carbonio-carbonio e sono anch’essi
classificati come idrocarburi insaturi.
Formula generale: CnH2n-2 con n=2,3,4…
Desinenza: -ino
COMPOSTI AROMATICI
I composti aromatici presentano carattere aromatico che non si
limita ad un odore particolare o gradevole, ma comprende una
elevato grado di insaturazione unito ad una certa riluttanza a dare
alcune reazioni tipiche dei doppi legami carbonio-carbonio.
Benzene
Antracene
Gli elettroni in p sono delocalizzati
Conosciuto anche
come naftalina
Naftalene
IL BENZENE
GLI ELETTRONI DEI LEGAMI π DELL’ANELLO RISUONANO SULL’INTERA
STRUTTURA
DISLOCAZIONE ELETTRONICA NEL BENZENE
IL BENZENE È UN IBRIDO DI RISONANZA
DI QUESTE DUE FORME LIMITE.
I GRUPPI FUNZIONALI
I gruppi funzionali sono radicali molecolari che conferiscono particolari
proprietà alle molecole cui si legano, esempio:
Metano CH4 perde
un Idrogeno e si
trasforma in
- CH3
Radicale Metile
Se il radicale si lega al
gruppo funzionale – OH
avremo un alcol.
- OH Gruppo Ossidrilico
CH3- OH
Radicale
Alcol Metilico
o Metanolo
Gruppo Metilico
ALCOLI
Gli alcoli sono i composti, sicuramente, più familiari (Es: etanolo,
metanolo).
Il loro gruppo identificativo (gruppo funzionale) è un
ossidrile (-OH) legato a un gruppo alchilico R.
In generale un alcol può essere rappresentato nel seguente modo:
Gruppo
alchilico
R-OH
H
H
C
H
OH
Metanolo
oppure
Alcol metilico
H
Gruppo
ossidrilico
H
H
C
C
H
H
Desinenza: -olo
OH
Etanolo
oppure
Alcol etilico
ALCOLI
I composti che possiedono due, tre o più gruppi alcolici (-OH)
sono classificati come polioli e il suffisso da usare sarà -diolo (2
-OH), -triolo (3 -OH) ecc.
OH
OH
OH
OH
OH
CH 2
CH 2
CH 2
CH
CH 2
2
3
1
2
1,2-etandiolo
oppure
Glicole etilenico
1
1,2,3-Propantriolo
oppure
Glicerina, glicerolo
GLI ALCOLI HANNO UN GRUPPO –OH
CHE CONTROLLA GRAN PARTE DELLE LORO PROPRIETÀ
Regione di carica
negativa
Come l’acqua
attraverso il gruppo –OH
sono in grado di instaurare
legami ad Idrogeno
R
O
H
Il legame ad idrogeno richiede:
•una coppia solitaria di elettroni
•un legame polarizzato contenente
H
-
R
O
δ
H
δ+
Regione di carica
positiva
Legame polarizzato per la
differenza di
elettronegatività tra C ed O
R
O
δH
δ+
LA PRESENZA DEI DOPPIETTI DI NON LEGAME
E DELLA PARZIALE CARICA NEGATIVA SULL’OSSIGENO
RENDE GLI ALCOLI:
• BASI DI LEWIS = specie donatrice di una coppia di elettroni
• BUONI NUCLEOFILI = con forte tendenza a donare elettroni
ALDEIDI E CHETONI
Entrambi i composti sono caratterizzati dalla presenza di un
particolare gruppo funzionale che non abbiamo finora mai
incontrato, il GRUPPO CARBONILICO, in cui uno dei carboni della
catena principale è interessato in un
doppio legame con un ossigeno.
O
C
Gruppo
carbonilico
O
O
C
C
R
H
Aldeide
Desinenza: -ale
R
R'
Chetone
Desinenza: -one
ALDEIDI E CHETONI
Alcuni esempi famosi…
H
O
O
C
C
H
Formaldeide o
Formalina
Si usa spesso per conservare
inalterati gli organi evitando
la decomposizione…
H3C
CH3
Acetone
Famoso soprattutto per
rimuovere lo smalto dalle
unghie…
ALDEIDI e CHETONI
ACIDI CARBOSSILICI
Il gruppo funzionale che caratterizza gli acidi carbossilici è
fortemente assonante con il carbonile (-CO) di aldeidi e chetoni.
Al carbonio del carbonile, al posto di un H o un R’, però, è legato
un ossidrile. Pertanto, il gruppo funzionale risultante si chiama
GRUPPO CARBOSSILICO e si indica con -COOH oppure -CO2H.
O
O
O
C
C
C
OH
Gruppo
carbonilico
Gruppo
carbossilico
R
OH
Acido
carbossilico
Desinenza: acido -oico
ACIDI CARBOSSILICI
Alcuni esempi …
O
O
Acido formico
Acido acetico
C
C
H
OH
H3C
OH
O
O
C
C
OH
OH
HO
Acido ossalico
O
Acido benzoico
ACIDI CARBOSSILICI
ACIDI CARBOSSILICI
AMMINE
Possono essere considerate derivati organici dell’ammoniaca (NH3)
Un carbonio legato all’azoto
quindi ammina primaria
Due carboni legati all’azoto
quindi ammina secondaria
Tre carboni legati all’azoto
quindi ammina terziaria
CH 3
CH 3
CH 3
NH 2
CH 3
NH
CH 3
N
CH 3
Metilammina
(RNH2)
Dimetilammina
(R2NH)
Desinenza: -ammina
Trimetilammina
(R3N)
AMMINE
TIOLI
I tioli, come si può evincere dal nome stesso, sono
stretti parenti degli alcoli, ma presentano uno zolfo
(ecco spiegato il prefisso tio!) al posto dell’ossigeno e
possono essere genericamente indicati con RSH.
Gruppo
alchilico
CH3SH
Metantiolo
R-SH
Gruppo
tiolico
CH3CH2SH
Etantiolo
Desinenza: -tiolo
TIOLI
• meno polari degli alcoli per la minore
elettronegatività tra S (1,9) ed H (2,1)
differenza
di
• Non formano legami a idrogeno ed hanno quindi punti di fusione
e di ebollizione più bassi comparati ad alcoli con lo stesso
numero di atomi di carbonio
Butantiolo o butilmecarptano
C4H9
SH
tracce di butantiolo, vengono aggiunte al
metano per odorizzarlo e renderne
avvertibili le perdite dei metanodotti
Trans -2 – Butene – 1 - tiolo
SH
H2C
C=C
H
CH2
L’odore delle puzzole
ODORE
PROPRIETA’ COMUNI
Metantiolo o metilmercaptano
CH3
SH
odore ripugnante
degli scarichi gassosi delle raffinerie di petrolio
Propantiolo o propanmecarptano
C3H7
SH
odore dell’aglio e della cipolla
ALCUNI TIOLI BIOLOGICAMENTE
IMPORTANTI
Cisteina
HS-CH2-CH-COOH
NH2
Un amminoacido importante nella struttura delle proteine
Dimercaprolo= British Anti-lewisite (BAL)
Antidoto per avvelenamenti da
antimonio, arsenico, mercurio
H2C - SH
HC - SH
H2C - OH
FOSFATO
I Gruppi Fosfato sono costituenti
degli acidi nucleici e di alcuni lipidi
La chimica della vita:
i composti organici.
I LIPIDI
LIPIDI
Caratteristiche: sono costituiti da lunghe catene di atomi di carbonio,
idrogeno e ossigeno
sono comunemente chiamati grassi
sono untuosi al tatto
sono insolubili in acqua (idrofobi = “paura dell’acqua”)
Funzioni:
riserva energetica (molecole ad alto contenuto energetico;
si accumulano nel tessuto adiposo, ad esempio nel derma)
protezione meccanica per alcuni organi (cuore, fegato, reni....)
isolante termico (es. grasso animale)
impermeabilizzante (es. cere sulle penne degli uccelli)
funzione strutturale (nelle membrane cellulari fosfolipidi)
precursori di importanti molecole biologiche (ormoni, vitamine)
LIPIDI
ACIDI GRASSI
Gli acidi grassi sono lunghe molecole di idrocarburi
contenenti un gruppo –COOH
ACIDI GRASSI SATURI
ACIDI GRASSI INSATURI
(L’acido grasso più abbondante in natura)
I trigliceridi (detti anche grassi)
•Sono costituiti da una molecola di glicerolo + 3 catene di acidi grassi
•Sono rappresentati dai comuni grassi ed olii.
•Rappresentano una fonte energetica superiore rispetto ai carboidrati
•Si accumulano nel tessuto adiposo (grasso sottocuteneo).
•Svolgono anche la funzione di isolante termico.
Grassi di origine vegetale
liquidi a temperatura ambiente
(es. olio di oliva, olio di semi)
Grassi di origine animale
solidi a temperatura ambiente
(es. burro, lardo, grasso animale)
Acido oleico
Acido butirrico
TRIGLICERIDI
Grassi neutri o lipidi semplici
glicerolo + 1 acido grasso → monogliceride
glicerolo + 2 acidi grassi → digliceride
glicerolo + 3 acidi grassi → trigliceride
FOSFOLIPIDI
FOSFOLIPIDI
Interazione Idrofobica
Le interazioni idrofobiche fanno in
modo che molecole (o gruppi
atomici) apolari si avvicinino tra
loro, evitando il contatto con
l’acqua.
Studio della struttura delle
membrane biologiche: i modelli
Membrane cellulari: Modello spaziale del doppio strato lipidico
Teste polari
Interno idrofobico
Teste polari
Palmitato
Oleato
Membrane cellulari:
Fattori che determinano la fluidità del doppio strato
Lunghezza delle catene aciliche
Temperatura
Minore T = Minore fluidità
Teste polari
Interno idrofobico
Maggiore lunghezza = minore fluidità
Teste polari
Proteine
Diminuiscono la fluidità
Colesterolo
Magg. Colesterolo = Minore Fluidità
Testa
polare
Regione
Irrigidita dal
colesterolo
Regione
Più fluida
Insaturazione degli acidi grassi
Magg. insat = Magg. fluidità
Oleato
Le membrane biologiche contengono colesterolo
Colesterolo nel doppio strato lipidico;
il colesterolo aiuta a rendere la membrana
impermeabile alle piccole molecole solubili
in acqua e mantiene la membrana flessibile
in un ampio intervallo di temperature
Gli steroidi
contengono 4 anelli carboniosi
•Colesterolo
•Sali biliari
•Ormoni sessuali
•Ormoni secreti
dalla corteccia
surrenale
Il colesterolo e gli steroidi
Il colesterolo svolge funzioni essenziali al metabolismo:
• costituente delle membrane cellulari delle cellule animali
• precursore della vitamina D (importante per la crescita ossea e dei denti)
• composto di partenza per la sintesi degli acidi biliari (prodotti da fegato)
Può essere sintetizzato dalle cellule
(origine endogena) o introdotto con la
l’alimentazione (origine esogena)
• costituisce gli ormoni sessuali prodotti dalle ghiandole surrenali
(testosterone, aldosterone, estradiolo) ed altri ormoni steroidei (es.
cortisone)
I livelli di colesterolo nel sangue vanno tenuti sotto
controllo: perchè?
Il colesterolo in eccesso nel
sangue si accumula sulle
pareti interne delle arterie
provocando la formazione di
placche che causano
arteriosclerosi.
Il colesterolo in eccesso
nel fegato si accumula
dando origine ai calcoli
biliari
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