Biologia (4/10): Il carbonio e la diversità molecolare della vita

Una cellula è formata da circa il 70/95% di acqua, ciò che rimane però, è formato da composti a base di carbonio.
Nelle cellule sono presenti anche idrogeno H, ossigeno O, azoto N, zolfo S, fosforo P, ma è con il carbonio C che si formano un'infinità di molecole diverse.

La chimica organica è quel ramo della chimica specializzato nello studio dei composti contenenti carbonio (detti appunto organici).

In generale, la pecentuale complessiva dei principali elementi (C,O,H,N,S,P) si mantiene costante da un individuo ad un'altro e da una specie all'altra, ma ciò nonostante con questi pochi elementi è possibile un'incredibile varietà di molecole diverse.

Grazie alle scoperte della chimica per quanto riguarda la creazione di diversi composti organici da sostanze inorganiche, si passò dalla teoria del vitalismo (la fede nell'esistenza di una forza vitale non sottoposta alle leggi della fisica e della chimica) al meccanicismo (la fede che tutti i fenomeni naturali sono governati dalle leggi della fisica e della chimica).

Gli atomi di carbonio sono i più versatili tra gli elementi costitutivi delle molecole.
Il carbonio possiede 6 elettroni, due nel primo guscio e 4 nel secondo, sono quindi 4 elettroni di valenza in uno strato che potrebbe ospitarne 8, ciò comporta una tendenza modesta ad acquistare e cedere elettroni formando legami ionici.
Il carbonio completa il suo guscio di valenza mettendo in compartecipazione i suoi elettroni con altri atomi attraverso 4 legami covalenti, e ciò sta alla base della nascita delle grandi e complesse molecole.
Nelle molecole con più atomi di carbonio, ogni gruppo formato da un atomo di carbonio legato ad altri 4 atomi ha geometria tetraedica.
I partner più frequenti del carbonio sono l'ossigeno, l'idrogeno e l'azoto.
Il biossido di carbonio CO₂ si forma con un atomo di carbonio e 2 di ossigeno attraverso legami covalenti doppi.
La formula è la seguente O=C=O dove ogni trattino corrisponde ad una coppia di elettroni condivisi.
L'atomo di cabonio può formare legami covalenti con altri atomi di carbonio che possono così unirsi a formare una varietà infinita di tipi di catene.

Le variazioni degli scheletri di carbonio determinano la diversità delle molecole organiche.
Lo scheletro delle catene organiche è formato da catene carboniose, scheletri di lunghezza variabile che possono essere lineari, ramificati o ad anello, e alcuni di questi scheletri possiedono doppi legami che variano per numero e disposizione.
Gli idrocarburi sono molecole organiche formate solo da idrogeno e carbonio, dove gli atomi di idrogeno sono legati allo scheletro carbonioso in tutte le posizioni in cui sono disponibili elettroni per la formazione di legami covalenti.
Gli idrocarburi non sono abbondanti negli esseri viventi, ma molte molecole presentano regioni dove son presenti solo gli idrocarburi.
Alcune sostanze sono idrofobe perchè i legami tra atomi di carbonio e atomi di idrogeno sono apolari.
Una caratteristica importante degli idrocarburi è che in essi si trova una grossa quantità di energia (benzina).

Gli isomeri sono molecole organiche composte con la stessa formula molecolare ma con struttura e proprietà diverse.
Gli isomeri di struttura differiscono per la disposizione covalente degli atomi o per localizzazione dei doppi legami.
Gli isomeri geometrici presentano legami con gli stessi atomi o gruppi chimici, ma differiscono per la disposizione spaziale di questi, e sono il prodotto della rigidità dei doppi legami che non permettono la libera rotazione degli atomi.
Le molecole degli enantiomeri possono essere considerate una l'immagine dell'altra (specchio), ma ciò nonostante avranno proprietà diverse (ad esempio nei farmaci uno dei due enantiomeri può anche avere effetti dannosi).
Gruppi funzionali
I gruppi funzionali sono i costituenti delle molecole organiche che più comunemente sono coinvolti nelle reazioni chimiche e dai quali dipendono le proprietà distintive di una molecola.
I gruppi funzionali sono quindi alla base delle diversità molecolare della vita, sono specifici raggruppamenti di atomi chimicamente reattivi, sono elementi che rimpiazzano uno o più atomi di idrogeno legati allo scheletro carbonioso dell'idrocarburo.
Il comportamento chimico di un gruppo funzionale è lo stesso tra una molecola ad un'altra, mentre sono il numero e la disposizione dei gruppi che costituiscono a fornire alla molecola le sue specifiche proprietà.
Anche la sessualità ha le sue basi biologiche nelle differenze di architettura molecolare.
I gruppi funzionali più importanti sono 6:

1. Gruppo ossidrile (-OH o HO-): un atomo di idrogeno si trova legato ad un atomo di ossigeno a sua volta legato allo scheletro carbonioso di una molecola organica.
   I componenti organici contenenti questo gruppo sono detti alcoli e i loro nomi specifici di solito terminano con -olo (es: etanolo).
   Questo gruppo è polare e per ciò attrae le molecole di acqua aumentando la solubità delle molecole organiche in cui è presente.
2. Gruppo carbonile (>CO): un atomo di carbonio legato ad un atomo di ossigeno attraverso un doppio legame.
   Se questo gruppo funzionale si trova all'estremità dello scheletro il composto risultante viene detto aldeide, se si trova all'interno viene detto chetone.
3. Gruppo carbossile (-COOH): un atomo di ossigeno forma un doppio legame con un atomo di carbonio a sua volta legato ad un gruppo ossidrilico.
   I composti contenenti questo gruppo sono detti acidi carbossilici o acidi organici.
   Questo gruppo ha proprietà acide perchè il legame covalente tra ossigeno e idrogeno è così polare che l'idrogeno tende a dissociarsi come ione idrogeno.
4. Gruppo amminico (-NH₂): un atomo di azoto legato a due atomi di idrogeno e allo scheletro carbonioso.
   I composti organici contenenti questo gruppo sono detti ammine.
   La maggior parte dei composti organici della cellula possiedono 2 o più gruppi funzionali legati al loro scheletro carbonioso.
   Composti forniti sia di un gruppo amminico che di un gruppo carbossilico sono detti amminoacidi.
5. Gruppo sulfidrile (-SH): un atomo di zolfo unito ad un atomo di idrogeno.
   I composti organici contenenti questo gruppo sono detti tioli.
6. Gruppo fosfato (-OPO₃^2-): uno ione fosfato legato covalentemente attravero uno dei suoi atomi di ossigeno allo scheletro carbonioso.
   Una delle funzioni di questo gruppo è il trasferimento di energia tra molecole organiche.

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