Invito chiunque leggesse questo post ad andare sul sito il chimico impertinente blog partecipante al progeto carnevale della chimica e che ospiterà questa tornata, il giorno 23 Marzo sarà pubblicato dall'autore del blog l'elenco dei post partecipanti alla terza edizione. Inoltre invito a visitare anche il sito carnevaledellachimica. Buona lettura a tutti!
L'acqua, è insapore, è incolore,due atomi di idrogeno e uno di ossigeno ma è tutto ciò che serve per far si che la vita esista sulla terra; è una sostanza unica nel suo genere. Ovviamente quando parliamo di acqua non possiamo non fare cenno alle innumerevoli proprietà chimico-fisiche che la rendono unica, a cui sono si sono adattate tutte le carattestiche funzionali e strutturali delle cellule. Le notevoli forze di attrazione tra le molecole d'acqua e la sua scarsa tendenza a ionizzarsi sono alcune delle caratteristiche fondamentali che determinano il corretto funzionamento delle biomolecole.
Vediamo alcune delle sue caratteristiche.
Legami idrogeno.
Sono loro i responsabili delle insolite proprietà dell'acqua. L'acqua ha un punto di ebollizione, di fusione, e un calore di evaporazione molto più elevati rispetto a tanti altri liquidi. Ciò è dovuto a vari fattori tra cui la forte coesione interna delle molecole d'acqua allo stato liquido, dovuta alle attrazioni intermolecolari tra le molecole d'acqua adiacenti.
Come rappresentato nell'immagine a lato è possibile osservare i resonsabili di tutto ciò. Un ruolo primario lo svolge la struttura della molecola d'acqua. Ogni atomo di idrogeno di una molecola d'acqua è determinata dalla disposizione dei due orbitali elettronici esterni dell'ossigeno. La struttura che disegnano è grossomodo un tetraedo con gli atomi di idrogeno a due degli angoli e gli elettroni non condivisi con altri due. Non è un tetraedo perfetto in quanto vi è uno schiacciamento, ciò è dovuto agli orbitali dell'ossigeno non coinvolti in alcun tipo di legame. Il nucleo dell'ossigeno tende ad attrarre elettroni in misura maggiore rispetto a quelli dell'idrogeno, ciò è dovuto al fatto che l'ossigeno è più elettronegativo.
quindi da quanto detto ne consegue che la distribuzione degli elettroni tra l'ossigeno e gli atomi d'idrogeno non è esattamente simmetrica e quest'ultimi si vengono a trovare molto più vicini all'ossigeno che a quello dell'idrogeno. Il risultato della distribuzione ineguale è la formazione di dipoli elettrici nelle molecole d'acqua. Ogni atomo d'idrogeno porta una parziale carica positiva e l'patomo di ossigeno una parziale carica negativa uguale alla somma delle parziali cariche positive. Si crea in questo modo una vera e propria attrazione elettrostatica tra le molecole di ossigeno di una molecola d'acqua e quelle di idrogeno di un'altra molecola d'acqua, tale legame è noto come legame idrogeno. Il grande numero di legami idrogeno che si formano tra le molecole conferisce all'acqua allo stato liquido una grande coesione interna, inoltre si vengono a formare,grazie a tali legami e alla particolare disposizione che le molecole d'acqua assumono a causa della loro struttura, dei eri e propri reticoli che sono ingrado di formare dei ponti trasversali con i soluti immersi al suo interno (proteine, acidi nucleici solo per citarne alcuni). La disposizione quasi tetraedica attorno alle molecole d'acqua permette di formare legami idrogeno con altre 4 molecole vicine. Ed ecco che allora già si inizia a delineare vagamente l'importanza che tale sostanza ha nelle nostre cellule, un esempio? i legami idrogeno che l'acqua forma con i soluti polari.
I legami idrogeno non sono una esclusiva prerogativa dell'acqua, sono un tipo di legami che si formano molto bene tra un atomo elettronegativo definito accettore d'idrogeno (di solito azoto, ossigeno con una coppia di elettroni non condivisi) e un atomo di idrogeno a sua volta legato covalentemente ad un altro atomo elettronegativo, definito accettore d'idrogeno.
Nell'immagine a fianco potete notare alcuni dei più comuni legami idrogeno nei sistemi biologici. I legami idrogeno sono molto più forti quando le molecole legate sono orientate in modo da rendere massima l'interazione elettrostatica. Ciò si verifica soprattutto quando l'atomo di idrogeno e gli altri atomi che partecipano al legame sono su una linea retta cioè quando l'atomo accettore è in linea retta con il legame covalente tra l'atomo donatore e l'idrogeno. I legami idrogeno sono direzionali e in grado di tenere unite due molecole o due gruppi in una direzione molecolare specifica. E'una proprietà importantissima in quanto da essa dipende la formazione delle strutture tridimensionali ben precise sia nelle proteine che negli acidi nucleici, in cui troviamo moltissimi legami idrogeno.
Interazioni elettrostatiche con i soluti carichi positivamente. L'acqua come solvente.
L'acqua è un solvente polare, e dissolve facilmente le molecole con caratteristiche polari. Ad esempio composti che si disciolgono facilmente in essa sono idrofili (letteralmente manti dell'acqua) mentre come tutti sanno i solventi non polari, cloroformio, benzene per fare un esempio sono poco efficaci sulle molecole polari, ma sono efficaci sulle molecole come lipidi o cere (idrofobe). L'acqua scioglie i sali idratandoli e indebolendo lo loro interazioni elettostatiche e opponendosi alla loro tendenza ad associarsi in una struttura cristallina. L'acqua si comporta nello stesso modo nei confronti delle biomolecole cariche, ad esempio composti con gruppi funzionali come i gruppi carbossili acidi ionizzati (COO-), i gruppi amminici e gli esteri fosforici o le anidridi fosforiche. L'acqua scioglie questi composti sostituendo i legami idrogeno soluto-soluto con i legami idrogeno acqua-soluto, disperdendo le interazioni elettrostatiche tra le molecole di soluto.
L'osmosi, e la sua importanza nella diffusione.
Le molecole d'acqua tendono a spostarsi da una regione in cui la loro concentrazione è elevata in una regione a concentrazione minore. Quando queste regioni sono separate da una membrana semipermeabile (membrana che consente il passaggio dell'acqua ma non delle molecole di soluto in essa contenuta) le molecole d'acqua diffondono dalla regione a maggiore concentrazione verso quella a minore concentrazione producendo una pressione nota con il termine di pressione osmotica. L'osmosi è un fattore di fondamentale importanza per la vita e il funzionamento delle cellule, le membrane plasmatiche sono più permeabili all'acqua che alle macromolecole o ioni, permeabilità che è dovta alla difusione semplice attraverso il doppio strato lipidico e alla presenza di proteine trasmembrana note come acquaporine. Le soluzioni con uguale osmolarità sono definite isotoniche, in questo caso la cellula non perde e non acquista molecole d'acqua. In una soluzione ipertonica una soluzione con osmolarità superiore a quella del citosol, la cellula si sgonfia a causa del flusso d'acqua verso l'esterno, invece in una soluzione ipotonica accade il contrario, la cellula si gonfia sempre di più fino ad esplodere. Ne consegue che un evento del genere deve assolutamente essere scongiurato. Le cellule hanno escogitato svariati organismi perevitare che ciò accada. Ad esempio nei batteri e nelle piante le membrane sono circondate da un involucro rigido, una parete cellulare non espandibile la quale grazie alla sua peculiare componente chimica impedisce l'evento di lisi osmotica. Non tutti gli organismi possiedono queste peculiarità; ad esempio nelle cellule animali (in particolar modo organismi animali multicellulari) i fluidi interstiziali sono mantenuti ad una osmolarità molto simile a quella del citosol. L'elevata concentrazione di albumina o di altre proteine nel plasma sanguigno contribuisce enormemente mantenere elevata la pressione osmotica di tale fluido, senza contare i svariati meccanismi come continua espulsione di ioni sodio. Le piante sfruttano efficacemente la pressione osmotica per incrementare la rigidità meccanica . Grazie al vacuolo le piante immagazzinano grandi quantità di acqua. La risultante pressione osmotica che agisce sulle pareti cellulari (pressione di turgore) irrigidisce la cellula, i tessuti, la pianta tutta.
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