Interazioni molecolari

Interazioni molecolari
Gli atomi, i mattoni costitutivi di tutta la materia, compreso il corpo umano, sono costituiti da tre tipi di particelle ancora più piccole: protoni, carichi positivamente, neutroni, privi di carica ed elettroni carichi negativamente. La disposizione di questi elementi in un atomo è sempre la stessa: i protoni e i neutroni, che rendono contro di quasi tutta la massa dell'atomo, sono al centro di quest'ultimo costituendo il nucleo. Mentre lo spazio attorno al nucleo è occupato dagli elettroni in rapido movimento, tenuti nella propria orbita dall'attrazione esercitata dalla carica positiva degli elettroni. Gli atomi, comunque, sono molto piccoli, con un diametro che va da 1 a 5 angstrom (1 angstrom=1 A=10-10 m). Gli atomi possono essere descritti in due modi: mediante il loro numero atomico e mediante la loro massa atomica. Il numero atomico di un atomo è il numero di protoni nel nucleo. Un atomo di idrogeno, per esempio, ha un solo protone nel nucleo, pertanto il numero atomico dell'idrogeno è 1. La massa atomica, invece, è la massa totale dei protoni e dei neutroni nell'atomo espressa in Dalton. I principali elementi chimici degli organismi viventi sono: l'idrogeno, l'ossigeno, il carbonio, l'azoto , il fosforo e lo zolfo. Questi elementi possono combinarsi tra loro in vari modi per formare molecole d'interesse biologico. Una molecola è costituita dall'unione di uno o più atomi mediante legami chimici. Gli elementi chimici d'interesse biologico sono in grado di formare legami forti, nei quali gli elettroni vengono condivisi in maniera più o meno paritaria tra gli atomi partecipanti. Si parla allora di legami covalenti. Le coppie di elettroni in quest'ultimo tipo di legame non sempre sono condivise alla pari tra gli atomi legati. Infatti, quando gli elettroni non vengono condivisi alla pari, l'atomo con l'attrazione più forte per gli elettroni sviluppa una leggera carica negativa (δ-), mentre l'atomo con attrazione più debole verso gli elettroni sviluppa una leggera carica positiva (δ+). Le molecole che sviluppano queste regioni di parziale carica positiva e negativa sono dette molecole polari, perché presentano un polo positivo ed uno negativo. Un buon esempio di molecola polare è l'acqua (H2O). Il più grande e più forte nucleo di ossigeno attira gli elettroni dell'idrogeno verso di sé. Questo spostamento lascia i due atomi di idrogeno della molecola con una carica positiva parziale e l'atomo di ossigeno con una carica negativa parziale derivata dalla diseguale condivisione degli elettroni. Una molecola non polare, invece, è una molecola i cui elettroni sono distribuiti così equamente che non si presentano regioni di parziale carica positiva o negativa. Per esempio, molecole costituite in maggioranza da atomi di carbonio e idrogeno tendono a essere non polari. Questo perché il carbonio non attrae gli elettroni in maniera altrettanto forte dell'ossigeno. La polarità di una molecola è importante nel determinare se sarà solubile in acqua. Le molecole polari generalmente si sciolgono facilmente e sono dette idrofile, mentre, le molecole non polari non si sciolgono bene in acqua e sono dette idrofobiche. Invece, quando un atomo o una molecola acquista o perde del tutto uno o più elettroni, forma uno ione. Si realizzano, in questo modo, legami ionici, quando un atomo esercita un'attrazione così forte sugli elettroni che porta via completamente uno o più elettroni ad altri atomi.  Questo è il caso del sale da cucina (NaCl), le cariche opposte si attraggono, creando un cristallo ordinato in cui gli ioni Na+ e Cl- si alternano e sono tenuti assieme da legami ionici. Oltre ai legami covalenti si trovano anche tipi di legami molto più deboli. Tra questi il principale è costituito dal legame idrogeno che si forma tra atomi di idrogeno e atomi più elettronegativi (capaci di attrarre elettroni), quali l'ossigeno o l'azoto. Ad esempio, l'atomo di ossigeno è piuttosto elettronegativo, mentre l'idrogeno non lo è. Nella molecola viene così a crearsi una parziale separazione di carica che rende l'ossigeno leggermente negativo e l'idrogeno leggermente positivo. Di per sé un singolo legame idrogeno è molto debole, ma quando molti di questi legami si formano tra le varie molecole, può risultare abbastanza resistente. Nelle molecole d'interesse biologico sono presenti altri tipi d'interazione debole. Ad esempio, le forze di van der Waals sono forze attrattive deboli che si manifestano tra atomi quando questi si trovano a una distanza inferiore a 3-4 angstrom (Ả), e possono svolgere una funzione fondamentale nel legame substrato-enzima. Le interazioni idrofobiche, infine, costituiscono un'altra categoria d'interazioni importanti nelle molecole biologiche. Esse si producono perché in un ambiente polare le molecole apolari (o le regioni apolari di una molecola) tendono ad aggregarsi. Le interazioni idrofobiche possono contribuire significativamente al ripiegamento delle catene proteiche nello spazio, e rivestono un ruolo importante nel legame substrato-enzima.