Circa 4,5 miliardi di anni fa, i gas cosmici che costituivano la Terra si solidificarono: si formarono così le prime rocce e l’intensa attività vulcanica produsse un’atmosfera ricca di vapore acqueo (H2O), ossido di carbonio e anidride carbonica (CO e CO2), azoto (N2) e acido cianidrico (HCN).
La superficie del pianeta era così calda che la pioggia evaporava non appena toccava il suolo.
Quando, circa 3,5 miliardi fa, il pianeta si raffreddò, l’acqua passò dallo stato gassoso a quello liquido consentendo il formarsi degli oceani.
Un’ipotesi sull’origine della vita fu formulata dal biochimico russo A.I. Oparin nel 1932 che ipotizzò che le molecole organiche che sono alla base della costituzione degli esseri viventi, si fossero originate in un ambiente con scarso ossigeno libero e quando l’atmosfera primordiale era costituita da acqua, idrogeno, ammoniaca e metano (i composti contenenti i 4 elementi chimici C, H, O, H che costituiscono circa il 97-99% della sostanza vivente).
L’energia necessaria per ottenere le molecole organiche mediante la scissione del materiale gassoso proveniva dal calore della Terra stessa, dai raggi ultravioletti del Sole e dalle scariche elettriche prodotte dai vari uragani.
Tale ipotesi venne verificata in laboratorio dall’americano Stanley L. Miller nel 1953, che simulò le condizioni della Terra primitiva in un pallone sterile che conteneva acqua e i gas che si riteneva fossero presenti nell’atmosfera. Facendo passare in tale ambiente delle scariche elettriche , simili a quelle dei fulmini, egli osservò la formazione di vari tipi di composti del carbonio , tra cui molecole dei più semplici amminoacidi, i mattoni che costituiscono le proteine, i più importanti costituenti degli esseri viventi.
I composti organici formati nell’atmosfera, venivano captati dalla pioggia e finivano negli oceani; questi divennero dei miscugli sempre più ricchi di molecole organiche tanto da paragonarli ad un brodo caldo.
Affinché la vita avesse inizio era necessario che tali composti organici semplici si associassero in strutture più complesse.
Alcuni studiosi ritengono che le piccole molecole organiche contenute nel “brodo primitivo”, a contatto con superfici argillose avrebbero potuto unirsi spontaneamente organizzandosi in strutture ordinate di grandi dimensioni.
Le molecole organiche, agitate dalle onde e dalle correnti, avrebbero dato origine a dei particolari aggregati noti come coacervati, che presentavano qualche similitudine con le attuali cellule (erano circondati da una membrana a due strati e tendevano ad incorporare sostanze organiche dall’ambiente, quindi potevano crescere).
I coacervati, pur nella loro complessita’, non erano ancora esseri viventi, i quali apparvero sulla Terra solo il giorno in cui un coacervato, raggiunte le massime dimensioni compatibili con la sua esistenza, invece di frazionarsi in due parti più piccole, si divise in due parti perfettamente identiche, cioè si autoduplicò.
Le prime cellule viventi erano anaerobiche (l’ossigeno non si era ancora formato), eterotrofe e dipendenti dai composti organici presenti nell’ambiente quale fonte di energia. Erano probabilmente unicellulari e procariote come molti batteri odierni (sono stati scoperti fossili di questi microscopici organismi in rocce risalenti a 3,5 miliardi di anni fa).
Col passare del tempo, però, le sostanze organiche preformate cominciarono a diminuire a causa di due fattori
1) del continuo assorbimento da parte di tali eterotrofi primitivi
2) perché la loro velocità di formazione diventò più bassa : è possibile che le radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole abbiano scisso l’acqua cosi’ che piccole quantità di ossigeno libero si siano raccolte negli strati superiori dell’atmosfera.Qui per azione dei raggi ultravioletti, l’ossigeno (O2) si trasformò in ozono (O3) che cominciò ad agire come filtro per le radiazioni ultraviolette.
La pressione selettiva nella ricerca di nuove fonti di energia condusse allo sviluppo di forme primitive di fotosintesi.
I primi organismi fotosintetici utilizzavano acido solfidrico (H2S) al posto dell’acqua liberando zolfo anziché ossigeno e si diffusero rapidamente dando origine (circa 3,5 miliardi di anni fa) a depositi di zolfo detti Stromatoliti.
Circa 3 miliardi di anni fa comparve un nuovo gruppo di procarioti che cominciarono a fotosintetizzare come le piante odierne, liberando ossigeno come sottoprodotto.
La vita ha avuto inizio
nell’acqua, e non può esistere senza di essa.
Proprio come l’acqua è
fondamentale per la vita su scala globale così essa lo è a livello cellulare e
molecolare.
L’acqua con poche eccezioni come
nell’osso e nello smalto, costituisce il 70-90% di tutte le cellule viventi.
Tutte le reazioni della vita sono
influenzate in molti modi importanti dalla chimica dell’acqua. Il contenuto in
acqua di un organismo è in rapporto alla sua età ed alla sua attività
metabolica (è al massimo nell’embrione e diminuisce progressivamente nell’adulto).
Quanto alla sua origine l’acqua va
distinta negli organismi in acqua esogena, proveniente dall’esterno con
gli alimenti (negli organismi acquatici anche attraverso la superficie del
corpo), ed in acqua endogena che si forma nel corso delle reazioni
metaboliche.
La sua importanza biologica è legata alle sue numerose proprietà:
- E’ un ottimo solvente di gas (quali l’O2 e la CO2), di sali minerali e di sostanze organiche, ed è la fase disperdente di macromolecole (protidi e lipidi)
- Rappresenta per l maggior parte delle cellule il mezzo di trasporto in virtù del quale le varie sostanze nutritive possono essere assorbite dall’esterno e i prodotti di rifiuto possono essere espulsi.
- Le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule si realizzano essenzialmente in ambiente acquoso.
- Prende parte direttamente ad importanti reazioni chimiche come quelle di Idrolisi e di sintesi per disidratazione
- Contribuisce insieme ai sali minerali a mantenere turgide le cellule.
Le sue proprietà sono dovute alla struttura della sua molecola che è costituita da due atomi di idrogeno uniti
ad un atomo di ossigeno mediante legami covalenti semplici; ha la forma di V ed è altamente polare.Gli atomi di
idrogeno portano parziali cariche positive, e l’atomo di ossigeno rappresenta
una regione di parziale carica negativa.
E’ una molecola polare, avendo una regione con carica positiva ed una con carica negativa. Questo proprio perché l’atomo di idrogeno si trova legato covalentemente con un atomo ad elevata affinità elettronica per cui la coppia di elettroni condivisa è attratta più fortemente dall’atomo di ossigeno che non da quello di idrogeno.
La molecola intera è elettricamente neutra, ma gli elettroni non sono equamente distribuiti negli orbitali molecolari. Essi sono fortemente attratti dal grande nucleo di ossigeno carico positivamente e quindi la nuvola elettronica è più densa nella regione del nucleo di ossigeno che vicino ai nuclei di idrogeno.
La molecola può essere rappresentata con un polo positivo in corrispondenza degli idrogeni ed uno negativo in corrispondenza dell’atomo di ossigeno. Le cariche locali si compensano a vicenda in modo che ne risulta una molecola che nel complesso è elettricamente neutra; ma la molecola dell’acqua in effetti si comporta come un dipolo in miniatura.
Legame idrogeno
Tra due molecole di acqua, a causa di tale separazione di cariche, si verifica una forza di attrazione fra il polo positivo di una e quello negativo dell’altra. Questa attrazione elettrostatica è detta legame idrogeno ( si forma ogni volta che un atomo di idrogeno, già legato covalentemente ad un atomo - più elettronegativo – di azoto o di ossigeno, si lega ad un altro atomo di azoto o di ossigeno, situati nello spazio vicino, ma appartenenti ad un’altra molecola).
Lo stabilizzarsi di legami idrogeno tra molecole diverse, le
obbliga ad assumere una precisa disposizione spaziale .Per tale motivo
questi legami vengono definiti legami direzionali
Poiché gli elettroni attorno all’atomo di ossigeno si ritengono disposti come ai vertici di un tetraedro, ogni molecola di acqua può formare teoricamente legami idrogeno con 4 molecole circostanti. Nell’acqua allo stato liquido e a temperatura ambiente, si ritiene che ogni molecola sia legata con legami idrogeno ad altre 4 molecole di acqua. I legami idrogeno sono piuttosto deboli ma, per effetto del loro grande numero conferiscono all’acqua liquida una grande coesione interna , anche se in conseguenza della continua rottura e ricostruzione dei legami idrogeno,essa allo stato liquido non è viscosa ma molto fluida. Ciascun legame idrogeno ha una durata estremamente breve. Un eventuale aumento di temperatura rompe ad ogni istante un maggior numero di legami idrogeno e le molecole libere si allontanano in superficie trasportando calore. Il freddo invece immobilizza ogni molecola nello spazio, bloccandola tramite i legami idrogeno, ad altre 4 molecole a formare la struttura regolare a reticolo cristallino del ghiaccio.
La polarità dell’acqua la rende un ottimo solvente di una grande varietà di sostanze (idrofiliche)
L’acqua è un ottimo solvente e tale proprietà deriva dalle interazioni che si stabiliscono fra le molecole di acqua e le particelle (molecole o ioni) in essa disciolte.
Un esempio può essere dato lasciando cadere un cristallo di sale da cucina (Cloruro di Sodio) nell’acqua. Nel cristallo di sale gli ioni Na e Cl dotati di cariche elettriche opposte si alternano in modo regolare. Si tratta di una situazione relativamente stabile, in cui ogni ione all’interno del cristallo è circondato da 6 ioni di carica opposta. Tuttavia gli ioni sulla superficie del cristallo sono circondati da pochi partners di carica opposta e sono parzialmente esposti. Quando il cristallo è versato nell’acqua le estremità delle molecole cariche negativamente sono attratte verso gli ioni sodio esposti, mentre le estremità cariche positivamente sono attratte da ioni cloruro esposti.
Poiché gli ioni sodio e cloruro interagiscono più fortemente con l’acqua che con gli ioni vicini del cristallo, essi tendono a lasciare la superficie del cristallo e si circondano di molti strati di molecole di acqua orientate, chiamati sfere di idratazione. Questo fatto espone un nuovo strato di ioni del cristallo e il processo continua finche il cristallo non si è sciolto.
Gli ioni sodio e cloro si circondano ognuno di un alone di molecole di acqua orientate diversamente a seconda della carica dello ione, per cui si distanziano fra loro.
Con questo meccanismo l’acqua porta in soluzione non solo piccoli ioni, ma anche molecole più o meno complesse.
Un cristallo di zucchero si discioglie in modo abbastanza simile quando è versato in acqua Ma le interazioni che stabilizzano un cristallo di zucchero e che ne causano la sua dissoluzione in acqua, sono alquanto differenti da quelle che interessano il cristallo di sale. Gli zuccheri non contengono gruppi ionici, ma posseggono numerosi raggruppamenti polari –C-O-H in cui l’atomo di ossigeno altamente elettronegativo richiama i doppietti elettronici su di sé allontanandoli dal carbonio e dall’idrogeno. Questi gruppi polari formano legami idrogeno tra di loro stabilizzando il cristallo di zucchero. M essi formano con l’acqua legami idrogeno anche più forti; quindi quando un cristallo di zucchero è versato nell’acqua, si scioglie perché i legami idrogeno fra le molecole di zucchero vengono rotti e sostituiti con legami idrogeno tra zucchero e acqua.
La maggior parte delle sostanze della vita sono idrofiliche, esse possiedono sia gruppi ionici che regioni polari capaci di formare ponti idrogeni con l’acqua. L’acqua è un potente solvente per queste sostanze, le discioglie, le avvicina, permettendo loro di reagire l’una con l’altra nella chimica della vita.
Conseguenze del legame idrogeno:
1)L’acqua è altamente coesiva
Secondo la sua formula chimica, l’acqua è una molecola piccola, ma a causa dell’elevato numero di legami idrogeno che tengono unite le molecole fra loro ha molte delle proprietà di una molecola assai più grande.La tendenza delle molecole ad appiccicarsi insieme è chiamata coesione e l’acqua è uno dei fluidi più coesivi che ci siano. Conseguenza della coesione è la sua elevata tensione superficiale (un oggetto che penetri in una massa d’acqua deve rompere i legami idrogeno fra le molecole adiacenti e la superficie dell’acqua mostra una notevole resistenza a tale penetrazione).
2)L’acqua ha una alta capacità termica
Quando una qualsiasi sostanza assorbe calore, l’energia cinetica delle sue molecole aumenta e la sua temperatura sale. L’acqua ha una capacità termica superiore a qualsiasi liquido comune, cioè essa può assorbire una grandissima quantità di calore facendo aumentare di poco la propria temperatura.
Ciò dipende dal fatto che molto del calore assorbito viene speso non per mettere in movimento delle molecole, ma per scambiare gli atomi di idrogeno tra molecole adiacenti.Gli atomi di ossigeno di molecole vicine,cambiano compagno:
l’atomo di H legato covalentemente ad un atomo di ossigeno e con legame idrogeno ad un secondo atomo di ossigeno li scambia per legarsi con legame idrogeno al primo e con legame covalente al secondo.
L’energia assorbita sotto forma di calore è dissipata in piccoli movimenti di atomi di idrogeno piuttosto che in movimenti più ampi di intere molecole, quindi la temperatura aumenta meno di quello che ci si aspetterebbe.
Importante conseguenza biologica dell’alta capacità termica dell’acqua è che le cellule non si cuociono fino morire quando compiono le reazioni della vita ( la maggior parte delle reazioni cellulari avvengono con produzione di calore).
3)L’acqua ha un elevato calore di evaporazione
Per trasformarla da liquido a vapore , le molecole devono essere rimosse dallo strato superficiale e i ponti idrogeno che le tengono insieme devono essere rotti. A causa dell’elevato numero di essi e della loro forza l’acqua ha il più alto calore di evaporazione di qualsiasi altra sostanza che in natura sia liquida a temperatura ambiente.
Importante conseguenza biologica di ciò è l’effetto è il grosso effetto raffreddante di una pur modesta evaporazione.Ogni molecola di acqua che passa dallo stato liquido a quello gassoso porta con se tutta l’energia termica necessaria a rompere i legami idrogeno con le molecole vicine. L’organismo umano perde calore per evaporazione attraverso la respirazione e la traspirazione.
4)Il ghiaccio galleggia sull’acqua
La maggior parte delle sostanze diventa più densa all’abbassarsi della loro temperatura . Appena diminuisce l’energia cinetica e le molecole si muovono più lentamente, esse tendono a stringersi mediante forze di attrazione.
Questo è vero anche per l’acqua fino alla temperatura di 4ºC, alla quale essa ha il massimo di densità . Appena l’acqua congela, la sua densità diminuisce bruscamente.
Questo comportamento è dovuto alla architettura del cristallo di ghiaccio:
per raggiungere una struttura regolare in cui ogni molecola è legata a 4 altre, deve essere costruito un reticolo cristallino contenente degli ampi spazi vuoti. Nell’acqua liquida, con la sua struttura meno regolare, questi spazi non esistono. Ma appena l’acqua congela e ogni molecola è spinta a posto dai legami idrogeno, si formano degli spazi e la densità diminuisce, così il ghiaccio è meno denso dell’acqua e galleggia .
Importanza biologica di ciò è che quando l’acqua di un lago comincia a congelare, si forma del ghiaccio in superficie. Poiché esso conduce poco calore, tende ad isolare l’acqua sottostante ad impedire che il lago congeli completamente in modo da consentire la sopravvivenza delle specie in esso contenute.
Per quanto riguarda l’interazione dell’acqua con altre sostanze oltre alla sua capacità di essere un ottimo solvente dobbiamo considerare anche la sua
azione capillare:
Le molecole di alcune sostanze, sebbene idrofiliche e capaci di interagire con l’acqua, interagiscono ancor più fortemente tra di loro e non mostrano alcuna tendenza a sciogliersi. Una di tali sostanze è la cellulosa che è una grossa molecola costituita da zuccheri sistemati in modo tale che le molecole adiacenti di cellulosa formino tra di loro molti legami a idrogeno.
Le fibre di cellulosa non mostrano alcuna tendenza a sciogliersi in acqua, tuttavia i gruppi polari sulla loro superficie formano legami idrogeno con essa. Per tale motivo i tovaglioli di carta assorbono acqua senza sciogliersi.
La formazione dei legami idrogeno è pure responsabile dell’azione capillare : processo che causa la salita in tubi fatti di sostanze idrofiliche (polari) come la cellulosa.
L’azione capillare coinvolge sia la coesione dell’acqua che l’attrazione dell’acqua per le sostanze idrofiliche e non può avvenire in tubi fatti di materiali non polari. Quando un tubo idrofilico è immerso nell’acqua, le molecole di questa si legano alle sue pareti per mezzo di legami idrogeno o per interazione carica-carica. Poiché le molecole di acqua si muovono con una certa energia cinetica, succede che lacune di esse che si rtrovano sulla superficie, si mettono a contatto con la regione più alta del tubo , vi si attaccano e tirano su altre molecole dietro di loro (che naturalmente sono legate ad esse tramite i legami idrogeno dell’acqua).
In tubi molto stretti di materiale altamente idrofilo (come lo xilema, i canali che trasportano l’acqua nelle piante, che sono rivestiti di cellulosa), l’acqua può essere portata a considerevoli altezze soltanto per l’azione capillare.
Sin qui abbiamo trattato delle proprietà fisiche dell’acqua
e dell’acqua e delle sue interazioni con altre molecole in qualità di solvente.
Ma l’acqua è un protagonista importante elle reazioni chimiche della vita: molti
processi usano l’acqua come materia prima oppure producono acqua come prodotto
finale:
La formazione di molecole biologiche mediante polimerizzazione di monomeri e sempre accompagnata dalla formazione di acqua. Durante la sintesi proteica il legame peptidico fra due amminoacidi che avviene tra un gruppo amminico ed un gruppo carbossilico comporta la liberazione (disidratazione) di una molecola di acqua.
Quando mangiamo una mela, non possiamo incorporare le sue macromolecole direttamente nelle nostre cellule, ma possiamo riutilizzare le unità strutturali di cui erano costituite quelle macromolecole per costruire le nostre personali macromolecole
Per poter essere riutilizzati i polimeri vengono spezzati nelle loro parti costituenti mediante un processo che è l’inverso della sintesi per disidratazione:gli elementi dell’acqua vengono aggiunti ai monomeri liberandoli per essere poi utilizzati.Due monomeri possono essere separati aggiungendo un atomo di idrogeno ad uno di loro ed un gruppo OH al suo vicino.
Questo processo è chiamato idrolisi (scissione per mezzo dell’acqua).
L’idrolisi è il meccanismo più importante che si verifica nel tubo digerente dopo che è stato consumato un pasto.
La maggior parte degli organismi, sia autotrofi che eterotrofi , sono capaci di immagazzinare riserve alimentari ,quando queste sono abbondanti, mediante la sintesi per disidratazione.Queste riserve vengono poi mobilizzate per l’uso quando sono necessarie grazie all’idrolisi. L’idrolisi è usata anche per demolire le cellule invecchiate di un organismo in modo che i monomeri che le compongono possano essere riutilizzati da nuove cellule in crescita.