ATOMI, IONI, LEGATURI CHIMICE

Structura si procesele fiziologice din organismul uman se bazeaza pe proprietatile si interactiunile dintre atomi, ioni si molecule. Substantele medicamentoase complexe (moxifloxacina) sau simple (bicarbonat de sodiu) sint alcatuite din atomi. NaHCO3 Fig.1. Structura chimica a moxifloxacinei si bicarbonatului de sodiu Inca din Antichitate s-a emis teoria ca materia este alcatuita din particule extrem de mici, invizibile si indivizibile, numite atomi. Atomul se defineste ca fiind cea mai mica particula dintr-o substanta care, prin procedee chimice obisnuite, nu mai poate fi fragmentata in particule mai simple. Totalitatea atomilor de acelasi tip alcatuiesc un element chimic. La sfirsitul secolului al XVIII-lea, existenta atomilor s-a impus ca o necesitate logica, datorita faptului ca s-a observant ca substantele se combina in rapoarte de masa constante. La sfirsitul secolului al XIX-lea, descoperindu-se electronul s-a ajuns la concluzia ca atomul nu este o particula indivizibila. In prezent se stie ca atomul este: o componenta a materie; invizibil; divizibil prin procedee fizice; in continua miscare; neutru din punct de vedere electric; participa efectiv in reactiile chimice

MOLECULE Structura atomului

Atom formeaza acceptare/pierdere de electroni format din

Protoni Electroni Neutroni

formeaza

IONI

Nucleu

Anioni (-)Cationi (+)

Fig. 2. Structura atomului si interelatiile atomi-ioni-molecule Protonul este o particula materiala incarcata cu o sarcina electrica pozitiva considerate egala cu +1; Numarul protonilor dintr-un nucleu se numeste numar atomic si se noteaza cu Z. Numarul protonilor din nucleul unui atom difera de la un element la altul; pentru acelasi tip de atomi (deci pentru acelasi element chimic) numarul protonilor din nucleu este o constanta, care determina sarcina nucleara a acestuia si caracterizeaza atomul; el nu se modifica in timpul reactiilor chimice. In functie de numarul atomic Z, s-a stabilit o definitie mai precisa a elementului chimic - specia de atomi cu aceeasi sarcina nucleara sau acelasi numar atomic Z se numeste element chimic. Neutronii sint particule materiale neutre din punct de vedere electric si cu masa aproximativ egala cu cea a protonului. Numarul neutronilor difera de la element la element, dar si pentru acelasi element. Speciile de atomi cu acelasi numar de protoni, dar cu numar de neutroni diferit se numesc izotopi. Fig.3. Izotopii hidrogenului Fig.4. Izotopii carbonului Suma numarului de protoni si numarului de neutroni din nucleu se numeste numar de masa si se noteaza cu A. Invelisul de electroni avind masa neglijabila, toata masa atomului se considera a fi concentrata in nucleu; datorita dimensiunilor extrem de reduse ale atomilor si particulelor componente, masa acestora exprimata in grame, ar fi infima, prin urmare chimistii au convenit sa foloseasca in locul masei atomilor exprimate in grame, masa acestora raportata la a douasprezecea parte din masa atomului de carbon (care cuprinde in nucleu 6 protoni si 6 neutroni si are numarul de masa 12). Numarul care arata de cite ori masa unui atom este mai mare decit a douasprezecea parte din masa atomului de carbon se numeste masa atomica. Totalitatea electronilor care graviteaza in jurul nucleului formeaza invelisul de electroni al atomului; numarul electronilor dintr-un atom este egal cu numarul protonilor din nucleu. Invelisul electronic are o structura stratificata - este format din straturi concentrice nucleului, notate de la nucleu spre exterior cu literele: K (1 sau 2 e-), L (unul pina la maximum 8 e-), M (unul pina la maximum 18 e-), N, (unul pina la maximum 32 e-) O, P, Q. Structura invelisului electronic este de o importanta deosebita deoarece proprietatile elementelor sint determinate de numarul si repartitia electronilor pe straturi. Fig. 5. Structura si caracteristicile atomului de sodiu Tabel 1 Atomi prezenti in structurile organice specifice organismului umanAtom Simbol Numar atomicMasa atomica Numar de electroni Numarul legaturilor chimice

Strat 1Strat 2Strat 3

HidrogenH111001

Carbon C6122404

Nitrogen (azot)N7142503

Oxigen O8162602

Sulf S16322862

Sistemul periodic al elementelor (Tabelul periodic al elementelor, Tabelul lui Mendeleev) Sistemul periodic al elementelor contine elementele chimice descoperite, aranjate intr-un tabel dependent de proprietatile fizice si chimice ale acestor elemente. Ideea organizarii elementelor chimice intr-un tabel apartine lui Dimitrie Mendeleev (1869-1871). Cercetind relatia dintre masele atomice si proprietatile elementelor, Mendeleev ajunge la concluzia ca proprietatile fizice si chimice, dupa un anumit numar de elemente, se repeta in mod periodic - descopera legea periodicitatii, care sta la baza clasificarii elementelor. Fig. 6. Sistemul periodic al elementelor

Formarea ionilor pozitivi si negativi Atomul este neutru din punct de vedere electric, numarul protonilor fiind egal cu numarul electronilor, dar sub influenta unor factori externi (caldura, lumina, etc) atomii pot ceda sau accepta unul sau mai multi electroni; in acest caz numarul sarcinilor pozitive din nucleu nu mai este egal cu numarul sarcinilor negative din invelisul de electroni - atomul isi pierde caracterul neutru si va devine o particula cu o sarcina electrica ce depinde de numarul electronilor cedati sau acceptati. Atomul incarcat cu sarcina electrica (care apare datorita numarului diferit de electroni din invelisul electronic in comparatie cu numarul protonilor din nucleu ) se numeste ion. Transformarea unui atom in ionul respectiv se numeste ionizare; ionul se noteaza cu simbolul elementului caruia ii apartine, insotit de sarcina electrica scrisa in dreapta sus.Na+ - ion pozitiv, rezultat prin cedare de electroni (cation)Cl- - ion negativ, rezultat prin acceptare de electroni (anion)

Fig.7. Formarea ionului de sodiu Fig.8. Formarea cationilor si anionilor

Fig. 9. Formarea ionilor de sodiu si clor si a clorurii de sodiu Capacitatea de combinare a atomilor unui element cu atomii altui element se numeste valenta. Din punct de vedere electronic, valenta este egala cu numarul electronilor cu care fiecare atom al elementului respectiv participa in timpul reactiilor chimice; acesti electroni se numesc electroni de valenta si apartin, de obicei, ultimului strat, numit strat de valenta. Valenta exprimata prin numarul de electroni pe care atomul unui element ii pune in comun cu electronii altui atom in timpul reactiei chimice se numeste covalenta. Participarea electronilor de valenta se face diferit - in timpul reactiilor chimice atomii diferitelor elemente (in tendinta de a ajunge la o structura stabila pe ultimul strat) pot sa: cedeze/accepte electroni molecule formate prin legaturi ionice; puna in comun unul sau mai multi electroni molecule formate prin legaturi covalente Fig.10. Formarea prin legatura ionica a clorurii de sodiu Fig.11. Formarea prin legaturi covalente a unor molecule Fig.12. Structura azotatului de sodiu (legaturi covalente si ionice)

Fig.13. Legatura covalenta si legatura ionica

Fig.14. Legaturi covalente (polare, nepolare) si legatura ionica Legatura ionica se realizeaza intre elemente cu caracter puternic electropozitiv si elemente cu caracter puternic electronegativ (Na, K, Ca, Mg, Cl, I, etc). In timpul formarii acestei legaturi se disting doua etape:1) formarea ionilor;2) exercitarea fortei electrostatice de atractie intre ionii de semn contrar formati. Legatura chimica ce se stabileste intre ionii de semn contrar se numeste legatura ionica sau electrovalenta. Intre atomii elementelor cu caracter electrochimic identic sau putin diferentiat se creeaza legaturi covalente, prin punerea in comun a unuia sau mai multor electroni de valenta. Legatura formata prin punere in comun a electronilor proveniti de la doi atomi diferiti se numeste legatura covalenta. Cea mai mica particula dintr-o substanta care poate exista in stare libera si care in aceleasi conditii de temperatura si presiune prezinta toate proprietatile substantei respective se numeste molecula. Fig. 15. Molecula de dioxid de carbon

Legatura de hidrogen este o legatura de natura electrostatica, caracteristica substantelor care contin in molecula atomi de hidrogen legati de atomi cu afinitate mare pentru electroni si cu volum atomic mic (F, N, O). O consecinta a legaturilor de hidrogen este formarea asociatiilor moleculare de tipul (H2O)n.

Fig.16. Legaturi de hidrogen

Fig.17. Formarea moleculei de apa prin legatura covalenta polara si formarea asociatiei (H2O)n prin legaturi de hidrogen Legaturile din cadrul complexului medicament - substrat receptor (medicament-receptor/ medicament- enzima) pot fi1) ionice, intarite prin punti de hidrogen si forte van der Waals2) covalente nu apare cu agonistii fiziologici face complexul stabil, iar actiunea farmacodinamica este ireversibila, cu caracter toxic uneori. Fig. 18 Sinapsa colinergica actiune directa la nivelul receptorului colinergic - verde actiune indirecta reversibila - galben actiune indirecta ireversibila - rosu intoxicatia cu derivati organofosforici (pesticide, gaze toxice de lupta) - legatura covalenta intre acetilcolinesteraza si derivatul organofosforic.

Fig. 19 Efectele gazului Sarin asupra organismului

Fig. 20 Mecanismul de actiune al gazului sarin

Legatura coordinativa reprezinta un caz particular de legatura covalenta in care electronii care se pun in comun sint asigurati de un atom; compusii coordinativi sint formati dintr-un atom/ion central (Co3+, Mg2+, Cu2+, Ca2+), inconjurat de liganzi bogati in electroni (NH3) acestia fiind legati direct de atomul/ionul central. Liganzii pot fi atomi, ioni, molecule; compusii coordinativi sint caracterizati de numarul coordinativ (numarul de liganzi legati de atomul central) si de geometria coordinativa (aranjamentul geometric al liganzilor si simetria intregului complex).

Fig. 21 Structura chimica a hemoglobinei

Fig. 22 Proteine care contin cupru Un ligand care se leaga direct de un singur atom/ion central prin intermediul mai multor atomi din structura sa se numeste agent de chelare/ agent chelator. Efectul de chelare are multiple aplicatii in domeniul terapeutic/ medical/ biochimic. Tratamentul intoxicatiei acute cu fier si al talasemiei (boala ereditara) prin administrare de deferoxamina (agent chelator puternic al fierului)

Fig. 23 Structura dferoxaminei si a complexului cu fierul Fig. 24 Produs farmaceutic cu deferoxamina Fig. 25 Structura EDTA (acid etilendiamintetraacetic) Fig. 26 Complexul EDTA-Ca

Agentii de chelare - reprezinta antidot in intoxicatia cu metale grele; actioneaza formind complexe netoxice, excretate predominant renal, cu ionii metalelor grele.Na2Ca-EDTA - intoxicatia cu plumb; se administreaza parenteral ( nu poate traversa membranele celulare).Dimercaprol - solutie uleioasa administrata i.m., capabila sa cheleze diversi ioni metalici; Deferoxamina - capacitate foarte mare de legare a fierului, dar nu il sustrage din hemoglobina/citocromi; se administreaza parenteral si oral (absorbtie slaba) doar pentru a impiedica absorbtia orala a fierului.D-penicilamina - elimina ionii de cupru (boala Wilson) si plumb; se administreaza si in cistinurie (impiedica formarea de pietre de cistina in tractul urinar) si in artrita reumatoida (inhiba polimerizarea moleculelor de colagen in fibre) Fig. 27 Agenti chelatori

16