Frasconi - Catalizzatori

Approfondimento individuale di Matteo Frasconi

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I CATALIZZATORI

cosa sono?

I catalizzatori sono sostanze indipendenti da reagenti e prodotti che agiscono su una reazione facilitandola, aiutando ad unire i reagenti coinvolti nella reazione. Nel nostro pianeta esistono catalizzatori biologici ed artificiali, essi agiscono esclusivamente sulla cinetica della reazione e non sulla termodinamica. I catalizzatori agiscono diminuendo notevolmente l’energia di attivazione, talvolta azzerandola, ed aumentando considerevolmente la resa ottenuta dalla reazione, talvolta ottenendo persino il 100% di resa. Abbiamo visto diversi esempi di catalizzatori come la marmitta catalitica, la margarina e gli enzimi, i quali verranno presentati più approfonditamente nelle prossime slide.

MARGARINA

ENZIMI

MARMITTA CATALITICA

I CATALIZZATORI

La Marmitta catalitica

Una marmitta catalitica è un componente essenziale dei sistemi di scarico dei veicoli a motore, progettata per ridurre le emissioni inquinanti provenienti dal motore a combustione interna. Questo dispositivo sfrutta una serie di reazioni chimiche catalitiche per trasformare i gas di scarico nocivi in composti meno dannosi prima che vengano emessi nell'atmosfera. Quando questa marmitta si trova in perfetto funzionamento, è in grado di ridurre del 50% circa la quantità di idrocarburi, azoto e monossido di carbonio rilasciate nell'ambiente. Il termine "catalitico" si riferisce al fatto che la marmitta contiene catalizzatori. Questi catalizzatori sono spesso costituiti da metalli nobili come platino, palladio e rodio, che sono in grado di promuovere le reazioni di ossidazione e riduzione dei gas di scarico. Le reazioni principali che avvengono all'interno di una marmitta catalitica sono l'ossidazione dei gas tossici come il monossido di carbonio (CO) e gli idrocarburi non bruciati (HC) in anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O), e la riduzione degli ossidi di azoto (NO) in azoto (N2) e ossigeno (O2).

I CATALIZZATORI

La Margarina e l'Idrogenazione catalitica

L'idrogenazione catalitica è un processo chimico utilizzato nell'industria alimentare per trasformare oli vegetali liquidi in grassi solidi, come quelli utilizzati nella produzione di margarina. Questo processo è fondamentale per conferire alla margarina la consistenza desiderata e per migliorare la sua stabilità ed il suo tempo di conservazione. Durante l'idrogenazione catalitica, gli oli vegetali vengono trattati con idrogeno gassoso in presenza di un catalizzatore metallico come nichel, palladio o platino. Questo catalizzatore accelera la reazione di idrogenazione, che comporta l'aggiunta di atomi di idrogeno alle molecole insature presenti negli oli vegetali. Le molecole insature, come gli acidi grassi insaturi, hanno doppi legami carbonio-carbonio nella loro struttura molecolare. L'idrogenazione rompe questi doppi legami e li sostituisce con legami singoli, trasformando gli acidi grassi insaturi in acidi grassi saturi.Il risultato di questo processo è la produzione di una miscela di acidi grassi saturi che solidificano a temperatura ambiente, conferendo alla margarina una consistenza solida. Questa solidificazione è fondamentale per garantire che la margarina sia spalmabile e abbia una struttura coerente. Inoltre, l'idrogenazione rende anche la margarina più stabile e meno suscettibile al deterioramento, prolungandone così il tempo di conservazione.Tuttavia, è importante notare che l'idrogenazione può comportare la formazione di acidi grassi trans, che sono acidi grassi insaturi con una configurazione geometrica trans anziché cis. Gli acidi grassi trans possono avere effetti negativi sulla salute quando consumati in eccesso, poiché sono associati a un aumento del rischio di malattie cardiovascolari.

I CATALIZZATORI

Gli Enzimi

Gli enzimi sono proteine altamente specializzate che agiscono all'interno delle cellule degli organismi viventi. Essi rappresentano un ottimo esempio di catalizzatori biologici, i migliori sulla Terra, sono in grado di svolgere un ruolo cruciale in praticamente tutti i processi biologici. Negli organismi viventi gli enzimi facilitano la digestione degli alimenti trasformando molecole complesse in molecole più semplici che possono essere assorbite dall'organismo. Inoltre, gli enzimi sono essenziali per la produzione di energia nelle cellule, per la sintesi di nuove molecole, per la riparazione dei danni cellulari e per la trasmissione di segnali chimici tra le cellule.La struttura degli enzimi è cruciale per la loro funzione. Ogni enzima ha una forma tridimensionale unica che gli consente di interagire specificamente con il suo substrato. Questa interazione è resa possibile da una serie di siti attivi sull'enzima, che si adattano perfettamente alla forma del substrato. Gli enzimi agiscono accelerando le reazioni chimiche senza essere consumati in esse. Ciò significa che un singolo enzima può catalizzare molte migliaia di reazioni al secondo. Questa capacità di accelerare le reazioni è fondamentale per la vita, poiché molte delle reazioni chimiche necessarie per il funzionamento dell'organismo avverrebbero troppo lentamente senza l'aiuto degli enzimi. Gli enzimi agiscono legando immediatamente i substrati tra di loro, una volta uniti avviene una chiusura a tenaglia che fa avvenire al 100% il contatto tra i substrati(reagenti). Hanno la capacità di azzerare completamente l'energia di attivazione e riescono sempre ad ottenere il 100% di resa dalla reazione.

EMOGLOBINA E MIOGLOBINA

MIOGLOBINA

EMOGLOBINA

Un ruolo essenziale nel trasporto dell'ossigeno è giocato dall'emoglobina, una proteina presente all'interno dei globuli rossi. L'emoglobina è una proteina con una struttura quaternaria, formata da quattro subunità, ciascuna composta da una molecola polipeptidica (globina) e un gruppo atomico (eme) che contiene uno ione ferro (III). Questo ione ferro è indispensabile per la capacità dell'emoglobina di legare e rilasciare l'ossigeno in una reazione reversibile. Nei polmoni, dove la pressione parziale di ossigeno è elevata, l'emoglobina si satura completamente di ossigeno, formando l'ossiemoglobina, facilitando così un trasporto efficiente dell'ossigeno. Nei tessuti, dove la pressione parziale di ossigeno è bassa, l'emoglobina rilascia l'ossigeno, il quale si diffonde nel plasma e poi all'interno delle cellule dei tessuti.

La struttura della mioglobina è globulare, caratterizzata da 8 eliche alfa composte da 153 residui di amminoacidi. Essa è costituita da una singola catena polipeptidica, e la sua colorazione rossa deriva dalla presenza di un gruppo eme, che contiene al centro un atomo di ferro ferroso, analogamente all'emoglobina. La mioglobina è in grado di legare una molecola di ossigeno alla volta attraverso un sito di coordinazione del ferro occupato da un'istidina chiamata "istidina prossimale". Il legame dell'ossigeno provoca un riordinamento elettronico del ferro, creando una struttura simile a un complesso tra l'ione ferrico e l'ione superossido. Per prevenire danni derivanti dal rilascio di ossigeno, un'altra istidina denominata "istidina distale" stabilisce un legame con l'ossigeno. La mioglobina ha il compito di trasportare l'ossigeno ai mitocondri, che si trovano all'interno delle cellule del tessuto muscolare, dove viene utilizzato per la produzione di energia.

EMOGLOBINA E MIOGLOBINA

Differenze tra emoglobina e mioglobina

L'emoglobina e la mioglobina sono due proteine legate al trasporto dell'ossigeno nel corpo umano, ma hanno diverse funzioni e caratteristiche strutturali:

• L'emoglobina è principalmente responsabile del trasporto dell'ossigeno dai polmoni ai tessuti e dell'anidride carbonica dai tessuti ai polmoni. È presente nei globuli rossi. La mioglobina si trova principalmente nei tessuti muscolari e ha il compito di immagazzinare l'ossigeno, fornendo una riserva locale per le cellule muscolari durante periodi di alta attività metabolica.
• L'emoglobina è una proteina complessa composta da quattro subunità: due subunità di tipo α (alfa) e due di tipo β (beta). Ogni subunità contiene un gruppo eme che lega l'ossigeno. La mioglobina è costituita da una singola catena polipeptidica, generalmente con una struttura a elica α. Essa contiene anche un gruppo eme, ma è composta da una sola subunità.

• Nell'emoglobina, l'ossigeno si lega alle subunità eme delle quattro catene polipeptidiche, permettendo al sangue di trasportare grandi quantità di ossigeno dai polmoni ai tessuti. Nella mioglobina, l'ossigeno viene legato da un unico sito di coordinazione del ferro presente nel gruppo eme. Questo rende la mioglobina più adatta a funzionare come serbatoio di ossigeno nei tessuti muscolari, dove è necessaria una riserva rapida di ossigeno durante l'attività fisica.

EMOGLOBINA E MIOGLOBINA

Rapporto fra emoglobina fetale ed emoglobina adulta

Durante la gravidanza, il feto riceve ossigeno e sostanze nutritive vitali dalla madre attraverso un processo specifico che coinvolge l'emoglobina fetale, il principale trasportatore di ossigeno nei globuli rossi fetali. Nonostante sia simile all'emoglobina materna, presenta lievi differenze che ne favoriscono un trasferimento ottimale di ossigeno. Infatti, ha una maggiore affinità per l'ossigeno rispetto all'emoglobina adulta. Durante la gestazione, l'emoglobina materna rilascia l'ossigeno attraverso la placenta, dove viene acquisito dall'emoglobina fetale. Quest'ultima prevale nel feto, ma smette di essere prodotta dopo la nascita, con l'emoglobina adulta che diventa predominante entro il primo anno di vita. Entrambe le forme di emoglobina sono composte da quattro subunità, ma l'emoglobina fetale presenta subunità gamma al posto delle subunità beta. La molecola "bisfosfoglicerato", prodotta dai globuli rossi e dalle cellule della placenta, agevola il trasferimento di ossigeno dalla madre al feto, legandosi meno all'emoglobina fetale rispetto a quella adulta.

FONTI:

• Libro scolastico e slide fornite dal professore per tutte le slide della presentazione
• slide 3 https://www.alvolante.it/da_sapere/tecnica/marmitta-catalitica-cos-e-cosa-serve-e-come-funziona-sulle-auto-379948 https://www.autoyes.info/la-marmitta-catalitica.html
• slide 4 https://online.scuola.zanichelli.it/industriagroalimentare-files/chimica-idrogenazione.pdf
• slide 5 https://www.microbiologiaitalia.it/didattica/gli-enzimi/

https://www.studysmarter.it/spiegazioni/biologia/biomolecole/enzimi/

• slide 6-7

https://www.pianetachimica.it/didattica/documenti/Emoglobina.pdfhttps://www.my-personaltrainer.it/fisiologia/emoglobina-mioglobina.html

• slide 8 https://medicinaonline.co/2017/03/19/differenza-tra-emoglobina-fetale-ed-adulta/

https://www.pianetachimica.it/mol_mese/mol_mese_2021/05_Emoglobina_fetale/Emoglobina_fetale.htm