Какво е пример в живата система за това колко важна е молекулярната форма?

По време на пътуванията си в света на науката или просто в ежедневието може да сте срещали термина „форма отговаря на функцията“ или някакъв вариант на същата фраза. Като цяло това означава, че появата на нещо, което ви се случва, е вероятно улика за това какво прави или как се използва. В много контексти тази максима е толкова очевидна, че се противопоставя на изследването.

Например, ако се сблъскате с обект, който може да се държи в ръката и излъчва светлина от единия край с натискането на превключвател, можете да бъдете уверени, че устройството е инструмент за осветяване на непосредствената среда при липса на адекватно естествено светлина.

В света на биологията (т.е. живите същества) тази максима все още се поддържа с няколко предупреждения. Единият е, че не всичко за връзката между формата и функцията е непременно интуитивно.

Второто, следващо от първото, е, че малките скали, участващи в оценката на атомите и молекулите и съединенията, които възникват от комбинации от атоми, правят връзката между формата и функцията е трудна за оценяване, освен ако не знаете малко повече за това как взаимодействат атомите и молекулите, особено в контекста на динамична жива система с различни и променящи се момент към момент нужди.

Преди да проучи как формата на даден атом, молекулата, елементът или съединението са необходими за неговата функция, необходимо е да се разбере точно какво означават тези термини в химията, тъй като те често се използват взаимозаменяемо - понякога правилно, понякога не.

An атом е най-простата структурна единица на всеки елемент. Всички атоми се състоят от определен брой протони, неутрони и електрони, като водородът е единственият елемент, който не съдържа неутрони. В стандартната си форма всички атоми на всеки елемент имат еднакъв брой положително заредени протони и отрицателно заредени електрони.

Докато се придвижвате по-нагоре периодичната таблица на елементите (виж по-долу), откривате, че броят на неутроните в най-често срещаната форма на даден атом има тенденция да се увеличава малко по-бързо от броя на протоните. Атом, който губи или печели неутрони, докато броят на протоните остава фиксиран, се нарича изотоп.

Изотопи са различни версии на един и същ атом, като всичко е същото, с изключение на неутронното число. Това има последици за радиоактивността в атомите, както скоро ще научите.

An елемент е даден вид вещество и не може да бъде разделен на различни компоненти, а само по-малки. Всеки елемент има свой собствен запис в периодичната таблица на елементите, където можете да намерите физическите свойства (напр. размер, естеството на образуваните химически връзки), които отличават всеки елемент от останалите 91 естествено срещащи се елементи.

Счита се, че агломерация от атоми, независимо колко голяма е, съществува като елемент, ако не включва други добавки. Следователно може да се случи с "елементарен" хелий (He) газ, който се състои само от атоми на He. Или може да се случи с килограм „чисто“ (т.е. елементарно злато, което би съдържало необясним брой Au атоми; това вероятно не е идея, на която да залагате финансовото си бъдеще, но физически е възможно.

A молекула е най-малката форма на дадено вещество; когато видите химическа формула, като С₆Н₁₂О₆ (захарната глюкоза), обикновено я виждате молекулярна формула. Глюкозата може да съществува в дълги вериги, наречени гликоген, но това не е молекулярната форма на захарта.

• Някои елементи, като Него, съществуват като молекули в атомна или едноатомна форма. За тях атомът е молекула. Други, като кислород (O₂) съществуват в двуатомна форма в естественото си състояние, тъй като това е енергийно благоприятно.

И накрая, a съединение е нещо, съдържащо повече от един вид елемент, като вода (H₂О). По този начин молекулярният кислород не е атомен кислород; в същото време присъстват само кислородни атоми, така че кислородният газ не е съединение.

Не само важни са действителните форми на молекулите, но е важно само да можете да ги поправите в ума си. Можете да направите това в „реалния свят“ с помощта на модели с топка и стик или да разчитате на повече полезно от двуизмерните изображения на триизмерни обекти, налични в учебниците или на линия.

Елементът, който се намира в центъра (или ако предпочитате, най-високото молекулярно ниво) на почти цялата химия, по-специално биохимията, е въглерод. Това се дължи на способността на въглерода да образува четири химически връзки, което го прави уникален сред атомите.

Например метанът има формулата СН₄ и се състои от централен въглерод, заобиколен от четири еднакви водородни атома. Как се прави водород атомите естествено се пространстват така, че да позволят максималното разстояние между тях?

Както се случва, CH₄ приема приблизително тетраедрична или пирамидална форма. Моделът на топка и пръчка, поставен на равна повърхност, ще има три Н атома, образуващи основата на пирамидата, като C атомът е малко по-висок, а четвъртият атом H е кацнал директно над атома C. Въртенето на структурата, така че различна комбинация от Н атоми образува триъгълната основа на пирамидата всъщност не променя нищо.

Азотът образува три връзки, кислород две и водород една. Тези връзки могат да възникнат в комбинация в една и съща двойка атоми.

Например, молекулата циановодород или HCN се състои от единична връзка между Н и С и от тройна връзка между С и N. Познаването както на молекулярната формула на съединението, така и на свързващото поведение на отделните му атоми често ви позволява да предскажете много за неговата структура.

The четири класа биомолекули са нуклеинови киселини, въглехидрати, протеини, и липиди (или мазнини). Последните три от тях може да знаете като „макроси“, тъй като те са трите класа макронутриенти, които съставляват човешката диета.

Двете нуклеинова киселина са дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК) и те носят генетичен код необходими за сглобяването на живи същества и всичко вътре в тях.

Въглехидратите или "въглехидратите" са направени от атоми С, Н и О. Те винаги са в съотношение 1: 2: 1 в този ред, което отново показва важността на молекулната форма. Мазнините също имат само атоми C, H и O, но те са подредени по много различен начин, отколкото във въглехидратите; протеините добавят някои N атоми към останалите три.

The аминокиселини в протеините са примери за киселини в живите системи. Дългите вериги, направени от 20-те различни аминокиселини в тялото, са определението за протеин, след като тези вериги от киселини са достатъчно дълги.

Тук е казано много за връзките, но какво точно представляват тези в химията?

В ковалентни връзки, електроните се споделят между атомите. В йонни връзки, единият атом напълно се отказва от електроните си на другия атом. Водородни връзки може да се разглежда като специален вид ковалентна връзка, но такава на различно молекулярно ниво, тъй като водородите имат само един електрон за начало.

Ван дер Ваалс взаимодействия са "връзки", които възникват между водните молекули; водородните връзки и взаимодействията на Ван дер Ваалс са иначе подобни.