Hvad er et eksempel i et levende system på, hvordan molekylær form er kritisk?

Under dine rejser i videnskabsverdenen eller bare i hverdagen har du måske stødt på udtrykket "form passer til funktion" eller en eller anden variation af den samme sætning. Generelt betyder det, at udseendet af noget, du sker på tværs af, er en sandsynlig anelse om, hvad det gør, eller hvordan det bruges. I mange sammenhænge er denne maksimale så tydelig, at den trodser udforskning.

For eksempel, hvis du sker på tværs af et objekt, der kan holdes i hånden og udsender lys fra den ene ende ved et tryk på en kontakt, du kan være sikker på, at enheden er et værktøj til at belyse det umiddelbare miljø i fravær af tilstrækkelig naturlig lys.

I biologiens verden (dvs. levende ting) holder denne maksimale stadig med et par advarsler. Den ene er, at ikke alt ved forholdet mellem form og funktion nødvendigvis er intuitivt.

Det andet, der følger fra det første, er at de små skalaer, der er involveret i vurderingen af ​​atomer, og de molekyler og forbindelser, der opstår ved kombinationer af atomer, danner forbindelsen mellem form og fungere svært at forstå, medmindre du ved lidt mere om, hvordan atomer og molekyler interagerer, især i sammenhæng med et dynamisk levende system med forskellige og skiftende øjeblik-til-øjeblik behov.

Før du udforsker, hvordan formen på en given atom, et molekyle, et element eller en forbindelse er uundværlig for dets funktion, er det nødvendigt at forstå præcis hvad disse udtryk betyder i kemi, da de ofte bruges om hinanden - undertiden korrekt, nogle gange ikke.

En atom er den enkleste strukturelle enhed af ethvert element. Alle atomer består af et antal protoner, neutroner og elektroner, hvor hydrogen er det eneste element, der ikke indeholder neutroner. I deres standardform har alle atomer i hvert element det samme antal positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner.

Når du bevæger dig højere op periodiske system af grundstoffer (se nedenfor) finder du, at antallet af neutroner i den mest almindelige form af et givet atom har en tendens til at stige noget hurtigere end antallet af protoner. Et atom, der mister eller vinder neutroner, mens antallet af protoner forbliver fast, kaldes en isotop.

Isotoper er forskellige versioner af det samme atom, med alt det samme bortset fra neutronnummer. Dette har konsekvenser for radioaktivitet i atomer, som du snart vil lære.

En element er en given type stof og kan ikke adskilles i forskellige komponenter, kun mindre. Hvert element har sin egen post i det periodiske system, hvor du kan finde de fysiske egenskaber (f.eks. størrelse, karakteren af ​​dannede kemiske bindinger), der adskiller ethvert element fra de andre 91 naturligt forekommende elementer.

En agglomerering af atomer, uanset hvor stor, anses for at eksistere som et element, hvis den ikke indeholder andre additiver. Du kan derfor ske på tværs af "elementær" heliumgas, som kun består af Han-atomer. Eller du kan ske på tværs af et kilo "rent" (dvs. elementært guld, der ville indeholde et uudtænkeligt antal Au-atomer; dette er sandsynligvis ikke en idé, hvorpå du kan satse din økonomiske fremtid, men det er fysisk muligt.

EN molekyle er den mindste form af et givet stof når du ser en kemisk formel, såsom C₆H₁₂O₆ (sukkerglukosen), ser du normalt dens molekylær formel. Glukose kan eksistere i lange kæder kaldet glykogen, men dette er ikke den molekylære form af sukkeret.

• Nogle elementer, såsom Han, findes som molekyler i atom- eller monatomform. For disse er et atom et molekyle. Andre, som ilt (O₂) findes i diatomisk form i deres naturlige tilstand, fordi dette er energisk gunstigt.

Endelig a forbindelse er noget, der indeholder mere end en slags element, såsom vand (H₂O). Molekylært ilt er således ikke atomært ilt; på samme tid er der kun iltatomer til stede, så iltgas er ikke en forbindelse.

Ikke kun er de faktiske former for molekyler vigtige, men det er også vigtigt kun at kunne rette disse i dit sind. Du kan gøre dette i den "virkelige verden" ved hjælp af kugle-og-stick-modeller, eller du kan stole på det mere nyttigt af de todimensionale repræsentationer af tredimensionelle objekter, der er tilgængelige i lærebøger eller online.

Det element, der sidder i centrum (eller hvis du foretrækker det øverste molekylære niveau) af praktisk talt al kemi, især biokemi, er kulstof. Dette skyldes kulstofs evne til at danne fire kemiske bindinger, hvilket gør det unikt blandt atomer.

For eksempel har methan formlen CH₄ og består af et centralt kulstof omgivet af fire identiske brintatomer. Hvordan gør hydrogen atomer naturligt placerer sig selv for at tillade den maksimale afstand mellem dem?

Som det sker, CH₄ antager en omtrent tetraedral eller pyramideformet form. En kugle-og-stick-model, der er indstillet på en plan overflade, vil have tre H-atomer, der danner bunden af ​​pyramiden, med C-atomet lidt højere og det fjerde H-atom ligger direkte over C-atomet. Drejning af strukturen, så en anden kombination af H-atomer danner den trekantede base af pyramiden, ændrer faktisk intet.

Kvælstof danner tre bindinger, ilt to og brint en. Disse obligationer kan forekomme i kombination på tværs af det samme par atomer.

For eksempel består molekylet hydrogencyanid eller HCN af en enkeltbinding mellem H og C og af en tredobbelt binding mellem C og N. At kende både molekylformlen for en forbindelse og bindingsadfærden for dens individuelle atomer giver dig ofte mulighed for at forudsige meget om dens struktur.

Det fire klasser af biomolekyler er de nukleinsyrer, kulhydrater, proteinerog lipider (eller fedt). De sidste tre af disse kender du måske som "makroer", da de er de tre klasser af makronæringsstoffer, der udgør den menneskelige diæt.

De to nukleinsyrer er deoxyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA), og de bærer genetisk kode nødvendige til samling af levende ting og alt inde i dem.

Kulhydrater eller "kulhydrater" er fremstillet af C-, H- og O-atomer. Disse er altid i forholdet 1: 2: 1 i den rækkefølge og viser igen vigtigheden af ​​molekylær form. Fedtstoffer har også kun C-, H- og O-atomer, men disse er arrangeret meget anderledes end i kulhydrater; proteiner tilføjer nogle N-atomer til de andre tre.

Det aminosyrer i proteiner er eksempler på syrer i levende systemer. Lange kæder lavet af de 20 forskellige aminosyrer i kroppen er definitionen af ​​et protein, når disse syrekæder er tilstrækkeligt lange.

Meget er blevet sagt om obligationer her, men hvad er disse præcist inden for kemi?

I kovalente bindinger, elektroner deles mellem atomer. I ioniske bindinger, et atom opgiver sine elektroner fuldstændigt til det andet atom. Brintbindinger kan betragtes som en særlig form for kovalent binding, men en på et andet molekylært niveau, fordi hydrogener kun har en elektron til at begynde med.

Van der Waals-interaktioner er "bindinger", der forekommer mellem vandmolekyler; hydrogenbindinger og van der Waals-interaktioner er ellers ens.