Auf Ihren Reisen in die Wissenschaft oder einfach nur im Alltag sind Sie vielleicht auf den Begriff "Form passt Funktion" oder eine Variation desselben Begriffs gestoßen. Im Allgemeinen bedeutet dies, dass das Erscheinungsbild von etwas, das Ihnen begegnet, ein wahrscheinlicher Hinweis darauf ist, was es tut oder wie es verwendet wird. In vielen Kontexten ist diese Maxime so offensichtlich, dass sie sich jeder Erforschung entzieht.
Wenn Sie beispielsweise auf ein Objekt stoßen, das in der Hand gehalten werden kann und auf Knopfdruck an einem Ende Licht ausstrahlt, Sie können sicher sein, dass das Gerät ein Werkzeug zur Beleuchtung der unmittelbaren Umgebung ist, wenn keine ausreichende natürliche Licht.
In der Welt der Biologie (d. h. der Lebewesen) gilt diese Maxime noch mit einigen Einschränkungen. Einer ist, dass nicht alles an der Beziehung zwischen Form und Funktion notwendigerweise intuitiv ist.
Die zweite, die sich an die erste anschließt, ist, dass die winzigen Skalen, die bei der Beurteilung von Atomen und den Molekülen und Verbindungen, die aus Atomkombinationen entstehen, die Verbindung zwischen Form und Funktion schwer zu beurteilen, es sei denn, Sie wissen ein wenig mehr darüber, wie Atome und Moleküle interagieren, insbesondere im Kontext eines dynamischen lebenden Systems mit verschiedenen und sich von Moment zu Moment verändernden braucht.
Was genau sind Atome?
Bevor Sie untersuchen, wie die Form eines gegebenen Atom, ein Molekül, ein Element oder eine Verbindung für seine Funktion unentbehrlich ist, muss man verstehen was genau diese Begriffe in der Chemie bedeuten, da sie oft synonym verwendet werden – manchmal richtig, manchmal nicht.
Ein Atom ist die einfachste Struktureinheit aller Elemente. Alle Atome bestehen aus einer bestimmten Anzahl von Protonen, Neutronen und Elektronen, wobei Wasserstoff das einzige Element ist, das keine Neutronen enthält. In ihrer Standardform haben alle Atome jedes Elements die gleiche Anzahl von positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen.
Wenn du dich höher bewegst, Periodensystem der Elemente (siehe unten), stellen Sie fest, dass die Zahl der Neutronen in der häufigsten Form eines gegebenen Atoms tendenziell etwas schneller ansteigt als die Zahl der Protonen. Ein Atom, das Neutronen verliert oder hinzugewinnt, während die Anzahl der Protonen konstant bleibt, wird als Isotop bezeichnet.
Isotope sind verschiedene Versionen desselben Atoms, wobei alles bis auf die Neutronenzahl gleich ist. Dies hat Auswirkungen auf die Radioaktivität in Atomen, wie Sie bald erfahren werden.
Elemente, Moleküle und Verbindungen: Die Grundlagen von "Stuff"
Ein Element ist eine bestimmte Art von Substanz und kann nicht in verschiedene Komponenten getrennt werden, sondern nur in kleinere. Jedes Element hat einen eigenen Eintrag im Periodensystem der Elemente, in dem Sie die physikalischen Eigenschaften (z. B. Größe, die Art der gebildeten chemischen Bindungen), die jedes Element von den anderen 91 natürlich vorkommenden unterscheiden Elemente.
Eine Ansammlung von Atomen, egal wie groß, gilt als Element, wenn sie keine anderen Zusätze enthält. Sie könnten daher auf "elementares" Helium (He)-Gas stoßen, das nur aus He-Atomen besteht. Oder Sie könnten auf ein Kilogramm "reines" (dh elementares Gold, das eine unvorstellbare Anzahl von Au-Atomen enthalten würde) treffen; Dies ist wahrscheinlich keine Idee, auf die Sie Ihre finanzielle Zukunft setzen können, aber es ist physisch möglich.
EIN Molekül ist die kleinste bilden eines bestimmten Stoffes; wenn Sie eine chemische Formel wie C sehen6H12Ö6 (die Zuckerglukose), sehen Sie normalerweise seine molekular Formel. Glukose kann in langen Ketten namens Glykogen vorkommen, aber dies ist nicht die molekulare Form des Zuckers.
- Einige Elemente, wie He, existieren als Moleküle in atomarer oder einatomiger Form. Für diese ist ein Atom ein Molekül. Andere, wie Sauerstoff (O2) liegen in ihrem natürlichen Zustand in zweiatomiger Form vor, da dies energetisch günstig ist.
Schließlich a Verbindung ist etwas, das mehr als eine Art von Element enthält, wie zum Beispiel Wasser (H2Ö). Somit ist molekularer Sauerstoff kein atomarer Sauerstoff; gleichzeitig sind nur Sauerstoffatome vorhanden, Sauerstoffgas ist also keine Verbindung.
Molekulare Ebene, Größe und Form
Nicht nur die tatsächlichen Formen der Moleküle sind wichtig, sondern es ist auch wichtig, diese im Kopf zu fixieren. Sie können dies in der "realen Welt" mit Hilfe von Kugel-Stick-Modellen tun, oder Sie verlassen sich auf die mehr nützlich der zweidimensionalen Darstellungen dreidimensionaler Objekte, die in Lehrbüchern verfügbar sind, oder online.
Das Element, das im Zentrum (oder, wenn Sie es vorziehen, auf oberster molekularer Ebene) praktisch der gesamten Chemie, insbesondere der Biochemie, steht, ist Kohlenstoff. Dies liegt an der Fähigkeit von Kohlenstoff, vier chemische Bindungen zu bilden, was ihn unter Atomen einzigartig macht.
Methan hat beispielsweise die Formel CH4 und besteht aus einem zentralen Kohlenstoff, der von vier identischen Wasserstoffatomen umgeben ist. Wie geht das? Wasserstoff Atome beabstanden sich natürlicherweise so, dass der maximale Abstand zwischen ihnen möglich ist?
Anordnungen üblicher einfacher Verbindungen
Zufällig, CH4 nimmt eine ungefähr tetraedrische oder pyramidale Form an. Ein Kugel-Stab-Modell auf einer ebenen Fläche würde drei H-Atome haben, die die Basis der Pyramide bilden, wobei das C-Atom etwas höher und das vierte H-Atom direkt über dem C-Atom thront. Eine Drehung der Struktur, so dass eine andere Kombination von H-Atomen die dreieckige Basis der Pyramide bildet, ändert praktisch nichts.
Stickstoff bildet drei Bindungen, Sauerstoff zwei und Wasserstoff eins. Diese Bindungen können in Kombination über dasselbe Atompaar auftreten.
Zum Beispiel besteht das Molekül Blausäure oder HCN aus einer Einfachbindung zwischen H und C und aus einer Dreifachbindung zwischen C und N. Wenn Sie sowohl die Summenformel einer Verbindung als auch das Bindungsverhalten ihrer einzelnen Atome kennen, können Sie oft viel über ihre Struktur vorhersagen.
Die Primärmoleküle in der Biologie Bi
Das vier Klassen von Biomolekülen sind die Nukleinsäuren, Kohlenhydrate, Proteine, und Lipide (oder Fette). Die letzten drei davon kennen Sie vielleicht als "Makros", da sie die drei Klassen von Makronährstoffen sind, aus denen die menschliche Ernährung besteht.
Die Zwei Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) und tragen die genetischer Code für den Zusammenbau von Lebewesen und allem, was darin steckt, benötigt wird.
Kohlenhydrate oder "Kohlenhydrate" bestehen aus C-, H- und O-Atomen. Diese stehen immer im Verhältnis 1:2:1 in dieser Reihenfolge, was wiederum die Bedeutung der Molekülform zeigt. Auch Fette haben nur C-, H- und O-Atome, diese sind jedoch ganz anders angeordnet als bei Kohlenhydraten; Proteine fügen den anderen drei einige N-Atome hinzu.
Das Aminosäuren in Proteinen sind Beispiele für Säuren in lebenden Systemen. Lange Ketten aus den 20 verschiedenen Aminosäuren im Körper sind die Definition eines Proteins, wenn diese Säureketten ausreichend lang sind.
Chemische Bindungen
Über Bindungen ist hier schon viel gesagt worden, aber was genau sind das in der Chemie?
Im kovalente Bindungen, Elektronen werden zwischen Atomen geteilt. Im ionische Bindungen, gibt ein Atom seine Elektronen vollständig an das andere Atom ab. Wasserstoffbrücken kann man sich als eine besondere Art von kovalenter Bindung vorstellen, aber auf einer anderen molekularen Ebene, weil Wasserstoffe nur ein Elektron haben.
Van-der-Waals-Wechselwirkungen sind "Bindungen", die zwischen Wassermolekülen auftreten; Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Wechselwirkungen sind ansonsten ähnlich.