Milline näide on elus süsteemis, kuidas molekulaarne kuju on kriitiline?

Reisides teadusmaailmas või lihtsalt igapäevaelus võite kohata terminit "vorm sobib funktsioon" või sama fraasi mõnda variatsiooni. Üldiselt tähendab see, et millegi juhtumine, millega juhtute, on tõenäoline vihje selle kohta, mida see teeb või kuidas seda kasutatakse. Paljudes kontekstides on see maksimum nii selgelt ilmne, et trotsib uurimist.

Näiteks kui juhtute üle eseme, mida saab käes hoida ja mis lüliti puudutusega ühest otsast valgust eraldab, võite olla kindel, et seade on vahend vahetu keskkonna valgustamiseks piisava loodusliku puudumise korral valgus.

Bioloogia (s.t elusolendite) maailmas kehtib see maksiim siiski mõne hoiatusega. Üks on see, et kõik, mis puudutab vormi ja funktsiooni suhet, pole tingimata intuitiivne.

Esimene, mis tuleneb esimesest, on see, et aatomite hindamisel osalevad väikesed kaalud ning aatomite kombinatsioonidest tulenevad molekulid ja ühendid seovad vormi ja funktsioneerimine on raskesti mõistetav, kui te ei tea natuke rohkem aatomite ja molekulide vastastikuse mõju kohta, eriti dünaamilise elussüsteemi kontekstis, millel on erinevad ja muutuvad hetkest hetkesse vajadustele.

Enne uurimist, kuidas antud kuju aatom, molekul, element või ühend on selle funktsioneerimiseks hädavajalik, seda on vaja mõista mida need terminid keemias täpselt tähendavad, kuna neid kasutatakse sageli vahetatult - mõnikord õigesti, mõnikord mitte.

An aatom on mis tahes elemendi kõige lihtsam struktuuriüksus. Kõik aatomid koosnevad mõnest prootonist, neutronist ja elektronist, kusjuures vesinik on ainus neutroniteta element. Standardvormis on iga elemendi kõigil aatomitel sama palju positiivselt laetud prootoneid ja negatiivselt laetud elektrone.

Kui liigute kõrgemale perioodilisustabel elementidest (vt allpool) leiate, et neutronite arv antud aatomi kõige tavalisemas vormis kipub tõusma prootonite arvust mõnevõrra kiiremini. Aatomit, mis kaotab või saab neutronid, kui prootonite arv püsib, nimetatakse isotoopiks.

Isotoopid on sama aatomi erinevad versioonid, millel on kõik sama, välja arvatud neutronarv. Nagu varsti teada saate, mõjutab see aatomite radioaktiivsust.

An element on antud tüüpi aine ja seda ei saa lahutada erinevateks komponentideks, ainult väiksemateks. Igal elemendil on perioodiliste elementide tabelis oma kirje, kust leiate füüsikalised omadused (nt suurus, moodustunud keemiliste sidemete olemus), mis eristavad mis tahes elementi ülejäänud 91 looduslikult esinevast elemendid.

Ükskõik kui suur aatomite kogum loetakse elemendina eksisteerivaks, kui see ei sisalda muid lisaaineid. Seetõttu võite juhtuda läbi "elementaarse" heelium (He) gaasi, mis koosneb ainult Tema aatomitest. Või võite juhtuda kilogrammi "puhta" (s.t. elementaarkulla, mis sisaldaks mõistetamatul arvul Au aatomeid; see pole ilmselt idee, millest oma rahalist tulevikku panustada, kuid see on füüsiliselt võimalik.

A molekul on kõige väiksem vormis antud aine kohta; kui näete keemilist valemit, näiteks C₆H₁₂O₆ (suhkru glükoos), näete tavaliselt seda molekulaarne valem. Glükoos võib eksisteerida pikkades ahelates, mida nimetatakse glükogeeniks, kuid see pole suhkru molekulaarne vorm.

• Mõned elemendid, näiteks Tema, eksisteerivad molekulidena aatom- või monatoomilises vormis. Nende jaoks on aatom molekul. Teised, nagu hapnik (O₂) eksisteerivad diatoomilises vormis nende loomulikus olekus, kuna see on energeetiliselt soodne.

Lõpuks a ühend on midagi, mis sisaldab rohkem kui ühte tüüpi elemente, näiteks vett (H₂O). Seega ei ole molekulaarne hapnik aatomhapnik; samal ajal on olemas ainult hapniku aatomid, seega pole gaasiline hapnik ühend.

Oluline pole mitte ainult molekulide tegelik kuju, vaid ka see, kui oskate neid oma mõtetes fikseerida. Seda saate teha "pärismaailmas" palli- ja keppmudelite abil või võite loota rohkemale kasulikud kolmemõõtmeliste objektide kahemõõtmelised kujutised, mis on saadaval õpikutes või võrgus.

Element, mis asetseb praktiliselt kogu keemia, eriti biokeemia keskmes (või kui soovite, tippmolekulaarsel tasemel), on süsinik. Selle põhjuseks on süsiniku võime moodustada neli keemilist sidet, muutes selle aatomite seas ainulaadseks.

Näiteks on metaanil valem CH₄ ja koosneb tsentraalsest süsinikust, mida ümbritseb neli ühesugust vesinikuaatomit. Kuidas vesinik aatomid ruumivad end loomulikult nii, et nende vahel oleks maksimaalne kaugus?

Nagu juhtub, CH₄ omandab umbes tetraeedrilise või püramiidse kuju. Tasasele pinnale seatud kuuli- ja pulgamudelil oleks kolm H aatomit, mis moodustaksid püramiidi aluse, kusjuures C-aatom on veidi kõrgem ja neljas H-aatom paikneb otse üle C-aatomi. Struktuuri pööramine nii, et H-aatomite erinev kombinatsioon moodustab püramiidi kolmnurkse aluse, ei muuda tegelikult midagi.

Lämmastik moodustab kolm sidet, hapnik kaks ja vesinik ühe. Need sidemed võivad esineda kombineeritult ühes ja samas aatomipaaris.

Näiteks vesiniktsüaniidi ehk HCN molekul koosneb H ja C vahel olevast üksiksidemest ning C ja N kolmiksidemest. Nii ühendi molekulaarse valemi kui ka selle üksikute aatomite sidumiskäitumise tundmine võimaldab sageli selle struktuuri väga palju ennustada.

The neli klassi biomolekule on nukleiinhapped, süsivesikud, valgudja lipiidid (või rasvad). Neist kolme viimast võite tunda kui "makrod", kuna need on kolm makrotoitainete klassi, mis moodustavad inimese dieedi.

Kaks nukleiinhapped on desoksüribonukleiinhape (DNA) ja ribonukleiinhape (RNA) ning neil on geneetiline kood mida on vaja elusolendite ja nende sees olevate asjade kokkupanekuks.

Süsivesikud ehk "süsivesikud" on valmistatud C-, H- ja O-aatomitest. Need on alati selles järjekorras vahekorras 1: 2: 1, mis näitab taas molekulaarkuju olulisust. Rasvadel on ka ainult C-, H- ja O-aatomid, kuid need on paigutatud väga erinevalt kui süsivesikutesse; valgud lisavad veel kolmele N-aatomit.

The aminohapped valkudes on näited hapetest elus süsteemides. Keha 20 erinevast aminohappest koosnevad pikad ahelad on valgu määratlus, kui need hapete ahelad on piisavalt pikad.

Siin on võlakirjade kohta palju räägitud, aga mis need täpselt keemias on?

Sisse kovalentsed sidemed, elektronid on aatomite vahel jagatud. Sisse ioonsed sidemed, loobub üks aatom oma elektronidest täielikult teisele aatomile. Vesiniksidemed võib mõelda kui erilist liiki kovalentset sidet, kuid erinevat molekulaarset taset, kuna vesinikel on alustamiseks ainult üks elektron.

Van der Waalsi interaktsioonid on "sidemed", mis tekivad veemolekulide vahel; vesiniksidemed ja van der Waalsi interaktsioonid on muidu sarnased.