Qual è un esempio in un sistema vivente di come la forma molecolare è critica?

Durante i tuoi viaggi nel mondo della scienza o semplicemente nella vita di tutti i giorni, potresti aver incontrato il termine "forma adatta alla funzione" o qualche variazione della stessa frase. In genere, significa che l'aspetto di qualcosa che incontri è un probabile indizio su cosa fa o come viene utilizzato. In molti contesti, questa massima è così evidente da sfidare l'esplorazione.

Ad esempio, se ti imbatti in un oggetto che può essere tenuto in mano ed emette luce da un'estremità al tocco di un interruttore, puoi essere certo che il dispositivo è uno strumento per illuminare l'ambiente circostante in assenza di un'adeguata naturale leggero.

Nel mondo della biologia (cioè degli esseri viventi), questa massima è ancora valida con alcuni avvertimenti. Uno è che non tutto ciò che riguarda il rapporto tra forma e funzione è necessariamente intuitivo.

La seconda, che segue dalla prima, è che le minuscole scale coinvolte nella valutazione degli atomi e le molecole e i composti che derivano da combinazioni di atomi creano il legame tra forma e funzione difficile da apprezzare a meno che non si sappia un po' di più su come gli atomi e le molecole interagiscono, specialmente nel contesto di un sistema vivente dinamico con vari e mutevoli momento per momento esigenze.

Prima di esplorare come la forma di un dato atomo, una molecola, un elemento o un composto è indispensabile alla sua funzione, è necessario capire esattamente cosa significano questi termini in chimica, poiché sono spesso usati in modo intercambiabile - a volte correttamente, a volte no.

Un atomo è l'unità strutturale più semplice di qualsiasi elemento. Tutti gli atomi sono costituiti da un certo numero di protoni, neutroni ed elettroni con l'idrogeno che è l'unico elemento che non contiene neutroni. Nella loro forma standard, tutti gli atomi di ciascun elemento hanno lo stesso numero di protoni con carica positiva ed elettroni con carica negativa.

Mentre ti sposti più in alto tavola periodica di elementi (vedi sotto), scopri che il numero di neutroni nella forma più comune di un dato atomo tende ad aumentare un po' più velocemente del numero di protoni. Un atomo che perde o guadagna neutroni mentre il numero di protoni rimane fisso è chiamato isotopo.

isotopi sono versioni diverse dello stesso atomo, con tutto lo stesso tranne che per il numero di neutroni. Questo ha implicazioni per la radioattività negli atomi, come imparerai presto.

Un elemento è un dato tipo di sostanza, e non può essere separato in componenti diversi, solo più piccoli. Ogni elemento ha la sua voce nella tavola periodica degli elementi, dove puoi trovare le proprietà fisiche (ad es. dimensione, la natura dei legami chimici formati) che distinguono qualsiasi elemento dagli altri 91 presenti in natura elementi.

Un agglomerato di atomi, non importa quanto grande, è considerato esistente come elemento se non include altri additivi. Potresti quindi imbatterti in un gas "elementare" di elio (He), che consiste solo di atomi di He. Oppure potresti imbatterti in un chilogrammo di "puro" (cioè, oro elementare, che conterrebbe un numero insondabile di atomi di Au; questa probabilmente non è un'idea su cui puntare il tuo futuro finanziario, ma è fisicamente possibile.

UN molecola è il più piccolo modulo di una determinata sostanza; quando vedi una formula chimica, come C₆H₁₂oh₆ (il glucosio zucchero), di solito vedi il suo molecolare formula. Il glucosio può esistere in lunghe catene chiamate glicogeno, ma questa non è la forma molecolare dello zucchero.

• Alcuni elementi, come He, esistono come molecole in forma atomica o monoatomica. Per questi, un atomo è una molecola. Altri, come l'ossigeno (O₂) esistono in forma biatomica nel loro stato naturale, perché questo è energeticamente favorevole.

Infine, a composto è qualcosa che contiene più di un tipo di elemento, come l'acqua (H₂O). Quindi, l'ossigeno molecolare non è ossigeno atomico; allo stesso tempo, sono presenti solo atomi di ossigeno, quindi il gas ossigeno non è un composto.

Non solo sono importanti le forme reali delle molecole, ma è importante anche solo essere in grado di fissarle nella tua mente. Puoi farlo nel "mondo reale" con l'aiuto di modelli a sfera e bastone, oppure puoi fare affidamento su più utile delle rappresentazioni bidimensionali di oggetti tridimensionali disponibili nei libri di testo o in linea.

L'elemento che si trova al centro (o se preferite, al livello molecolare più alto) di quasi tutta la chimica, in particolare la biochimica, è carbonio. Ciò è dovuto alla capacità del carbonio di formare quattro legami chimici, rendendolo unico tra gli atomi.

Ad esempio, il metano ha la formula CH₄ ed è costituito da un carbonio centrale circondato da quattro atomi di idrogeno identici. Come fare? idrogeno gli atomi si spaziano naturalmente in modo da consentire la massima distanza tra loro?

Si dà il caso che CH₄ assume una forma grossolanamente tetraedrica, o piramidale. Un modello a sfera e bastone posto su una superficie piana avrebbe tre atomi di H che formano la base della piramide, con l'atomo di C un po' più in alto e il quarto atomo di H arroccato direttamente sopra l'atomo di C. Ruotare la struttura in modo che una diversa combinazione di atomi di H formi la base triangolare della piramide in effetti non cambia nulla.

L'azoto forma tre legami, l'ossigeno due e l'idrogeno uno. Questi legami possono verificarsi in combinazione attraverso la stessa coppia di atomi.

Ad esempio, la molecola di acido cianidrico, o HCN, è costituita da un singolo legame tra H e C e da un triplo legame tra C e N. Conoscere sia la formula molecolare di un composto che il comportamento di legame dei suoi singoli atomi spesso consente di prevedere molto sulla sua struttura.

Il quattro classi di biomolecole sono i acidi nucleici, carboidrati, proteine, e lipidi (o grassi). Gli ultimi tre di questi potresti conoscere come "macro" in quanto sono le tre classi di macronutrienti che compongono la dieta umana.

Il due acidi nucleici sono l'acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA), e portano il codice genetico necessario per l'assemblaggio degli esseri viventi e di tutto ciò che è in essi.

I carboidrati o "carboidrati" sono costituiti da atomi di C, H e O. Questi sono sempre nel rapporto di 1:2:1 in questo ordine, mostrando ancora una volta l'importanza della forma molecolare. Anche i grassi hanno solo atomi di C, H e O, ma questi sono disposti in modo molto diverso rispetto ai carboidrati; le proteine ​​aggiungono alcuni atomi di N agli altri tre.

Il aminoacidi nelle proteine ​​sono esempi di acidi nei sistemi viventi. Le lunghe catene formate dai 20 diversi amminoacidi nel corpo sono la definizione di una proteina, una volta che queste catene di acidi sono sufficientemente lunghe.

Molto è stato detto sui legami qui, ma cosa sono esattamente questi in chimica?

Nel legami covalenti, gli elettroni sono condivisi tra gli atomi. Nel legami ionici, un atomo cede completamente i suoi elettroni all'altro atomo. Legami di idrogeno può essere pensato come un tipo speciale di legame covalente, ma uno a un livello molecolare diverso perché gli idrogeni hanno solo un elettrone con cui iniziare.

Interazioni di Van der Waals sono "legami" che si instaurano tra le molecole d'acqua; legami idrogeno e interazioni di van der Waals sono per il resto simili.