Wat is een voorbeeld in een levend systeem van hoe moleculaire vorm cruciaal is?

Tijdens uw reizen in de wetenschappelijke wereld of gewoon in het dagelijks leven, bent u misschien de term "vorm past bij functie" of een variant van dezelfde uitdrukking tegengekomen. Over het algemeen betekent dit dat de verschijning van iets dat je tegenkomt een waarschijnlijke aanwijzing is over wat het doet of hoe het wordt gebruikt. In veel contexten is deze stelregel zo duidelijk zichtbaar dat het elke verkenning tart.

Als u bijvoorbeeld een object tegenkomt dat in de hand kan worden gehouden en met één druk op een schakelaar licht uitstraalt vanaf het ene uiteinde, u kunt erop vertrouwen dat het apparaat een hulpmiddel is om de directe omgeving te verlichten bij gebrek aan voldoende natuurlijk licht.

In de wereld van de biologie (d.w.z. levende wezens) geldt deze stelregel nog steeds met een paar kanttekeningen. Een daarvan is dat niet alles over de relatie tussen vorm en functie noodzakelijkerwijs intuïtief is.

De tweede, in navolging van de eerste, is dat de minuscule schalen die betrokken zijn bij het beoordelen van atomen en de moleculen en verbindingen die ontstaan ​​uit combinaties van atomen het verband leggen tussen vorm en functioneren moeilijk te waarderen, tenzij je iets meer weet over hoe atomen en moleculen op elkaar inwerken, vooral in de context van een dynamisch levend systeem met verschillende en veranderende moment-tot-moment behoeften.

Voordat we onderzoeken hoe de vorm van een gegeven of atoom, een molecuul, een element of een verbinding is onmisbaar voor zijn functie, het is noodzakelijk om te begrijpen precies wat deze termen in de chemie betekenen, omdat ze vaak door elkaar worden gebruikt - soms correct, soms niet.

Een atoom is de eenvoudigste structurele eenheid van elk element. Alle atomen bestaan ​​uit een aantal protonen, neutronen en elektronen, waarbij waterstof het enige element is dat geen neutronen bevat. In hun standaardvorm hebben alle atomen van elk element hetzelfde aantal positief geladen protonen en negatief geladen elektronen.

Naarmate je hoger op de periodiek systeem van elementen (zie hieronder), zie je dat het aantal neutronen in de meest voorkomende vorm van een bepaald atoom de neiging heeft iets sneller te stijgen dan het aantal protonen. Een atoom dat neutronen verliest of krijgt terwijl het aantal protonen vast blijft, wordt een isotoop genoemd.

isotopen zijn verschillende versies van hetzelfde atoom, met alles hetzelfde behalve het neutronennummer. Dit heeft implicaties voor radioactiviteit in atomen, zoals je snel zult leren.

Een element is een bepaald type stof en kan niet worden gescheiden in verschillende componenten, alleen kleinere. Elk element heeft zijn eigen vermelding in het periodiek systeem der elementen, waar u de fysieke eigenschappen kunt vinden (bijv. grootte, de aard van de gevormde chemische bindingen) die elk element onderscheiden van de andere 91 in de natuur voorkomende elementen.

Een agglomeratie van atomen, hoe groot ook, wordt geacht te bestaan ​​als een element als het geen andere additieven bevat. Je zou daarom kunnen gebeuren met "elementair" helium (He) gas, dat alleen uit He-atomen bestaat. Of je zou een kilo "puur" kunnen tegenkomen (d.w.z. elementair goud, dat een onpeilbaar aantal Au-atomen zou bevatten; dit is waarschijnlijk geen idee waarop u uw financiële toekomst kunt inzetten, maar het is fysiek mogelijk.

EEN molecuul is de kleinste het formulier van een bepaalde stof; wanneer je een chemische formule ziet, zoals C₆H₁₂O₆ (de suikerglucose), zie je meestal zijn moleculair formule. Glucose kan voorkomen in lange ketens die glycogeen worden genoemd, maar dit is niet de moleculaire vorm van de suiker.

• Sommige elementen, zoals Hij, bestaan ​​als moleculen in atomaire of monatomische vorm. Voor deze is een atoom een ​​molecuul. Anderen, zoals zuurstof (O₂) bestaan ​​in diatomische vorm in hun natuurlijke staat, omdat dit energetisch gunstig is.

Eindelijk, een verbinding is iets dat meer dan één soort element bevat, zoals water (H₂O). Moleculaire zuurstof is dus geen atomaire zuurstof; tegelijkertijd zijn alleen zuurstofatomen aanwezig, dus zuurstofgas is geen verbinding.

Niet alleen de daadwerkelijke vormen van moleculen zijn belangrijk, maar het is ook belangrijk om deze in je geest vast te kunnen leggen. U kunt dit in de "echte wereld" doen met behulp van ball-and-stick-modellen, of u kunt vertrouwen op de meer nuttig van de tweedimensionale representaties van driedimensionale objecten die beschikbaar zijn in leerboeken of online.

Het element dat centraal staat (of, als je wilt, het hoogste moleculaire niveau) van vrijwel de hele chemie, in het bijzonder de biochemie, is koolstof. Dit komt door het vermogen van koolstof om vier chemische bindingen te vormen, waardoor het uniek is onder atomen.

Methaan heeft bijvoorbeeld de formule CH₄ en bestaat uit een centrale koolstof omringd door vier identieke waterstofatomen. Hoe doen de waterstof atomen van nature uit elkaar schuiven om de maximale afstand tussen hen mogelijk te maken?

Zoals het gebeurt, CH₄ neemt een ruwweg tetraëdrische of piramidale vorm aan. Een bal-en-stokmodel op een vlak oppervlak zou drie H-atomen hebben die de basis van de piramide vormen, met het C-atoom iets hoger en het vierde H-atoom direct boven het C-atoom. Het roteren van de structuur zodat een andere combinatie van H-atomen de driehoekige basis van de piramide vormt, verandert in feite niets.

Stikstof vormt drie bindingen, zuurstof twee en waterstof één. Deze bindingen kunnen in combinatie voorkomen over hetzelfde paar atomen.

Het molecuul waterstofcyanide, of HCN, bestaat bijvoorbeeld uit een enkele binding tussen H en C en uit een drievoudige binding tussen C en N. Als je zowel de molecuulformule van een verbinding als het bindingsgedrag van de afzonderlijke atomen kent, kun je vaak veel voorspellen over de structuur ervan.

De vier klassen van biomoleculen zijn de nucleïnezuren, koolhydraten, eiwitten, en lipiden (of vetten). De laatste drie hiervan ken je misschien als 'macro's', omdat het de drie klassen van macronutriënten zijn waaruit het menselijke dieet bestaat.

De twee nucleïnezuren zijn deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA), en ze dragen de genetische code nodig voor de verzameling van levende wezens en alles wat erin zit.

Koolhydraten of "koolhydraten" zijn gemaakt van C-, H- en O-atomen. Deze zijn altijd in de verhouding 1:2:1 in die volgorde, wat opnieuw het belang van de moleculaire vorm laat zien. Vetten hebben ook alleen C-, H- en O-atomen, maar deze zijn heel anders gerangschikt dan in koolhydraten; eiwitten voegen wat N-atomen toe aan de andere drie.

De aminozuren in eiwitten zijn voorbeelden van zuren in levende systemen. Lange ketens gemaakt van de 20 verschillende aminozuren in het lichaam zijn de definitie van een eiwit, zodra deze ketens van zuren voldoende lang zijn.

Er is hier al veel gezegd over bindingen, maar wat zijn deze precies in de chemie?

In covalente bindingen, worden elektronen gedeeld tussen atomen. In Ionische bindingen, staat het ene atoom zijn elektronen volledig af aan het andere atoom. Waterstofbruggen kan worden gezien als een speciaal soort covalente binding, maar één op een ander moleculair niveau omdat waterstofatomen in het begin maar één elektron hebben.

Van der Waals interacties zijn "bindingen" die optreden tussen watermoleculen; waterstofbruggen en van der Waals-interacties zijn verder vergelijkbaar.