Kakšen je primer, kako pomembna je molekularna oblika v živem sistemu?

Med potovanji po znanstvenem svetu ali samo v vsakdanjem življenju ste morda že srečali izraz "oblika ustreza funkciji" ali kakšno različico iste fraze. Na splošno to pomeni, da je videz nečesa, kar se vam zgodi, verjetno namig o tem, kaj počne ali kako se uporablja. V mnogih kontekstih je ta maksima tako očitno očitna, da kljubuje raziskovanju.

Če na primer naletite na predmet, ki ga lahko držite v roki in s konca oddaja svetlobo s pritiskom na stikalo, lahko ste prepričani, da je naprava orodje za osvetlitev neposrednega okolja, če ni dovolj naravnega svetloba.

V svetu biologije (torej živih bitij) ta maksima še vedno drži nekaj opozoril. Eno je, da ni vse o odnosu med obliko in funkcijo nujno intuitivno.

Drugi, ki sledi prvemu, je, da drobne lestvice, ki sodelujejo pri ocenjevanju atomov in molekul ter spojin, ki izhajajo iz kombinacij atomov, naredijo povezavo med obliko in funkcijo težko ceniti, razen če veste malo več o tem, kako atomi in molekule medsebojno delujejo, zlasti v okviru dinamičnega živega sistema z različnimi in premikajočimi se trenutki potrebe.

Pred raziskovanjem, kako je obliko dana atom, molekula, element ali spojina je nujna za njeno delovanje, je treba razumeti kaj ti izrazi pomenijo v kemiji, saj jih pogosto uporabljamo zamenljivo - včasih pravilno, včasih ne.

An atom je najpreprostejša strukturna enota katerega koli elementa. Vsi atomi so sestavljeni iz določenega števila protonov, nevtronov in elektronov, pri čemer je vodik edini element, ki ne vsebuje nevtronov. V svoji standardni obliki imajo vsi atomi vsakega elementa enako število pozitivno nabitih protonov in negativno nabitih elektronov.

Ko se premikate višje, periodni sistem elementov (glej spodaj), ugotovite, da število nevtronov v najpogostejši obliki danega atoma narašča nekoliko hitreje kot število protonov. Atom, ki izgubi ali pridobi nevtrone, medtem ko število protonov ostane fiksno, se imenuje izotop.

Izotopi so različne različice istega atoma, pri čemer je vse enako, razen nevtronskega števila. Kot boste kmalu izvedeli, to vpliva na radioaktivnost v atomih.

An element je določena vrsta snovi in ​​je ni mogoče ločiti na različne sestavine, le manjše. Vsak element ima svoj vnos v periodnem sistemu elementov, kjer lahko najdete fizikalne lastnosti (npr. velikost, vrsta nastalih kemičnih vezi), ki ločujejo kateri koli element od ostalih 91 naravnih elementi.

Šteje se, da je aglomeracija atomov, ne glede na to, kako velika, obstaja kot element, če ne vsebuje nobenih drugih dodatkov. Zato se lahko zgodi, da se nahajate v "elementarnem" plinu helija (He), ki je sestavljen samo iz atomov He. Lahko pa se zgodi tudi kilogram "čistega" (tj. Elementarnega zlata, ki bi vsebovalo nedoločljivo število atomov Au; to verjetno ni ideja, na katero bi lahko postavili svojo finančno prihodnost, je pa fizično mogoče.

A molekula je najmanjša oblika dane snovi; ko vidite kemijsko formulo, kot je C₆H₁₂O₆ (glukoza v sladkorju), običajno jo vidite molekularno formula. Glukoza lahko obstaja v dolgih verigah, imenovanih glikogen, vendar to ni molekularna oblika sladkorja.

• Nekateri elementi, kot je He, obstajajo kot molekule v atomski ali monatomski obliki. Za te je atom molekula. Drugi, kot je kisik (O₂) obstajajo v dvoatomski obliki v naravnem stanju, ker je to energetsko ugodno.

Končno, a spojina vsebuje nekaj elementov, kot je voda (H₂O). Tako molekularni kisik ni atomski kisik; hkrati so prisotni samo atomi kisika, zato kisikov plin ni spojina.

Ne samo, da so pomembne dejanske oblike molekul, temveč je pomembno tudi to, da jih lahko popravite v mislih. To lahko storite v "resničnem svetu" s pomočjo modelov z žogo in palico ali pa se zanesete na več koristno od dvodimenzionalnih predstavitev tridimenzionalnih predmetov, ki so na voljo v učbenikih oz na spletu.

Element, ki leži v središču (ali če želite, najvišji molekularni ravni) tako rekoč vse kemije, zlasti biokemije, je ogljik. To je zaradi sposobnosti ogljika, da tvori štiri kemične vezi, zaradi česar je edinstven med atomi.

Na primer, metan ima formulo CH₄ in je sestavljen iz osrednjega ogljika, obkroženega s štirimi enakimi atomi vodika. Kako vodik atomi naravno razporedijo tako, da omogočajo največjo razdaljo med njimi?

Kot se zgodi, CH₄ ima približno tetraedrsko ali piramidalno obliko. Model krogle in palice, postavljen na ravno površino, bi imel tri atome H, ki tvorijo osnovo piramide, z atomom C nekoliko višje in četrtim atomom H, ki se nahaja neposredno nad atomom C. Z vrtenjem strukture, tako da drugačna kombinacija atomov H tvori trikotno osnovo piramide, pravzaprav ne spremeni ničesar.

Dušik tvori tri vezi, kisik dve in vodik eno. Te vezi se lahko pojavijo v kombinaciji v istem paru atomov.

Na primer, molekula vodikov cianid ali HCN je sestavljena iz enojne vezi med H in C in trojne vezi med C in N. Poznavanje molekularne formule spojine in vezanja posameznih atomov pogosto omogoča veliko napovedi o njeni strukturi.

The štirje razredi biomolekul so nukleinske kisline, ogljikovi hidrati, beljakovin, in lipidi (ali maščobe). Zadnje tri od teh morda poznate kot "makre", saj gre za tri razrede makrohranil, ki tvorijo človeško prehrano.

Dva nukleinska kislina sta deoksiribonukleinska kislina (DNA) in ribonukleinska kislina (RNA) in nosita genetska koda potrebni za sestavljanje živih bitij in vsega, kar je v njih.

Ogljikovi hidrati ali "ogljikovi hidrati" so narejeni iz atomov C, H in O. Ti so vedno v razmerju 1: 2: 1 v tem vrstnem redu, kar znova kaže na pomembnost molekularne oblike. Tudi maščobe imajo samo atome C, H in O, vendar so ti razporejeni zelo drugače kot v ogljikovih hidratih; beljakovine dodajo nekaj atomov N ostalim trem.

The amino kisline v beljakovinah so primeri kislin v živih sistemih. Dolge verige iz 20 različnih aminokislin v telesu so definicija beljakovin, ko so te verige kislin dovolj dolge.

Tu je bilo že veliko povedanega o vezah, a kaj natančno so to v kemiji?

V kovalentne vezi, elektroni si delijo med atomi. V ionske vezi, en atom svoje elektrone popolnoma preda drugemu atomu. Vodikove vezi lahko mislimo kot posebno vrsto kovalentne vezi, vendar takšno na drugačni molekularni ravni, ker imajo vodiki za začetek samo en elektron.

Van der Waalsove interakcije so "vezi", ki nastanejo med molekulami vode; vodikove vezi in van der Waalsove interakcije so sicer podobne.