Vad är ett exempel i ett levande system på hur molekylär form är kritisk?

Under dina resor i vetenskapsvärlden eller bara i vardagen kanske du har stött på termen "form fit function" eller någon variation av samma fras. Generellt betyder det att utseendet på något du råkar ut är en trolig ledtråd om vad det gör eller hur det används. I många sammanhang är denna maxim så tydlig att den trotsar utforskningen.

Till exempel, om du stöter på ett objekt som kan hållas i handen och avger ljus från ena änden med en knapptryckning, du kan vara säker på att enheten är ett verktyg för att belysa den omedelbara miljön i avsaknad av tillräcklig naturlig ljus.

I biologiens värld (dvs. levande saker) håller denna maxim fortfarande med några försiktigheter. En är att inte allt om förhållandet mellan form och funktion nödvändigtvis är intuitivt.

Den andra, som följer från den första, är att de små skalorna som är involverade i bedömningen av atomer och de molekyler och föreningar som uppstår från kombinationer av atomer gör länken mellan form och fungerar svårt att uppskatta om du inte vet lite mer om hur atomer och molekyler interagerar, särskilt i ett dynamiskt levande system med olika och skiftande ögonblick till ögonblick behov.

Innan du utforskar hur formen på ett givet atom, en molekyl, ett element eller en förening är oumbärlig för dess funktion, är det nödvändigt att förstå exakt vad dessa termer betyder i kemi, eftersom de ofta används omväxlande - ibland korrekt, ibland inte.

Ett atom är den enklaste strukturella enheten i något element. Alla atomer består av ett visst antal protoner, neutroner och elektroner med väte som det enda elementet som inte innehåller några neutroner. I sin standardform har alla atomer i varje element samma antal positivt laddade protoner och negativt laddade elektroner.

När du rör dig högre upp periodiska systemet av element (se nedan) hittar du att antalet neutroner i den vanligaste formen av en given atom tenderar att stiga något snabbare än antalet protoner. En atom som förlorar eller får neutroner medan antalet protoner förblir fast kallas en isotop.

Isotoper är olika versioner av samma atom, med allt samma förutom neutronnummer. Detta har konsekvenser för radioaktivitet i atomer, som du snart lär dig.

Ett element är en given typ av ämne och kan inte separeras i olika komponenter, bara mindre. Varje element har sin egen post i det periodiska elementet, där du kan hitta de fysiska egenskaperna (t.ex. storlek, karaktären av bildade kemiska bindningar) som skiljer något element från de andra 91 naturligt förekommande element.

En tätbebyggelse av atomer, oavsett hur stor, anses existera som ett element om det inte innehåller några andra tillsatser. Du kan därför hända över "elementär" heliumgas (He), som bara består av Han-atomer. Eller så kan du hända över ett kilo "rent" (dvs. elementärt guld, som skulle innehålla ett ofattbart antal Au-atomer; detta är förmodligen inte en idé att satsa din ekonomiska framtid på, men det är fysiskt möjligt.

A molekyl är den minsta form av ett givet ämne; när du ser en kemisk formel, som C₆H₁₂O₆ (sockerglukos), ser du vanligtvis dess molekyl- formel. Glukos kan finnas i långa kedjor som kallas glykogen, men detta är inte den molekylära formen av sockret.

• Vissa element, såsom Han, finns som molekyler i atom- eller monatomform. För dessa är en atom en molekyl. Andra, som syre (O₂) finns i diatomisk form i deras naturliga tillstånd, eftersom detta är energiskt fördelaktigt.

Slutligen, a förening är något som innehåller mer än en typ av element, såsom vatten (H₂O). Således är molekylärt syre inte atomärt syre; samtidigt är endast syreatomer närvarande, så syrgas är inte en förening.

Inte bara är de faktiska formerna av molekyler viktiga, men bara att kunna fixa dessa i ditt sinne är också viktigt. Du kan göra detta i den "verkliga världen" med hjälp av kul-och-stick-modeller, eller så kan du lita på mer användbar av de tvådimensionella representationerna av tredimensionella objekt som finns i läroböcker eller uppkopplad.

Elementet som sitter i centrum (eller om du föredrar den högsta molekylära nivån) av praktiskt taget all kemi, särskilt biokemi, är kol. Detta beror på kolens förmåga att bilda fyra kemiska bindningar, vilket gör det unikt bland atomer.

Exempelvis har metan formeln CH₄ och består av ett centralt kol omgivet av fyra identiska väteatomer. Hur gör det väte attomerna naturligt rymmer sig för att tillåta maximalt avstånd mellan dem?

När det händer, CH₄ antar en ungefär tetraedral eller pyramidformad form. En kul-och-stick-modell på en plan yta skulle ha tre H-atomer som bildar basen av pyramiden, med C-atomen lite högre och den fjärde H-atomen uppflugen direkt över C-atomen. Att rotera strukturen så att en annan kombination av H-atomer bildar pyramidens triangulära bas ändrar i själva verket ingenting.

Kväve bildar tre bindningar, syre två och väte en. Dessa bindningar kan förekomma i kombination över samma par atomer.

Exempelvis består molekylen vätecyanid, eller HCN, av en enkelbindning mellan H och C och av en trippelbindning mellan C och N. Att känna till både molekylformeln för en förening och bindningsbeteendet hos dess enskilda atomer gör att du ofta kan förutsäga mycket om dess struktur.

De fyra klasser av biomolekyler är de nukleinsyror, kolhydrater, proteineroch lipider (eller fett). De sista tre av dessa kanske du känner till som "makron" eftersom de är de tre klasserna av makronäringsämnen som utgör den mänskliga kosten.

De två nukleinsyror är deoxiribonukleinsyra (DNA) och ribonukleinsyra (RNA), och de bär genetisk kod behövs för att samla levande saker och allt inuti dem.

Kolhydrater eller "kolhydrater" är gjorda av C-, H- och O-atomer. Dessa är alltid i förhållandet 1: 2: 1 i den ordningen och visar återigen vikten av molekylär form. Fetter har också bara C-, H- och O-atomer, men dessa är ordnade mycket annorlunda än i kolhydrater; proteiner adderar några N-atomer till de andra tre.

De aminosyror i proteiner är exempel på syror i levande system. Långa kedjor gjorda av de 20 olika aminosyrorna i kroppen är definitionen av ett protein, när dessa kedjor av syror är tillräckligt långa.

Mycket har sagts om bindningar här, men vad exakt är dessa inom kemi?

I kovalenta bindningardelas elektroner mellan atomer. I jonbindningar, en atom ger upp sina elektroner helt till den andra atomen. Vätebindningar kan betraktas som en speciell typ av kovalent bindning, men en på en annan molekylär nivå eftersom väten bara har en elektron till att börja med.

Van der Waals-interaktioner är "bindningar" som uppstår mellan vattenmolekyler; vätebindningar och van der Waals-interaktioner är i övrigt lika.