Многие сложные молекулы, называемые макромолекулами, такие как белки, нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), углеводы и липиды, содержат клетки.
Макромолекулы представляют собой подмножество органических молекул (любых углеродосодержащих жидкостей, твердых тел или газов), которые особенно важны для жизни. Основополагающим компонентом для всех этих макромолекул является углерод. Атом углерода обладает уникальными свойствами, которые позволяют ему формировать ковалентные связи с четырьмя различными атомами, что делает этот универсальный элемент идеальным для использования в качестве основного структурного компонента, или "позвоночника" макромолекул.
Отдельные атомы углерода имеют неполную внешнюю электронную оболочку. С атомным числом 6 (шесть электронов и шесть протонов), первые два электрона заполняют внутреннюю оболочку, оставляя четыре во второй оболочке. Поэтому атомы углерода могут образовывать до четырех ковалентных связей с другими атомами в соответствии с октетомным правилом.
Примером может служить молекула метана: она имеет химическую формулу CH4. Каждый из четырех атомов водорода образует единую ковалентную связь с атомом углерода, разделяя пару электронов. В результате образуется заполненная внешняя оболочка.
Углеводороды
Углеводороды - это органические молекулы, полностью состоящие из углерода и водорода, такие как метан (CH4), описанные выше. В повседневной жизни мы часто используем углеводороды в качестве топлива - например, пропан в газовом гриле или бутан в зажигалке. Многочисленные ковалентные связи между атомами углеводородов накапливают большое количество энергии, которая высвобождается при горении (окислении) этих молекул.
Метан, отличное топливо, является самой простой молекулой углеводородов, с центральным атомом углерода, связанным с четырьмя различными атомами водорода. Форма его электронных орбит определяет форму геометрии молекулы метана, где атомы располагаются в трех измерениях. Углеводороды и четыре атома водорода образуют тетраэдр с четырьмя треугольными гранями. По этой причине мы описываем метан как метан с тетраэдрической геометрией. Будучи основой крупных молекул живых существ, углеводороды могут существовать как линейные углеводородные цепи, углеродные кольца или сочетания того и другого. Кроме того, индивидуальные связи "углерод-углерод" могут быть однократными, двухкратными или трехкратными ковалентными, и каждый тип связи оказывает специфическое влияние на геометрию молекулы. Эта трехмерная форма или конформация больших молекул жизни (макромолекул) имеет решающее значение для их функционирования.
Углеводородные цепи
Последовательные связи между атомами углерода образуют углеводородные цепочки. Они могут быть разветвленными или не разветвленными.
Кроме того, различные геометрии одинарных, двойных и тройных ковалентных связей молекулы изменяют общую геометрию. Углеводороды этан, эфир и этин служат примерами того, как различные связи углерода с углеводородом влияют на геометрию молекулы.
Двойные и тройные связи изменяют геометрию молекулы: одиночные позволяют вращаться вдоль оси связи, в то время как двойные связи приводят к плоской конфигурации, а тройные - к линейной. Эти геометрии оказывают значительное влияние на форму, которую может принимать та или иная молекула.
Изомеры
Трехмерное размещение атомов и химических связей в органических молекулах играет центральную роль в понимании их химии. Мы называем молекулы, которые имеют одну и ту же химическую формулу, но различаются по расположению (структуре) атомов и/или изомерам химических связей.
Структурные изомеры (такие как бутан и изобутен) отличаются расположением ковалентных связей: обе молекулы имеют четыре углерода и десять гидрогенов (C4H10), но различное расположение атомов внутри них приводит к различиям в их химических свойствах. Например, бутан подходит для использования в качестве топлива прикуривателей и горелок, изобутен - в качестве хладагента и топлива в аэрозольных баллончиках.
Геометрические изомеры, в качестве альтернативы, имеют похожие места расположения ковалентных связей, но отличаются тем, как они связаны с окружающими атомами, особенно в двойных связях углерод-углерод. В простом молекуле бутилена (C4H8) две метильные группы (CH3) могут находиться по обе стороны от центра двойной ковалентной связи с молекулой. Когда углеводороды связываются с одной и той же стороной двойной связи, это соответствует конфигурации СнГ. Если они находятся на противоположных сторонах двойной связи, то это транс-конфигурация.
В трансконфигурации углеводороды образуют более или менее линейную структуру, в то время как углеводороды в cis образуют изгиб (изменение направления) карбоновой кости. В триглицеридах (жирах и маслах) длинные углеродные цепочки, известные как жирные кислоты, могут содержать двойные связи, которые могут быть либо в конфигурации cis, либо в конфигурации трансфера. Жиры с хотя бы одной двойной связью между атомами углерода являются ненасыщенными жирами.
Когда некоторые из этих связей находятся в конфигурации cis, изгиб углеродной основы цепи означает, что молекулы триглицеридов не могут плотно упаковываться, поэтому они остаются жидкими (маслом) при комнатной температуре. В качестве альтернативы триглицериды с трансдуплексными двойными связями (обычно называемые трансжирами) имеют относительно линейные жирные кислоты, которые способны плотно связываться при комнатной температуре и образовывать твердые жиры.
В рационе питания человека трансжиры связаны с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, поэтому многие производители продуктов питания в последние годы сократили или вовсе отказались от их использования. В отличие от ненасыщенных жиров, мы называем триглицериды без двойной связи между атомами насыщенных углеродом жиров, что означает, что они содержат все доступные атомы водорода. Насыщенные жиры представляют собой твердые вещества при комнатной температуре и, как правило, животного происхождения.
Энантиомеры
Энантиомеры - это молекулы, которые имеют одинаковую химическую структуру и химические связи, но отличаются трехмерным расположением атомов таким образом, что они являются несопоставимыми зеркальными изображениями.
В природе белки образуют только L-формы аминокислот. Некоторые формы D аминокислот встречаются в клеточных стенках бактерий, но никогда в их белках. Аналогичным образом, D-форма глюкозы является основным продуктом фотосинтеза, и мы редко видим L-форму молекулы в природе.
Спасибо что дочитали до конца забудьте поставить лайк
