2.3: Carbon
- Page ID
- 175312
Ujuzi wa Kuendeleza
- Eleza kwa nini kaboni ni muhimu kwa maisha
- Eleza jukumu la makundi ya kazi katika molekuli za kibiolojia
Seli hutengenezwa kwa molekuli nyingi tata zinazoitwa macromolecules, kama vile protini, asidi nucleic (RNA na DNA), wanga, na lipidi. Macromolecules ni subset ya molekuli za kikaboni (kioevu chochote kilicho na kaboni, imara, au gesi) ambazo ni muhimu hasa kwa maisha. Sehemu ya msingi kwa macromolecules hizi zote ni kaboni. Atomu ya kaboni ina mali ya pekee ambayo inaruhusu kuunda vifungo vya covalent kwa atomi nyingi kama nne tofauti, na kufanya kipengele hiki cha hodari kizuri kutumikia kama sehemu ya msingi ya kimuundo, au “uti wa mgongo,” wa macromolecules.
Atomi za kaboni za kibinafsi zina shell ya elektroni ya nje isiyo kamili. Kwa namba atomia ya 6 (elektroni sita na protoni sita), elektroni mbili za kwanza zinajaza ganda la ndani, na kuacha nne katika ganda la pili. Kwa hiyo, atomi za kaboni zinaweza kuunda vifungo vinne vya covalent na atomi nyingine ili kukidhi utawala wa octet. Molekuli ya methane hutoa mfano: ina formula ya kemikali CH 4. Kila moja ya atomi zake nne za hidrojeni huunda dhamana moja ya covalent na atomi ya kaboni kwa kugawana jozi ya elektroni. Hii inasababisha shell iliyojaa nje.
Hidrokaboni
Hidrokaboni ni molekuli za kikaboni zenye kaboni na hidrojeni kabisa, kama vile methane (CH 4) ilivyoelezwa hapo juu. Mara nyingi tunatumia hidrokaboni katika maisha yetu ya kila siku kama mafuta-kama propane katika grill ya gesi au butane katika nyepesi. Vifungo vingi vya covalent kati ya atomi katika hidrokaboni huhifadhi kiasi kikubwa cha nishati, ambayo hutolewa wakati molekuli hizi zinachomwa moto (iliyooksidishwa). Methane, mafuta bora, ni rahisi hydrocarbon molekuli, na kati carbon atomi bonded kwa atomi nne tofauti hidrojeni, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\). Jiometri ya molekuli ya methane, ambapo atomi huishi katika vipimo vitatu, imedhamiriwa na sura ya orbitali zake za elektroni. Kaboni na atomi nne za hidrojeni huunda umbo linalojulikana kama tetrahedroni, lenye nyuso nne za pembetatu; kwa sababu hii, methane inaelezewa kuwa na jiometri ya tetrahedral.

Kama uti wa mgongo wa molekuli kubwa za vitu vilivyo hai, hidrokaboni zinaweza kuwepo kama minyororo ya kaboni linear, pete za kaboni, au mchanganyiko wa wote wawili. Zaidi ya hayo, mtu binafsi carbon-to-carbon vifungo inaweza kuwa moja, mara mbili, au mara tatu covalent vifungo, na kila aina ya dhamana huathiri jiometri ya molekuli kwa namna fulani. Sura hii tatu-dimensional au conformation ya molekuli kubwa ya maisha (macromolecules) ni muhimu kwa jinsi kazi.
Hydrocarbon Chains
Minyororo ya hidrokaboni hutengenezwa na vifungo vya mfululizo kati ya atomi za kaboni na inaweza kuwa matawi au kutokuwa na matawi. Zaidi ya hayo, jiometri ya jumla ya molekuli ni kubadilishwa na geometries tofauti ya moja, mara mbili, na mara tatu vifungo covalent, mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Ethane ya hidrokaboni, ethene, na ethyne hutumika kama mifano ya jinsi vifungo tofauti vya kaboni-kwa-kaboni vinavyoathiri jiometri ya molekuli. Majina ya molekuli zote tatu huanza na kiambishi awali “eth-,” ambacho ni kiambishi awali cha hidrokaboni mbili za kaboni. Viambishi “-ane,” “-ene,” na “-yne” vinataja kuwepo kwa vifungo moja, mara mbili, au mara tatu vya kaboni-kaboni, kwa mtiririko huo. Hivyo propane, propeni, na propini hufuata muundo uleule na molekuli tatu za kaboni, butane, butane, na butyne kwa molekuli nne za kaboni, na kadhalika. Vifungo viwili na vitatu vinabadilisha jiometri ya molekuli: vifungo moja vinaruhusu mzunguko pamoja na mhimili wa dhamana, wakati vifungo viwili vinaongoza kwa usanidi wa mipango na vifungo vitatu kwa mstari mmoja. Jiometri hizi zina athari kubwa kwa umbo molekuli fulani inayoweza kudhani.

Hydrocarbon pete
Hadi sasa, hidrokaboni ambazo tumejadiliwa zimekuwa hidrokaboni za aliphatic, ambazo zinajumuisha minyororo ya mstari wa atomi za kaboni. Aina nyingine ya hidrokaboni, hidrokaboni yenye kunukia, ina pete zilizofungwa za atomi za kaboni. Miundo ya pete hupatikana katika hidrokaboni, wakati mwingine na kuwepo kwa vifungo viwili, ambavyo vinaweza kuonekana kwa kulinganisha muundo wa cyclohexane kwa benzini katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Mifano ya molekuli kibiolojia kwamba kuingiza pete benzini ni pamoja na baadhi ya asidi amino na cholesterol na derivatives yake, ikiwa ni pamoja na homoni estrogen Pete ya benzini pia inapatikana katika dawa ya dawa 2,4-D. Benzini ni sehemu ya asili ya mafuta yasiyosafishwa na imeainishwa kama kansa. Baadhi ya hidrokaboni zina sehemu zote za aliphatic na za kunukia; beta-carotene ni mfano wa hidrokaboni hiyo.

Waisoma
Uwekaji wa pande tatu wa atomi na vifungo vya kemikali ndani ya molekuli za kikaboni ni muhimu katika kuelewa kemia yao. Molekuli zinazoshiriki fomula sawa ya kemikali lakini zinatofautiana katika uwekaji (muundo) wa atomi zao na/au vifungo vya kemikali hujulikana kama isoma. Miundo isoma (kama butane na isobutene inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) tofauti katika uwekaji wa vifungo vyao covalent: molekuli zote mbili zina kaboni nne na hidrojeni kumi (C 4 H 10), lakini utaratibu tofauti wa atomi ndani ya molekuli husababisha tofauti kemikali zao mali. Kwa mfano, kutokana na mali zao tofauti za kemikali, butane inafaa kwa matumizi kama mafuta kwa nyepesi za sigara na taa, wakati isobutene inafaa kwa matumizi kama refrigerant na propellant katika makopo ya dawa.
Isoma za kijiometri, kwa upande mwingine, zina uwekaji sawa wa vifungo vyao vya covalent lakini hutofautiana katika jinsi vifungo hivi vinavyotengenezwa kwa atomi zinazozunguka, hasa katika vifungo viwili vya kaboni-kwa-kaboni. Katika rahisi molekuli butene (C 4 H 8), makundi mawili methyl (CH 3) inaweza kuwa upande wa dhamana mbili covalent kati ya molekuli, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) b. kaboni ni amefungwa upande huo wa dhamana mbili, hii ni cis Configuration; kama ni pande kinyume cha dhamana mara mbili, ni trans Configuration. Katika usanidi wa trans, kaboni huunda muundo zaidi au chini ya mstari, wakati kaboni katika usanidi wa cis hufanya bend (mabadiliko katika mwelekeo) wa mgongo wa kaboni.
Sanaa Connection

Ni ipi kati ya kauli zifuatazo ni uongo?
- Molekuli na formula CH 3 CH 2 COOH na C 3 H 6 O 2 inaweza kuwa isomers miundo.
- Molekuli lazima kuwa na dhamana mara mbili kuwa isomers Cis-trans.
- Ili kuwa enantiomers, molekuli lazima iwe na angalau atomi tatu tofauti au vikundi vinavyounganishwa na kaboni ya kati.
- Ili kuwa enantiomers, molekuli lazima iwe na angalau atomi nne tofauti au vikundi vinavyounganishwa na kaboni ya kati.
Katika triglycerides (mafuta na mafuta), minyororo ya muda mrefu kaboni inayojulikana kama fatty kali inaweza kuwa na vifungo mara mbili, ambayo inaweza kuwa katika aidha cis au trans Configuration, mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{5}\). Mafuta yenye angalau dhamana moja mara mbili kati ya atomi za kaboni ni mafuta yasiyotumiwa. Wakati baadhi ya vifungo hivi viko katika usanidi wa cis, bend inayosababisha katika uti wa mgongo wa kaboni ya mnyororo ina maana kwamba molekuli ya triglyceride haiwezi pakiti kwa ukali, hivyo hubakia kioevu (mafuta) kwenye joto la kawaida. Kwa upande mwingine, triglycerides na trans vifungo mara mbili (maarufu aitwaye trans mafuta), na kiasi linear fatty kali kwamba ni uwezo wa pakiti kukazwa pamoja katika joto la kawaida na kuunda mafuta imara. Katika chakula cha binadamu, mafuta ya trans yanahusishwa na hatari kubwa ya ugonjwa wa moyo, wazalishaji wengi wa chakula wamepungua au kuondokana na matumizi yao katika miaka ya hivi karibuni. Tofauti na mafuta yasiyotokana, triglycerides bila vifungo mara mbili kati ya atomi za kaboni huitwa mafuta yaliyojaa, maana yake yana vyenye atomi zote za hidrojeni zinazopatikana. Mafuta yaliyojaa ni imara kwenye joto la kawaida na kwa kawaida ya asili ya wanyama.

Enantiomers
Enantiomers ni molekuli zinazoshiriki muundo wa kemikali sawa na vifungo vya kemikali lakini hutofautiana katika uwekaji wa atomi tatu-dimensional ili ziwe picha za kioo. Kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{6}\), amino asidi alanine mfano, miundo miwili ni yasiyo ya superimposable. Kwa asili, aina za L tu za amino asidi hutumiwa kufanya protini. Baadhi ya aina D za amino asidi huonekana katika kuta za seli za bakteria, lakini kamwe katika protini zao. Vile vile, aina ya D ya glucose ni bidhaa kuu ya photosynthesis na fomu ya L ya molekuli haionekani mara kwa mara katika asili.

Vikundi vya Kazi
Makundi ya kazi ni makundi ya atomi yanayotokea ndani ya molekuli na hutoa mali maalum za kemikali kwa molekuli hizo. Wao hupatikana kando ya “mgongo wa kaboni” wa macromolecules. Uti huu wa mgongo wa kaboni hutengenezwa kwa minyororo na/au pete za atomi za kaboni na badala ya mara kwa mara ya elementi kama nitrojeni au oksijeni. Molekuli na elementi nyingine katika uti wa mgongo wao wa kaboni hubadilishwa hidrokaboni.
Makundi ya kazi katika macromolecule kawaida huunganishwa na uti wa mgongo wa kaboni kwenye sehemu moja au kadhaa tofauti pamoja na muundo wake na/au pete. Kila moja ya aina nne za macromolecules-protini, lipidi, wanga, na asidi nucleiki-ina seti yake ya tabia ya makundi ya kazi ambayo huchangia sana tabia zake tofauti za kemikali na kazi yake katika viumbe hai.
Kikundi cha kazi kinaweza kushiriki katika athari maalum za kemikali. Baadhi ya makundi muhimu ya kazi katika molekuli ya kibiolojia yanaonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{7}\); wao ni pamoja na: hydroxyl, methyl, carbonyl, carboxyl, amino, phosphate, na sulfhydryl. Makundi haya yana jukumu muhimu katika malezi ya molekuli kama DNA, protini, wanga, na lipidi. Makundi ya kazi kwa kawaida huwekwa kama hydrophobic au hydrophilic kulingana na sifa zao za malipo au polarity. Mfano wa kundi la hydrophobic ni molekuli isiyo ya polar ya methane. Miongoni mwa makundi ya kazi ya hydrophilic ni kundi la carboxyl linalopatikana katika amino asidi, baadhi ya minyororo ya upande wa amino asidi, na asidi ya mafuta ambayo huunda triglycerides na phospholipids. Kikundi hiki cha carboxyl ionizes kutolewa ions hidrojeni (H +) kutoka kikundi cha COOH na kusababisha kikundi cha COO cha kushtakiwa vibaya; hii inachangia asili ya hydrophilic ya molekuli yoyote inapatikana. Vikundi vingine vya kazi, kama vile kundi la kabonili, vina atomi ya oksijeni yenye chaji vibaya ambayo inaweza kuunda vifungo vya hidrojeni na molekuli za maji, tena na kuifanya molekuli kuwa hidrojeni kuwa hidrojeni zaidi.

Vifungo vya hidrojeni kati ya vikundi vya kazi (ndani ya molekuli moja au kati ya molekuli tofauti) ni muhimu kwa kazi ya macromolecules nyingi na kuwasaidia kufungia vizuri ndani na kudumisha sura sahihi ya kufanya kazi. Hidrojeni dhamana pia kushiriki katika michakato mbalimbali kutambua, kama vile DNA nyongeza msingi pairing na kisheria ya enzyme substrate yake, kama mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{8}\).

Muhtasari
Mali ya kipekee ya kaboni hufanya kuwa sehemu kuu ya molekuli za kibiolojia. Carbon hufunga kwa oksijeni, hidrojeni, na nitrojeni covalently kuunda molekuli nyingi muhimu kwa ajili ya kazi za mkononi. Kaboni ina elektroni nne katika ganda lake la nje na linaweza kuunda vifungo vinne. Kaboni na hidrojeni zinaweza kuunda minyororo au pete za hidrokaboni Makundi ya kazi ni vikundi vya atomi vinavyotoa mali maalum kwa minyororo au pete za hidrokaboni (au zilizobadilishwa hidrokaboni) zinazofafanua sifa zao za jumla za kemikali na kazi.
Sanaa Connections
Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Ni ipi kati ya kauli zifuatazo ni uongo?
- Molekuli na formula CH 3 CH 2 COOH na C 3 H 6 O 2 inaweza kuwa isomers miundo.
- Molekuli lazima kuwa na dhamana mara mbili kuwa cis - trans isomers.
- Ili kuwa enantiomers, molekuli lazima iwe na angalau atomi tatu tofauti au vikundi vinavyounganishwa na kaboni ya kati.
- Ili kuwa enantiomers, molekuli lazima iwe na angalau atomi nne tofauti au vikundi vinavyounganishwa na kaboni ya kati.
- Jibu
-
C
faharasa
- hidrokaboni ya aliphatic
- hydrocarbon yenye mlolongo wa mstari wa atomi za kaboni
- kunukia hidrokaboni
- hydrocarbon yenye pete zilizofungwa za atomi za kaboni
- enantiomers
- molekuli kwamba kushiriki muundo wa jumla na mifumo bonding, lakini tofauti katika jinsi atomi ni tatu dimensionally kuwekwa kama kwamba wao ni kioo picha ya kila mmoja
- kikundi cha kazi
- kundi la atomi ambayo hutoa au inatoa kazi maalum kwa mifupa carbon
- isoma ya kijiometri
- isoma na mifumo sawa ya kuunganisha tofauti katika uwekaji wa atomi pamoja na dhamana ya covalent mbili
- haidrokaboni
- molekuli ambayo ina tu ya kaboni na hidrojeni
- isoma
- molekuli kwamba tofauti kutoka kwa mtu mwingine hata kama kushiriki sawa kemikali formula
- molekuli kikaboni
- molekuli yoyote yenye kaboni (isipokuwa dioksidi kaboni)
- isoma za kimuundo
- molekuli kwamba kushiriki formula kemikali lakini tofauti katika uwekaji wa vifungo yao kemikali
- hydrocarbon iliyobadilishwa
- hydrocarbon mnyororo au pete zenye atomi ya elementi nyingine badala ya moja ya kaboni uti wa mgongo