Các nhà khoa học khám phá các liên kết phân tử quan trọng đối với cấu trúc sự sống

Bạn đã bao giờ tự hỏi những lực vô hình nào giữ mọi nguyên tử trong cơ thể bạn lại với nhau, tạo nên một sinh vật sống, thở?Câu trả lời nằm trong lĩnh vực của các liên kết hóa học, những kiến trúc sư vi mô của thiên nhiên thiết kế nền tảng của sự sống.

Các sinh vật sống không chỉ đơn thuần là tập hợp các nguyên tử biệt lập mà còn là các hệ thống phức tạp nơi các nguyên tử tương tác thông qua các liên kết hóa học mạnh mẽ.Các liên kết này tạo thành các phân tử và tinh thể thông qua các kết nối mạnh hoặc tạo ra các liên kết tạm thời thông qua các tương tác yếu hơnCả hai loại - cho dù duy trì cấu trúc phân tử hoặc cho phép các phản ứng thoáng qua - đều rất quan trọng đối với các quá trình hóa học của sự sống.

Tại sao các nguyên tử tạo ra các liên kết? đơn giản, chúng tìm kiếm sự ổn định - trạng thái năng lượng thấp nhất.Nhiều người đạt được điều này bằng cách lấp đầy vỏ electron giá trị của họ hoặc thỏa mãn quy tắc octet (có tám electron giá trị)Khi các nguyên tử thiếu cấu hình này, chúng tạo ra các liên kết để tăng, mất hoặc chia sẻ các electron, đạt đến sự cân bằng.

Một số nguyên tử ổn định bằng cách hoàn toàn đạt được hoặc mất electron, trở thành các hạt tích điện gọi làionChuyển giao electron này hoàn thành lớp vỏ bên ngoài của chúng, làm cho chúng ổn định về năng lượng.

Các ion có hai dạng:

• Cation: Các ion tích điện tích cực được hình thành bằng cách mất electron (ví dụ, natri mất một electron để trở thành Na +).
• Anion: Các ion tích điện âm được hình thành bằng cách đạt được các electron (ví dụ, clo đạt được một electron để trở thành Cl−).

Một ví dụ điển hình là natri (Na) và clo (Cl). electron giá trị duy nhất của natri dễ dàng bị mất, tạo thành Na +, trong khi bảy electron giá trị của clo làm cho nó háo hức giành được một, trở thành Cl-.Sự hấp dẫn lẫn nhau của chúng tạo ra natri clorua muối bàn trong đó các ion sắp xếp trong một mạng lưới tinh thể 3D lặp đi lặp lại.

Các ion quan trọng về mặt sinh lý như natri, kali và canxi được gọi làchất điện giảiNhững hạt này cho phép các xung thần kinh, co thắt cơ bắp và cân bằng chất lỏng, thường được bổ sung bằng đồ uống thể thao sau khi nỗ lực.

Các nguyên tử cũng ổn định bằng cách chia sẻ electron, tạo thànhliên kết đồng hóaCác liên kết này chiếm ưu thế trong các hợp chất hữu cơ dựa trên cacbon như DNA và protein, cũng như các phân tử nhỏ hơn như H2O và CO2.

Các electron chia sẻ có thể dao động từ một đến ba cặp, tạo ra liên kết đơn, đôi hoặc ba. Ví dụ, trong nước (H2O), mỗi hydro chia sẻ một electron với oxy, tương ứng.Việc chia sẻ này bắt chước các vỏ valence hoàn chỉnh (hai electron cho hydro, tám cho oxy), ổn định phân tử.

Các liên kết tương ứng được chia thành hai loại:

• Băng dương: Các electron được chia sẻ không bằng nhau, dành nhiều thời gian hơn gần nguyên tử điện âm hơn (ví dụ, oxy trong nước), tạo ra các điện tích nhẹ (δ + và δ−).
• Không cực: Các electron được chia sẻ bằng nhau, như trong O2 hoặc methane (CH4), nơi các nguyên tử có điện âm tương tự.

Ngoài các liên kết mạnh, các tương tác yếu hơn như liên kết hydro và lực phân tán London đóng vai trò quan trọng.Các liên kết hydro hình thành khi một nguyên tử hydro (δ+) trong một liên kết cực thu hút một điện tích δ− lân cậnMặc dù riêng lẻ yếu, liên kết hydro tập thể ổn định DNA và protein.

Các lực London phát sinh từ sự mất cân bằng điện tử tạm thời, tạo ra sự hấp dẫn thoáng qua giữa các phân tử.

Trong tế bào, các liên kết sắp xếp các quá trình của sự sống. Các liên kết liên kết liên kết các khối xây dựng của DNA, trong khi các liên kết hydro nhẹ nhàng giữ lại xoắn ốc kép của nó, cho phép sao chép.Các ion và phân tử cực tương tác năng động trong nước, hình thành và phá vỡ các liên kết tạm thời.

Thật đáng kinh ngạc: hàng nghìn tỷ những tương tác này - mạnh và yếu, lâu dài và tạm thời - đang diễn ra trong cơ thể bạn ngay bây giờ, duy trì phép lạ của sự sống.