2.3 Kolefni

Hæfniviðmið

Að loknum þessum hluta getur þú:

• Útskýrt hvers vegna kolefni er mikilvægt fyrir líf
• Lýst hlutverki virknihópa í lífsameindum

Margar flóknar sameindir sem kallast stórsameindir, svo sem prótein, kjarnsýrur (RNA og DNA), kolvetni og lípíð, mynda frumur. Stórsameindir eru undirflokkur lífrænna sameinda, það er vökva, fastra efna eða gasa sem innihalda kolefni, og eru sérstaklega mikilvægar fyrir líf. Grunneining allra þessara stórsameinda er kolefni. Kolefnisatómið hefur einstaka eiginleika sem gera því kleift að mynda samgild tengi við allt að fjögur mismunandi atóm. Þessi fjölhæfni gerir kolefni að kjörinni grunnbyggingareiningu, eða „beinagrind“, stórsameinda.

Einstök kolefnisatóm hafa ófyllt ysta rafeindahvel. Kolefni hefur sætistöluna 6, það er sex rafeindir og sex róteindir. Fyrstu tvær rafeindirnar fylla innsta hvelið og fjórar verða eftir í öðru hveli. Þess vegna geta kolefnisatóm myndað allt að fjögur samgild tengi við önnur atóm til að uppfylla átturegluna. Metansameindin er dæmi um þetta: hún hefur efnaformúluna CH₄. Hvert af fjórum vetnisatómum hennar myndar eitt samgilt tengi við kolefnisatómið með því að deila rafeindapari. Þetta leiðir til fyllts ysta hvels.

Vetniskolefni

Vetniskolefni eru lífrænar sameindir sem samanstanda eingöngu af kolefni og vetni, eins og metan (CH₄) sem lýst var hér að ofan. Við notum oft vetniskolefni í daglegu lífi sem eldsneyti, til dæmis própan í gasgrilli eða bútan í kveikjara. Fjöldi samgildra tengja milli atómanna í vetniskolefnum geymir mikla orku sem losnar þegar þessar sameindir brenna, eða oxast. Metan er frábært eldsneyti og einfaldasta vetniskolefnissameindin, með miðlægt kolefnisatóm tengt fjórum vetnisatómum, eins og mynd 2.21 sýnir. Lögun rafeindasvigrúma metans ákvarðar þrívíða rúmgerð sameindarinnar. Kolefnisatómið og vetnisatómin fjögur mynda fjórflötung með fjórum þríhyrndum flötum. Þess vegna er sagt að metan hafi fjórflötungsrúmgerð.

Sem beinagrind stórra sameinda í lifandi verum geta vetniskolefni verið línulegar kolefniskeðjur, kolefnishringir eða blanda af hvoru tveggja. Einstök tengi milli kolefnisatóma geta einnig verið einföld, tvöföld eða þreföld samgild tengi og hver tengjagerð hefur ákveðin áhrif á rúmgerð sameindarinnar. Þessi þrívíða lögun eða bygging stórsameinda lífsins skiptir sköpum fyrir virkni þeirra.

Vetniskolefniskeðjur

Samfelld tengi milli kolefnisatóma mynda vetniskolefniskeðjur. Þær geta verið greinóttar eða ógreinóttar. Mismunandi rúmgerð einfaldra, tvöfaldra og þrefaldra samgildra tengja breytir einnig heildarrúmgerð sameindarinnar, eins og mynd 2.22 sýnir. Vetniskolefnin etan, eten og etýn sýna hvernig mismunandi tengi milli kolefnisatóma hafa áhrif á rúmgerð sameindar. Nöfn allra þriggja sameindanna byrja á forskeytinu „et-“, sem táknar vetniskolefni með tveimur kolefnisatómum. Viðskeytin „-an“, „-en“ og „-ýn“ vísa til einfaldra, tvöfaldra eða þrefaldra kolefnis-kolefnistengja, í þessari röð. Þannig fylgja própan, própen og própýn sama mynstri fyrir þrjú kolefnisatóm, og bútan, búten og bútýn fyrir fjögur kolefnisatóm. Tvítengi og þrítengi breyta rúmgerð sameindarinnar: einföld tengi leyfa snúning um tengjaásinn, tvítengi leiða til flatrar byggingar og þrítengi til línulegrar byggingar. Þessi rúmgerð hefur veruleg áhrif á þá lögun sem tiltekin sameind getur tekið á sig.

Vetniskolefnishringir

Hingað til hafa vetniskolefnin sem við höfum rætt verið alífatísk vetniskolefni, sem samanstanda af línulegum keðjum kolefnisatóma og geta stundum myndað hringi með eingöngu einföldum tengjum, eins og sýnt er á mynd 2.23 með sýklópentani og sýklóhexani. Önnur gerð vetniskolefna, arómatísk vetniskolefni, samanstendur af lokuðum hringjum kolefnisatóma með víxlum einfaldra og tvöfaldra tengja. Hringbyggingar finnast í alífatískum vetniskolefnum, þar sem aðeins eru einföld tengi milli kolefna, eins og í sýklóhexani, en einnig í arómatískum vetniskolefnum, eins og bensenhringnum með víxlum einfaldra og tvöfaldra tengja á mynd 2.23. Dæmi um lífsameindir sem innihalda bensenhring eru sumar amínósýrur, kólesteról og afleiður þess, þar á meðal hormónin estrógen og testósterón. Bensenhringur finnst einnig í illgresiseyðinum 2,4-D. Bensen er náttúrulegur hluti hráolíu og hefur verið flokkað sem krabbameinsvaldandi efni. Sum vetniskolefni hafa bæði alífatíska og arómatíska hluta. Beta-karótín er dæmi um slíkt vetniskolefni.

Hverfur

Þrívíð staðsetning atóma og efnatengja í lífrænum sameindum er lykilatriði til að skilja efnafræði þeirra. Sameindir sem hafa sömu efnaformúlu en eru ólíkar að staðsetningu, eða byggingu, atóma sinna og/eða efnatengja kallast hverfur. Byggingarhverfur, eins og bútan og ísóbútan á mynd 2.24a, eru ólíkar að staðsetningu samgildra tengja: báðar sameindirnar hafa fjögur kolefni og tíu vetni (C₄H₁₀), en mismunandi niðurröðun atóma innan sameindanna leiðir til ólíkra efnaeiginleika. Til dæmis hentar bútan sem eldsneyti í sígarettukveikjara og logsuðutæki, en ísóbútan hentar sem kælimiðill og drifefni í úðabrúsum.

Rúmhverfur hafa hins vegar svipaða staðsetningu samgildra tengja en eru ólíkar að því hvernig þessi tengi snúa gagnvart nærliggjandi atómum, sérstaklega í tvítengjum milli kolefna. Í einföldu sameindinni búteni (C₄H₈) geta tveir metýlhópar (CH₃) verið sömu megin eða hvor sínum megin við tvöfalda samgilda tengið í miðju sameindarinnar, eins og mynd 2.24b sýnir. Þegar hóparnir eru sömu megin við tvítengið er sameindin í cis-stillingu. Ef þeir eru gagnstæðum megin við tvítengið er sameindin í trans-stillingu. Í trans-stillingu mynda kolefnin nokkurn veginn línulega byggingu, en í cis-stillingu myndast beygja í kolefnisbeinagrindinni.

Myndræn tengsl

Hver eftirfarandi fullyrðinga er röng?

1. Sameindir með formúlurnar CH₃CH₂COOH og C₃H₆O₂ gætu verið byggingarhverfur.
2. Sameindir verða að hafa tvítengi til að vera cis-trans-hverfur.
3. Til að vera spegilhverfur verður sameind að hafa að minnsta kosti þrjú mismunandi atóm eða hópa tengda við miðlægt kolefni.
4. Til að vera spegilhverfur verður sameind að hafa að minnsta kosti fjögur mismunandi atóm eða hópa tengda við miðlægt kolefni.

Í þríglýseríðum, það er fitu og olíum, geta langar kolefniskeðjur sem kallast fitusýrur innihaldið tvítengi sem geta verið í annaðhvort cis- eða trans-stillingu, eins og mynd 2.25 sýnir. Fita með að minnsta kosti eitt tvítengi milli kolefnisatóma er ómettuð fita. Þegar sum þessara tengja eru í cis-stillingu veldur beygjan í kolefnisbeinagrind keðjunnar því að þríglýseríðsameindirnar geta ekki pakkast þétt saman og haldast því fljótandi, sem olía, við stofuhita. Þríglýseríð með trans-tvítengjum, almennt kölluð transfitur, hafa aftur á móti tiltölulega línulegar fitusýrur sem geta pakkast þétt saman við stofuhita og myndað fasta fitu. Í mataræði manna eru transfitur tengdar aukinni hættu á hjarta- og æðasjúkdómum og margir matvælaframleiðendur hafa því dregið úr notkun þeirra eða hætt henni á undanförnum árum. Ólíkt ómettaðri fitu kallast þríglýseríð án tvítengja milli kolefnisatóma mettuð fita, sem merkir að þau innihalda öll þau vetnisatóm sem geta tengst. Mettuð fita er föst við stofuhita og kemur venjulega úr dýraríkinu.

Spegilhverfur

Spegilhverfur eru sameindir sem hafa sömu efnafræðilegu byggingu og efnatengi en ólíka þrívíða staðsetningu atóma, þannig að þær eru ósamfallanlegar spegilmyndir hvor annarrar. Mynd 2.26 sýnir dæmi um amínósýruna alanín, þar sem byggingarnar tvær falla ekki saman. Í náttúrunni eru L-form amínósýra ríkjandi í próteinum. Sum D-form amínósýra finnast í frumuveggjum baktería og fjölpeptíðum í öðrum lífverum. Á sama hátt er D-form glúkósa aðalafurð ljóstillífunar og L-form sameindarinnar sést sjaldan í náttúrunni.

Virknihópar

Virknihópar eru hópar atóma í sameindum sem gefa sameindunum sérstaka efnaeiginleika. Þeir finnast meðfram kolefnisbeinagrind stórsameinda. Keðjur og/eða hringir kolefnisatóma, með stöku útskiptingu á frumefni eins og nitri eða súrefni, mynda þessa kolefnisbeinagrind. Sameindir með önnur frumefni í kolefnisbeinagrind sinni kallast setin vetniskolefni.

Virknihópar í stórsameind eru venjulega tengdir við kolefnisbeinagrindina á einum eða fleiri stöðum meðfram keðju hennar og/eða hringbyggingu. Hver af fjórum gerðum stórsameinda, prótein, lípíð, kolvetni og kjarnsýrur, hefur sitt eigið einkennandi sett virknihópa sem stuðlar mjög að ólíkum efnaeiginleikum þeirra og virkni í lifandi lífverum.

Virknihópur getur tekið þátt í sérstökum efnahvörfum. Mynd 2.27 sýnir nokkra mikilvæga virknihópa í lífsameindum. Þeir eru hýdroxýlhópur, metýlhópur, karbónýlhópur, karboxýlhópur, amínóhópur, fosfathópur og súlfhýdrýlhópur. Þessir hópar gegna mikilvægu hlutverki við myndun sameinda eins og DNA, próteina, kolvetna og lípíða. Virknihópar eru venjulega flokkaðir sem vatnsfælnir eða vatnssæknir eftir hleðslu eða skautunareiginleikum þeirra. Dæmi um vatnsfælinn hóp er óskautaði metýlhópurinn. Meðal vatnssækinna virknihópa er karboxýlhópurinn í amínósýrum, sumum hliðarkeðjum amínósýra og fitusýrunum sem mynda þríglýseríð og fosfólípíð. Karboxýlhópurinn jónast og losar vetnisjón (H⁺) frá COOH-hópnum, sem leiðir til neikvætt hlaðins COO⁻-hóps. Þetta eykur vatnssækni sameindarinnar sem hópurinn er hluti af. Aðrir virknihópar, eins og karbónýlhópurinn, hafa súrefnisatóm með hlutneikvæða hleðslu sem getur myndað vetnistengi við vatnssameindir og gerir sameindina þar með vatnssæknari.

Vetnistengi milli virknihópa, innan sömu sameindar eða milli mismunandi sameinda, eru mikilvæg fyrir virkni margra stórsameinda og hjálpa þeim að fella sig rétt og viðhalda lögun sem hæfir virkni þeirra. Vetnistengi koma einnig við sögu í ýmsum kennslferlum, svo sem basapörun í DNA og bindingu ensíms við hvarfefni sitt, eins og mynd 2.28 sýnir.