当前课程知识点：现代生物学导论 > 第二讲 生命的化学基础 > 2.1 元素和化学键 > 2.1 元素和化学键
同学们好
大家先看这个例子
图中的这种行军蚁，有一种特殊的生活方式
它们的腹部会喷出一些甲酸
洒在天敌的身上，用于防御和进攻
这只是一个例子，科学家们很早就知道了
生物体可以利用物质进行交流
进行配偶的选择，进行防御和保护
研究这些化学物质在生物过程中的应用体现了化学对于生命的重要性
实际上，生命的性质是由其化学性质所决定的
地球上，所有的生命，之所以是活着的
就是因为生物体内各种原子之间的化学反应的进行
所以说我们人体是一个神奇的化学机器
这也是生物化学所研究的主要内容
比如我们会研究一些这样的问题
我们的身体是由什么样的原子组成的
在我们体内有什么样的分子参与到重要的化学反应当中
还有为什么简单的分子就会产生这样神奇的反应
在这一章的学习中，我们首先从小的原子和元素开始介绍
然后逐级放大到大生物分子
那么在这个学习的过程中
我希望同学们掌握两个非常重要的特点
第一是emergent property，第二是structure and function
化学反应是维持生命的基础
所以在这一章的学习当中，我们首先会介绍化学反应
什么是化学反应，化学反应的一些特点
以及涉及化学反应中重要的概念：化学键
有了化学键的理解，我们了解分子就容易多了
在这一章中，我们还会介绍一种对于生命来讲最重要的分子：水分子
我们还会讨论，水的哪些特性对于生命来讲是至关重要的
虽然水组成了我们身体的绝大部分
但是真正使得我们成为有机体的是一个非常重要的原子
就是碳原子
碳原子不仅形成有机化合物
而且是形成生物分子多样性的一个重要原因
在这一章的学习当中
我们还将会讨论四种非常重要的大生物分子
糖类、脂类、蛋白质和核酸
这4种大的分子在我们这一学期的学习中我们都会提到
在本章最后，我们把前面讨论的分子和我们的饮食健康联系起来
因为大多数情况下
我们需要从食物中摄取这些分子来维持体内正常的生物学过程
如果出现失衡，将会导致一些代谢相关的疾病
在这一小节中，我们来介绍一些基本概念
首先，物质
物质是指占据一定空间和拥有质量的东西
化合物，是指由两种或两种以上的元素
以固定的摩尔比通过化学键结合在一起的化学物质
元素，只由一种原子组成
用一般的化学方法不能使之分解，并且能构成一切物质
所有的活的生物都是由元素组成的
图中展示的是一些基本的组成元素
C，H，O，N占了绝大部分
除此之外，还有一些痕量元素，是属于膳食矿物质
图中淡绿色标记的元素在生物化学上都是痕量元素
这些元素虽然对于人体来说需求量很少
但是对于人类健康是非常重要的
缺少适量的痕量元素会导致一些生理上的问题
比如碘是合成固醇类激素的重要成分
碘缺乏会造成甲状腺肿大
原子，是一种元素能保持其化学性质的最小单位
所有物质均由原子组成
分子则是由一个或多个原子组成
原子之间通过共价键结合而成
这几个概念的关系请参考这个图表
物质分为纯净物和混合物
纯净物又分为元素和化合物两种
元素可以是金，像这个世界上最大的金条，里面都是金
化合物可以是水
混合物可以是均质的，比如像这杯饮料
混合物也可以是非均质的，比如水和油的混合
无论元素还是分子，都是由原子构成的
所以这个金条是由金原子构成
水是由O原子和H原子构成
为了搞清楚原子是如何组成物质或者参与生物体的生物过程的
下面我们再来说说原子的组成
原子还包括次原子粒子，即比原子还小的粒子
比如中子、质子和电子
一个原子中包含原子核、质子、中子和电子
一个原子的化学行为是由电子在电子层的分布所决定的
电子层是一组原子轨道
电子被认为是一组一组地围绕着核心以特定的距离旋转
所以轨迹就形成了一个壳
一个电子也可以在电子层间运动，伴随能量的吸收或释放
比如，当一个电子吸收能量时，就离原子核远一些
而当一个电子失去能量，就离原子核近一些
很多时候
原子参与物质组成和化学反应是由其最外层电子所决定的
掌握了这些基本概念，下面我们来讨论化学键
化学键就是原子或分子之间的吸引力
通过化学键，可以组成多原子的化学物质
在这里，我们介绍几种常见的化学键
第一个是共价键
共价键指的是两个或多个非金属原子
共同使用它们的外层电子
在理想情况下达到电子饱和的状态
由此组成比较稳定和坚固的化学结构
当共享电子不均衡时，产生极性共价键
比如水分子内部，氢和氧之间
当共享电子均衡时，产生非极性共价键
比如甲烷内部碳和氢之间
第二种是离子键
离子键是在原子间转移电子
通过两个或多个原子或化学基团
失去或获得电子而成为离子后形成的
以NaCl为例，钠离子和氯离子之间形成离子键
那么，我们是怎么分辨出原子之间
形成的是极性共价键，非极性共价键，或者是离子键呢
化学上有一个八电子规则
即原子间的组合趋向令各电子的价层都拥有8个电子
与惰性气体拥有相同的电子排列
当形成离子分子/的组成原子的最外电子层有八个电子
它们便会趋向稳定
而如果不满8个时
原子间会互相共享或交换电子达到平衡稳定
以CO2为例，氧原子有6个电子
它的外电子层希望有8个电子达到稳定
所以它可以和碳原子分享2个电子
那么我们是怎么来区分这些化学键呢
这里有一个简单的方法
如果两个原子之间的电负性差在0-0.5之间
则为非极性共价键
如果两个原子的电负性差0.5-1.7之间
则为极性共价键
如果电负性差在1.7以上，则为离子键
电负性是什么呢
是表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力
换句话说，就是这个原子需要外层电子饱和的迫切性
我们来看这个元素周期表
从左到右和从下到上，电负性增加
每个元素都标明了电负性的大小
那么我们来举例子：水分子H2O
O的电负性值为3.44，H的电负性值为2.2
两个电负性差为1.24,所以为极性共价键
再来看甲烷CH4,碳为2.55，H为2.2
两个电负性差为0.35
NaCl中，电负性差为2.23，为离子键
下面我们来讨论氢键
氢键是一种分子间的吸引力
发生在已经以共价键与其它原子结合的氢原子与另一个原子之间
以乙醇为例，如图，乙醇分子间形成氢键
是这个氢原子和这个氧原子形成氢键
而不是这个氢原子和这个氧原子之间形成氢键
为什么呢？我们来看这个H和O之间的键
从前面的学习中我们知道这个是极性共价键
因为O的电负性较高，虽然和H共享电子
但还是倾向于把电子吸引过来
导致电子在H和O之间分布不均衡
结果就是O趋向带负电荷，而H趋向带正电荷
那么这个带正电荷的H
就可以和另一个分子中的带负电荷的O形成氢键了
同样的原理，水分子间形成氢键
在生物学上，弱化学键包括氢键、范德华力、离子键、疏水作用等
这些弱化学键有什么生物学意义呢
首先，像核酸、蛋白质这样的大生物分子
依靠氢键来稳定其高级结构，比如DNA的双螺旋
蛋白质的二级及其以上结构
第二，弱化学键在生理温度下容易不断生成和断裂
便于很多生物过程的发生
比如DNA进行复制时，双链间的氢键需要断裂
双键打开，然后参与DNA复制的蛋白
以弱化学键的方式和DNA进行结合，指导DNA复制的进行
最后，我们再来说说化学反应
化学反应就是化学键的生成和断裂
导致物质的组成发生变化
我们来看这个简单的反应：H和O形成水
这个反应打断了氢气分子和氧气分子之间的共价键
形成了水分子中新的化学键
氢气和氧气在这里为反应物，水为产物
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
