《生物学》课程教学资源（教材讲义）第一部分 生命的起源 第2章 分子

第2章分子要点概述2.1原子是大自然的建筑材料原子。所有的物质都由一种叫做原子的微粒构成，它具有一个带正电的核和绕核运动的带负电的电子。电子决定了原子的化学性质。电子围绕着原子核运动。电子离核越近，能级越低。2.2组成生命的原子都在最小的原子之列原子种类。在自然界存在的92种元素中，只有11种在生物体中大量存在。2.3化学键连成分子离子键形成晶体。原子通过化学键连在一起形成分子，化学键是通过异性电荷相吸引或共享电子而形成作用力的结果。共价键构筑稳定分子。由共享电子形成的化学键很强，需要很大能量才能使其断裂。2.4水是生命之源水的化学性质。水分子的微弱缔合为生物体创造了必要的化学环境。水分子好像小小的磁铁。由于共享电子对在氢原子和氧原子之间并不是平均分配的，使分子的不同部分带上了部分电荷。每个水分子都有了正极和负极之分也就是说具有了“极性”。水分子结合极性分子。由于极性分子所带有的相反的部分电荷会互相吸引，所以水分子会亲和别的水分子或其他的极性分子，而排斥非极性分子水的电离。因为水分子的共价键会瞬间断裂，所以水中含有低浓度的氢离子(H）和氢氧根离子（OH），也就是水分子的碎片，即水分子电离的产物

第 2 章 分子 要点概述 2.1 原子是大自然的建筑材料 原子。所有的物质都由一种叫做原子的微粒构成 。 ，它具有一个带正电的核和 绕核运动的带负电的电子。 电子决定了原子的化学性质。电子围绕着原子核运动 。 。电子离核越近，能级 越低。 2.2 组成生命的原子都在最小的原子之列 原子种类。在自然界存在的 。 92 种元素中，只有 11 种在生物体中大量存在。 2.3 化学键连成分子 离子键形成晶体。原子通过化学键连在一起形成分子 。 ，化学键是通过异性电 荷相吸引或共享电子而形成作用力的结果。 共价键构筑稳定分子。由共享电子形成的化学键 。 很强，需要很大能量才能使 其断裂。 2.4 水是生命之源 水的化学性质。水分子的微弱缔合为生物体创造了必要的化学环境 。 。 水分子好像小小的磁铁。由于共享电子对在氢原子和氧原子之间并不是平均 。 分配的，使分子的不同部分带上了部分电荷。每个水分子都有了正极和负极之分， 也就是说具有了“极性”。 水分子结合极性分子。由于极性分子所带有的相反的部分电荷会互相吸引 。 ， 所以水分子会亲和别的水分子或其他的极性分子，而排斥非极性分子 水的电离。因为水分子的共价键会瞬间断裂 。 ，所以水中含有低浓度的氢离子 (H＋ )和氢氧根离子（OH－），也就是水分子的碎片，即水分子电离的产物

大约100到200亿年前，一场巨大的爆炸标志了宇宙的开始。随之而来的是进化过程的开始，最终导致了地球上生命的起源和分化。纵观这200亿年的历史，我们会发现太阳系里的生命不过是最近才出现的。但是为了更好地了解生命的起源，我们需要考虑一些更早发生的事件。导致生命进化的过程同样也是分子进化的过程（图2.1）。所以，我们对地球上生命起源的研究，应该从物理和化学开始。作为一个复杂的化学系统本身，我们想要图2.1细胞由分子构成。原子之间特殊的但往往是简单的联合产生出细胞内种类惊人的各种分了解我们的由来，必须先要了子，每一种都有着独特的功能特点。解化学。2.1原子是大自然的建筑材料原子宇宙里一切有质量（见下文）并占有一定空间的东西都称作物质（matter）。所有的物质都由一些极小的微粒构成，叫做原子（atoms）。因为原子实在是太小了，研究起来相当困难。直到二十世纪早期，科学家才设计出第一个实验来描述原子到底是什么样的。原子的结构像原子那样小的物体只能通过复杂的技术手段，比如隧道显微镜，来间接地“看到”。我们现在已经对原子的复杂结构了解了不少，这都要归功于1913年丹麦物理学家尼尔斯·波尔开了个好头。波尔提出所有的原子都具有由一种比原子还小的称为电子(electrons)的粒子所形成的轨道电子云，电子绕核旋转，就像一

大约 100 到 200 亿年前， 一场巨大的爆炸标志了宇宙的 开始。随之而来的是进化过程 的开始，最终导致了地球上生 命的起源和分化。纵观这 200 亿年的历史，我们会发现太阳 系里的生命不过是最近才出现 的。但是为了更好地了解生命 的起源，我们需要考虑一些更 早发生的事件。导致生命进化 的过程同样也是分子进化的过 程（图 2.1）。所以，我们对地 球上生命起源的研究，应该从 物理和化学开始。作为一个复 杂的化学系统本身，我们想要 了解我们的由来，必须先要了 解化学。 2.1 原子是大自然的建筑材料 2.1 原子是大自然的建筑材料 原子 宇宙里一切有质量（见下文）并占有一定空间的东西都称作物质（matter）。 所有的物质都由一些极小的微粒构成，叫做原子（atoms）。因为原子实在是太小 ） 了，研究起来相当困难。直到二十世纪早期，科学家才设计出第一个实验来描述 原子到底是什么样的。 原子的结构 像原子那样小的物体只能通过复杂的技术手段，比如隧道显微镜，来间接地 “看到”。我们现在已经对原子的复杂结构了解了不少，这都要归功于 1913 年丹 麦物理学家尼尔斯·波尔开了个好头。波尔提出所有的原子都具有由一种比原子 还小的称为电子(electrons)的粒子所形成的轨道电子云，电子绕核旋转，就像一 图 2.1 细胞由分子构成。原子之间特殊的但往往 是简单的联合产生出细胞内种类惊人的各种分 子，每一种都有着独特的功能特点

个微缩太阳系里的行星那样。原子的中心是一个极Hydrogen1Proton小的、密度很大的核，由1Electron两种小于原子的粒子，即质子（protons）和中子Oxygen(neutrons)组成。（图2.2)。8Protons8Neurons在原子核内部，质子8Electrons和中子靠一种在远小于原NeutronProtonElectron(Negative charge)(Positivecharge)(No charge)子直径的距离内才能起作用的力（即强相互作用力，图2.2原子的基本结构。除了氢原子以外，所有的原子都又称核力。校者注）聚在具有一个由中子和质子组成的核。氢原子是最小的原子，它的核里没有中子，只有一个质子。而氧原子的核内有八一起。每个质子带一个正个质子和八个中子。电子在距离核很远的地方绕核旋转。电荷(+)，而每个电子带有Hydrogen氢原子，Oxygen氧原子，Proton(s）质子Neuron(s）中子，Electron(s）电子，Positive charge带正电一个负电荷（-），一般来Nocharge不带电，Negativecharge带负电说原子带有的质子和电子是一比一的。质子的数目（原子的原子序数(atomicnumber)）决定了原子的化学性质，因为它决定了能够参加化学反应的绕核运动的电子数。中子不带电，这也正是其名称的由来。原子质量质量(mass)和重量（weight）这两个词经常混用，但实际上它们在含义上有着微小的差别。质量指的是实际含有多少物质，而重量指的是施加在物质上的重力有多大。故而，同一个物体在地球和月球上具有相同的质量，但在地球上的重量却比在月球上大，因为地球的引力比月球大。原子质量（atomicmass）等于原子的所有的质子和中子的质量之和。地球上自然存在的原子含有1到92个质子，最多有146个中子。衡量原子和亚原子微粒的质量单位叫做道尔顿(Dalton)。这个单位有多小呢？须要6.02x1023道尔顿才等于1克！一个质子的质量约等于一道尔顿（实际上是1.009道尔顿），一个中子也差不多（1.007道尔顿）。相比之下，电子仅重1/1840道尔顿，所以与整个原子的质量相比，它们的质量可以忽略不记

个微缩太阳系里的行星那 样。原子的中心是一个极 小的、密度很大的核，由 两种小于原子的粒子，即 质 子 (protons) 和 中 子 (neutrons)组成。（图 2.2）。 在原子核内部，质子 和中子靠一种在远小于原 子直径的距离内才能起作 用的力（即强相互作用力， 又称核力。校者注）聚在 一起。每个质子带一个正 电荷(+)，而每个电子带有 一个负电荷（-），一般来 说原子带有的质子和电子 是一比一的。质子的数目（原子的原子序数(atomic number)）决定了原子的化学 性质，因为它决定了能够参加化学反应的绕核运动的电子数。中子不带电，这也 正是其名称的由来。 原子质量 质量(mass)和重量（weight）这两个词经常混用，但实际上它们在含义上有 着微小的差别。质量指的是实际含有多少物质，而重量指的是施加在物质上的重 力有多大。故而，同一个物体在地球和月球上具有相同的质量，但在地球上的重 量却比在月球上大，因为地球的引力比月球大。原子质量(atomic mass)等于原子 的所有的质子和中子的质量之和。地球上自然存在的原子含有 1 到 92 个质子， 最多有 146 个中子。 衡量原子和亚原子微粒的质量单位叫做道尔顿(Dalton)。这个单位有多小 呢？须要 6.02 x 1023 道尔顿才等于 1 克！一个质子的质量约等于一道尔顿（实际 上是 1.009 道尔顿），一个中子也差不多（1.007 道尔顿）。相比之下，电子仅重 1/1840 道尔顿，所以与整个原子的质量相比，它们的质量可以忽略不记。 图 2.2 原子的基本结构。除了氢原子以外，所有的原子都 具有一个由中子和质子组成的核。氢原子是最小的原子， 它的核里没有中子，只有一个质子。而氧原子的核内有八 个质子和八个中子。电子在距离核很远的地方绕核旋转。 Hydrogen 氢原子，Oxygen 氧原子，Proton(s) 质子 Neuron(s) 中子，Electron(s) 电子，Positive charge 带正电 No charge 不带电，Negative charge 带负电

同位素原子序数相同（就是具有相同数目的质子）的原子，具有相同的化学性质，都属于同一种元素(element)。准确的说，元素就是不能通过任何普通的化学方法分裂成其他物质的物质。但是，尽管一种元素的所有原子都含有同样多的质Carbon-13Carbon-14Carbon-12子，它们却可能具有6Protons6Protons6Protons7Neutrons6Neutrons8Neutrons不同的中子数。具有6Electrons6Electrons6Electrons不同中子数的同种图2.3含量最丰富的三种碳的同位素。元素的同位素含有不同元素原子叫做该种数目的中子。碳一12：6个质子，6个中子，6个电子；碳一13：6个质子，7个中子，6个电子：碳一14：6个质子，8个中子，元素的同位素6个电子。Carbon碳，Proton质子，Neutron中子，Electron电子(isotopes)。自然界的大多数元素往往是几种同位素的混合物。比如碳具有三种同位素，都具有六个质子（图2.3）。自然界里超过99%的碳都是具有六个中子的同位素，因为它的质量是12道尔顿（6个质子加上6个中子），这种同位素又叫做碳一12，记为12C：其余大部分是碳一13，这种同位素有7个中子：最稀少的碳同位素是碳一14，与前两种不同的是14C不稳定，它的核会分裂成原子序数更低的元素。这种会释放出大量能量的核的破裂，叫做放射性衰变，会发生这种衰变的的同位素叫做放射性同位素(radioactiveisotopes)。有一些放射性同位素比其他的更不稳定，更易衰变。但对于任意一种给定的同位素来说，它的衰变率是一定的。衰变率通常表示为半衰期(half-life)，是样品中一半原子发生衰变的时间。举例来说，碳一14的半衰期为5600年。今天含有1克碳一14的样品，5600年后将剩下0.5克碳一14，11200年后只剩0.25克，而距今16800年后就只剩下0.125克，以此类推。通过测定岩石或生物试样中碳或其他元素不同的同位素含量的比率，科学家可以精确地测出样品形成的时间。放射性同位素有很多用处，但是在使用放射性同位素的时候必须也要考虑到它有害的一面。放射性同位素会释放出高能的粒子，有可能对活细胞造成严重伤害，导致基因突变，高剂量时甚至会使细胞死亡。因此，暴露在放射源下的操作

同位素 原子序数相同（就是具有相同数目的质子）的原子，具有相同的化学性质， 都属于同一种元素(element)。准确的说，元素就是不能通过任何普通的化学方法 分裂成其他物质的 物质。但是，尽管一 种元素的所有原子 都含有同样多的质 子，它们却可能具有 不同的中子数。具有 不同中子数的同种 元素原子叫做该种 元 素 的 同 位 素 (isotopes)。自然界的 大多数元素往往是几种同位素的混合物。比如碳具有三种同位素，都具有六个质 子（图 2.3）。自然界里超过 99%的碳都是具有六个中子的同位素，因为它的质量 是 12 道尔顿（6 个质子加上 6 个中子），这种同位素又叫做碳—12，记为 12C； 其余大部分是碳—13，这种同位素有 7 个中子；最稀少的碳同位素是碳—14，与 前两种不同的是 14C 不稳定，它的核会分裂成原子序数更低的元素。这种会释放 出大量能量的核的破裂，叫做放射性衰变，会发生这种衰变的的同位素叫做放射 性同位素(radioactive isotopes)。 有一些放射性同位素比其他的更不稳定，更易衰变。但对于任意一种给定的 同位素来说，它的衰变率是一定的。衰变率通常表示为半衰期(half-life)，是样品 中一半原子发生衰变的时间。举例来说，碳—14 的半衰期为 5600 年。今天含有 1 克碳—14 的样品，5600 年后将剩下 0.5 克碳—14，11200 年后只剩 0.25 克,而 距今 16800 年后就只剩下 0.125 克，以此类推。通过测定岩石或生物试样中碳或 其他元素不同的同位素含量的比率，科学家可以精确地测出样品形成的时间。 放射性同位素有很多用处，但是在使用放射性同位素的时候必须也要考虑到 它有害的一面。放射性同位素会释放出高能的粒子，有可能对活细胞造成严重伤 害，导致基因突变，高剂量时甚至会使细胞死亡。因此，暴露在放射源下的操作 图 2.3 含量最丰富的三种碳的同位素。元素的同位素含有不同 数目的中子。碳—12：6 个质子，6 个中子，6 个电子；碳—13： 6 个质子，7 个中子，6 个电子；碳—14：6 个质子，8 个中子， 6 个电子。 Carbon 碳，Proton 质子，Neutron 中子，Electron 电子

被小心地加以控制和调节。从事放射性工作的科学家（无论基础研究工作者还是应用科学家，比如X射线技术人员）要佩带对射线敏感的标牌（一种能够测量辐射剂量的小牌子，佩戴于胸前或腹部。译者注。）以监测他们接受的辐射总量。每个月标牌都被收上来仔细地检查，这样，不得不在超剂量放射性的危险环境中工作的雇员，都配备了一套“预警系统”。电子原子中核所带的正电性被在不同轨道绕核旋转的带负电的电子中和，所以，具有相同质子数和电子数的原子是中性不带电的。电子被带正电的核吸引而固定在轨道上，这种吸引力有时会被其他力所抵消，原子就会失去一个或几个电子。另外一些情况下，原子会获得额外的电子。电子数不等于质子数的原子就是离子(ions)，它们带有一定的电性。质子多于电子的原子带有净的正电，是阳离子（cation)。比如钠（Na）失去一个电子就成为钠离子（Na），带电+1。质子比电子少的原子带有净的负电，叫做阴离子(anion)。一个氯原子（CI）得到一个电子后成为氯离子（CI），带电-1。原子由一个含有质子和中子的核以及绕核运动的电子组成。原子带有的电子数很大程度上决定了原子的化学性质。具有相同质子数不同中子数的原子叫做同位素。同位素的原子质量不同，但化学性质相似。电子决定了原子的化学性质决定原子化学性质的关键在于核外电子在轨道上的排布。尽管把单个电子想象成在分离的圆轨道上绕着原子核中心旋转是很方便的，就像波尔的原子模型那样，但是这种结构并不是原子的真实结构。要想知道单个电子在某一时刻的准确位置是不可能的。实际上，某个特定的电子在给定时刻有可能出现在任何地方，从离核很近到无限远。但是，某个特定的电子在某些位置出现的几率更大一些。核周围电子最可能出现的位置就叫做电子轨道(orbital）（图2.4）。近核的轨道是球形的（s轨道），其他轨道是哑铃形的（p轨道）。还有一些离核较远的轨道可以具有其它的形状。不论什么形状，一个轨道上都不可能含有两个以上的电子。原子所占的全部体积几乎都是空的，因为跟核的体积相比起来电子离它的距离要大的多。如果原子核像一个苹果那样大小的话，最近的电子轨道也在1600

被小心地加以控制和调节。从事放射性工作的科学家（无论基础研究工作者还是 应用科学家，比如 X 射线技术人员）要佩带对射线敏感的标牌（一种能够测量 辐射剂量的小牌子，佩戴于胸前或腹部。译者注。）以监测他们接受的辐射总量。 每个月标牌都被收上来仔细地检查，这样，不得不在超剂量放射性的危险环境中 工作的雇员，都配备了一套“预警系统”。 电子 原子中核所带的正电性被在不同轨道绕核旋转的带负电的电子中和，所以， 具有相同质子数和电子数的原子是中性不带电的。 电子被带正电的核吸引而固定在轨道上，这种吸引力有时会被其他力所抵 消，原子就会失去一个或几个电子。另外一些情况下，原子会获得额外的电子。 电子数不等于质子数的原子就是离子(ions)，它们带有一定的电性。质子多于电 子的原子带有净的正电，是阳离子(cation)。比如钠（Na）失去一个电子就成为 钠离子（Na+），带电+1。质子比电子少的原子带有净的负电，叫做阴离子(anion)。 一个氯原子（Cl）得到一个电子后成为氯离子（Cl-），带电-1。 原子由一个含有质子和中子的核以及绕核运动的电子组成。原子带有的电子数 。原子带有的电子数 很大程度上决定了原子的化学性质。具有相同质子数不同中子数的原子叫做同 。具有相同质子数不同中子数的原子叫做同 位素。同位素的原子质量不同 。同位素的原子质量不同，但化学性质相似 ，但化学性质相似。 电子决定了原子的化学性质 决定原子化学性质的关键在于核外电子在轨道上的排布。尽管把单个电子想 象成在分离的圆轨道上绕着原子核中心旋转是很方便的，就像波尔的原子模型那 样，但是这种结构并不是原子的真实结构。要想知道单个电子在某一时刻的准确 位置是不可能的。实际上，某个特定的电子在给定时刻有可能出现在任何地方， 从离核很近到无限远。 但是，某个特定的电子在某些位置出现的几率更大一些。核周围电子最可能 出现的位置就叫做电子轨道(orbital)（图 2.4）。近核的轨道是球形的（s 轨道）， 其他轨道是哑铃形的（p 轨道）。还有一些离核较远的轨道可以具有其它的形状。 不论什么形状，一个轨道上都不可能含有两个以上的电子。 原子所占的全部体积几乎都是空的，因为跟核的体积相比起来电子离它的距 离要大的多。如果原子核像一个苹果那样大小的话，最近的电子轨道也在 1600

米以外。因此，在自然状态下两O个原子的核不可能接近到足以相2sOrbital互作用的距离。正因如此，决定原子化学状态的是核外电子而不是质子或中子。同种元素所有的2pOrbitals1sOrbitalCompositeOribitalsforenergyofallOrbital forenergylevel L:one spherical porbitals同位素都具有相同的电子排布，levelK:orbital (2s)andthreeonesphericaldumbbell-shapedorbital (1s)orbitals(2p)所以也就具有相同的化学性质。图2.4电子轨道。K层是能量最低的能级，或者原子的能量叫电子壳层，它离核最近。它只有一个s轨道，所有的原子都具有一定的能记为1s。下一个能量稍高一些的能级是L，有四个轨道：一个s轨道（记为2s轨道）和三个p量，也就是具有做功的能力。因轨道（每个都叫2p轨道）。四个L能级轨道紧密地填充了核周围的空间，像两个底座相对的棱为电子被带正电的核吸引，把它锥。们固定在一定的轨道上就需要做Orbital轨道OrbitalforenergylevelK...K层只有一个球形的功，就好像把一个葡萄拿在手里s轨道（ls）OrbitalforenergylevelL...L层包括一个球形的需要克服地球引力做功一样（把s轨道(2s)和三个哑铃形的p轨道Compositeofallporbitals三个p轨道的叠加葡萄拿在手中是不需要做功的，电子在某一特定的轨道运行，也不需要外界做功。但无论葡萄还是电子，在这种状态下都具有能量。改变原有状态，则需要做功。译者注）。葡萄因为它的位置而具有了一定的势能(potentialenergy），一种做功的能力；如果你松手，葡萄就会下落，它的势能就会减少。相反，如果你拿着葡萄登上楼顶，你就会增加葡萄的势能。2V与之相似，电子也具有由位置Energy EnergyEnergyEnergyEnergyEnergylevellevellevellevellevellevel决定的势能。要反抗核的吸引32123图2.5原子能级。当电子吸收能量的时候，它就会移到并把电子移到一个离核更远距离核较远的高能级上去。当电子释放能量的时候，的轨道上去，需要输入能量，它就会移动到距离核较近的低能级。Energyreleased释放能量，Energyabsorbed吸收能量从而使电子具有了更大的势Energylevel能级能。这就是叶绿素怎样在光合

图 2.4 电子轨道。K 层是能量最低的能级，或者 叫电子壳层，它离核最近。它只有一个 s 轨道， 记为 1s。下一个能量稍高一些的能级是 L，有四 个轨道：一个 s 轨道（记为 2s 轨道）和三个 p 轨道（每个都叫 2p 轨道）。四个 L 能级轨道紧密 地填充了核周围的空间，像两个底座相对的棱 锥。 Orbital 轨道 Orbital for energy level K:. K 层只有一个球形的 s 轨道（1s） Orbital for energy level L:. L 层包括一个球形的 s 轨道(2s)和三个哑铃形的 p 轨道 Composite of all p orbitals 三个 p 轨道的叠加 米以外。因此，在自然状态下两 个原子的核不可能接近到足以相 互作用的距离。正因如此，决定 原子化学状态的是核外电子而不 是质子或中子。同种元素所有的 同位素都具有相同的电子排布， 所以也就具有相同的化学性质。 原子的能量 所有的原子都具有一定的能 量，也就是具有做功的能力。因 为电子被带正电的核吸引，把它 们固定在一定的轨道上就需要做 功，就好像把一个葡萄拿在手里 需要克服地球引力做功一样（把 葡萄拿在手中是不需要做功的， 电子在某一特定的轨道运行，也 不需要外界做功。但无论葡萄还是电子，在这种状态下都具有能量。改变原有状 态 ， 则 需 要 做 功 。 译 者 注 ）。 葡 萄 因 为 它 的 位 置 而 具 有 了 一 定 的 势 能 （potentialenergy），一种做功 的能力；如果你松手，葡萄就 会下落，它的势能就会减少。 相反，如果你拿着葡萄登上楼 顶，你就会增加葡萄的势能。 与之相似，电子也具有由位置 决定的势能。要反抗核的吸引 并把电子移到一个离核更远 的轨道上去，需要输入能量， 从而使电子具有了更大的势 能。这就是叶绿素怎样在光合 图 2.5 原子能级。当电子吸收能量的时候，它就会移到 距离核较远的高能级上去。当电子释放能量的时候， 它就会移动到距离核较近的低能级。 Energy released 释放能量，Energy absorbed 吸收能量 Energy level 能级

作用中吸收光能的（第十章）一一光激发了叶绿素中的电子。把一个电子移到离核较近的地方会有相反的作用：能量通常会以热的形式被释放，而电子的势能降低（图2.5）。每个原子的能量都不是连续的，而是像台阶上的葡萄所具有的势能一样，由电子位置决定的原子势能只能具有某些特定的值。每个原子都呈现一系列的梯级势能的值，对应着一组与核具有特定距离的离散的轨道，而不是连续的谱。在某些化学反应当中，电子会在不同的原子之间转移。在这些反应里，失电子的过程叫做氧化(oxidation)，得电子的过程叫做还原(reduction）（图2.6）。值得注意的是，在这种转移过程当中，ReductionOxidation电子的势能并不改变。在生物图2.6氧化和还原。氧化是失电子；还原是得电子。体中，化学能由高能级的电子Oxidation氧化，Reduction还原储存，这些电子在氧化一还原反应中从一个原子转移到另一个原子。由于电子所具有的能量和它到核的距离有关，离核同样远的电子具有相同的能量，即使它们在不同的轨道上，即HeliumNitrogen这些电子处于相同的能级（energylevel)。在原子的示意图上（图2.7），核Nucleus用一个小圈表示，电子的能级则画成些同心圆，离核越远能级越高。注意不要把能级和电子轨道相混淆，能级画成圆圈来表示电子的能量，而电子轨道具有很多种三维结构，表示的是电子最可图2.7氨和氮的电子能级。金色的圆球代表了电子。每个同心圆代表着与核的不同能出现的位置。距离，也就表示了不同的能级。电子沿轨道绕核运动。每个电子轨道不Helium氨原子，Nitrogen氮原子Nucleus原子核，Energylevel能级能容纳两个以上的电子，但是不同的轨道可能离核等距并具有相同能级的电子

图 2.6 氧化和还原。氧化是失电子 。 ；还原是得电子。 Oxidation 氧化，Reduction 还原 图 2.7 氦和氮的电子能级。金色的圆球代 。 表了电子。每个同心圆代表着与核的不同 距离，也就表示了不同的能级。 Helium 氦原子，Nitrogen 氮原子 Nucleus 原子核，Energy level 能级 作用中吸收光能的（第十章）——光激发了叶绿素中的电子。把一个电子移到离 核较近的地方会有相反的作用：能量通常会以热的形式被释放，而电子的势能降 低（图 2.5）。 每个原子的能量都不是连续的，而是像台阶上的葡萄所具有的势能一样，由 电子位置决定的原子势能只能具有某些特定的值。每个原子都呈现一系列的梯级 势能的值，对应着一组与核具有特定距离的离散的轨道，而不是连续的谱。 在某些化学反应当中，电子会在不同的原子之间转移。在这些反应里，失电 子的过程叫做氧化(oxidation)， 得 电 子 的 过 程 叫 做 还 原 (reduction)（图 2.6）。值得注意 的是，在这种转移过程当中， 电子的势能并不改变。在生物 体中，化学能由高能级的电子 储存，这些电子在氧化—还原反应中从 一个原子转移到另一个原子。 由于电子所具有的能量和它到核的 距离有关，离核同样远的电子具有相同 的能量，即使它们在不同的轨道上，即 这 些 电 子 处 于 相 同 的 能 级 (energy level)。在原子的示意图上（图 2.7），核 用一个小圈表示，电子的能级则画成一 些同心圆，离核越远能级越高。注意不 要把能级和电子轨道相混淆，能级画成 圆圈来表示电子的能量，而电子轨道具 有很多种三维结构，表示的是电子最可 能出现的位置。 电子沿轨道绕核运动。每个电子轨道不 。每个电子轨道不 能容纳两个以上的电子，但是不同的轨 ，但是不同的轨 道可能离核等距并具有相同能级的电子

2.2组成生命的原子都在最小的原子之列原子种类自然界有92种元素，每一种都具有不同的质子数与核外电子排布方式。十九世纪俄国化学家季米特里·门捷列夫（DmitriMendeleev）在把已知的元素按原子质量排列在表格（图2.8）中时，发现了科学上一个最伟大的规律。门捷列夫发现表中元素的化学性质呈现出某种特殊的规律，每八种元素重复一次。这种周期性重复的模式赋予了表格一个名字：元素周期表。0He-516C710FBBe14NNe13SiMANAr36FeMKrCoBCSe5254BbSND3SShTeXeD(Lanthanideseries)CePrNdPmYb(Actinide series)ThPaMdNO图2.8元素周期表。在本表中，地壳中元素的含量用方格的高度来表示，生物体中的大量元素用蓝色表示。Lanthanideseries系，Actinideseries钢系元素周期表门捷列夫所发现的八种元素的周期是以不同元素外层电子之间的反应为基础的，这些电子叫做价电子(valenceelectrons），它们之间的相互作用是元素具有不同化学性质的基础。对于大多数对生命重要的元素，一般最外层能级所容纳的电子不超过8个：其化学性质反映了这8个位子当中被占用了儿个。最外层能级含有全部8个电子（氨是两个）的元素是惰性的(inert)，或者说不活泼的，包括氨（He）、氩（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe），还有氢（Rn）)。与之形成鲜明对比的是，最外层含有7个电子（就比8少一个）的元素，比如氟（F）、氯（CI）

2.2 组成生命的原子都在最小的原子之列 2.2 组成生命的原子都在最小的原子之列 原子种类 自然界有 92 种元素，每一种都具有不同的质子数与核外电子排布方式。十 九世纪俄国化学家季米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）在把已知的元素按 原子质量排列在表格（图 2.8）中时，发现了科学上一个最伟大的规律。门捷列 夫发现表中元素的化学性质呈现出某种特殊的规律，每八种元素重复一次。这种 周期性重复的模式赋予了表格一个名字：元素周期表。 元素周期表 门捷列夫所发现的八种元素的周期是以不同元素外层电子之间的反应为基 础的，这些电子叫做价电子(valence electrons)，它们之间的相互作用是元素具有 不同化学性质的基础。对于大多数对生命重要的元素，一般最外层能级所容纳的 电子不超过 8 个；其化学性质反映了这 8 个位子当中被占用了几个。最外层能级 含有全部 8 个电子（氦是两个）的元素是惰性的(inert)，或者说不活泼的，包括 氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe），还有氡（Rn）。与之形成鲜 明对比的是，最外层含有 7 个电子（就比 8 少一个）的元素，比如氟（F）、氯（Cl）， 图 2.8 元素周期表。在本表中，地壳中元素的含量用方格的高度来表示，生物体中的 大量元素用蓝色表示。 Lanthanide series 镧系，Actinide series 锕系

和溴（Br），都非常活跃，它们倾向于获得一个额外的电子来填满最外层的能级。最外层只有一个电子的元素，如锂（Li)、钠（Na）和钾（K），也非常活跃；它们会失掉最外层的那一个电子。表2.1地球上最丰富的元素及它们在人体中的分布占地壳总占人体总元素符号原子序数功能及重要性重百分比重百分比氧0846.665.0细胞呼吸所需,水的组分硅Si14 27.7痕量铝Al136.5痕量铁Fe265.0痕量血红蛋白的关键成分钙20Ca3.61.5骨骼和牙齿的组分,激发肌肉收缩钠Na112.80.2 细胞外的主要阳离子;参与神经活动钾K190.4 2.6细胞外的主要阳离子;参与神经活动镁122.1Mg0.1很多能量转移酶的关键成分氢H19.50.14电子载体；水和很多有机分子的组分锰250.1 Mn痕量氟F90.07痕量磷P150.071.0核酸的骨架;重要的能量中介碳c60.0318.5有机分子的骨架硫S160.30.03大部分蛋白质的成分氯cI170.2 0.01细胞外的主要阴离子钒v23 0.01痕量24 铬Cr0.01痕量铜Cu29痕量0.01很多酶的重要成分氮N7痕量3.3一切蛋白质和核酸的成分硼B5痕量痕量钻Co27痕量痕量锌Zn30痕量痕量一些酶的关键成分硒Se34 痕量痕量

和溴（Br），都非常活跃，它们倾向于获得一个额外的电子来填满最外层的能级。 最外层只有一个电子的元素，如锂（Li）、钠（Na）和钾（K），也非常活跃；它 们会失掉最外层的那一个电子。 表 2.1 地球上最丰富的元素及它们在人体中的分布 元素 符号 原子序数 占 地 壳 总 重百分比 占 人 体 总 重百分比 功能及重要性 氧 O 8 46.6 65.0 细胞呼吸所需,水的组分 硅 Si 14 27.7 痕量 铝 Al 13 6.5 痕量 铁 Fe 26 5.0 痕量 血红蛋白的关键成分 钙 Ca 20 3.6 1.5 骨骼和牙齿的组分,激发肌肉收缩 钠 Na 11 2.8 0.2 细胞外的主要阳离子;参与神经活动 钾 K 19 2.6 0.4 细胞外的主要阳离子;参与神经活动 镁 Mg 12 2.1 0.1 很多能量转移酶的关键成分 氢 H 1 0.14 9.5 电子载体;水和很多有机分子的组分 锰 Mn 25 0.1 痕量 氟 F 9 0.07 痕量 磷 P 15 0.07 1.0 核酸的骨架;重要的能量中介 碳 C 6 0.03 18.5 有机分子的骨架 硫 S 16 0.03 0.3 大部分蛋白质的成分 氯 Cl 17 0.01 0.2 细胞外的主要阴离子 钒 V 23 0.01 痕量 铬 Cr 24 0.01 痕量 铜 Cu 29 0.01 痕量 很多酶的重要成分 氮 N 7 痕量 3.3 一切蛋白质和核酸的成分 硼 B 5 痕量 痕量 钴 Co 27 痕量 痕量 锌 Zn 30 痕量 痕量 一些酶的关键成分 硒 Se 34 痕量 痕量

钼42Mo痕量痕量许多酶的关键成分50锡Sn痕量痕量碘153痕量痕量甲状腺激素的成分门捷列夫的周期表引出了一个非常有用的规则一一8电子规则（octetruleorruleofeight)：原子趋向于建立全满的最外层能级。结合原子平衡正负电性的趋向，大多数化学反应性质可以由这条简单的原则准确地预测。元素的分布在地球上自然存在的92种元素当中，在生物体中含量大于痕量存在的只有11种（大于等于0.01%）。这11种元素的原子序数均小于21，相应的原子质量均较小。表2.1列出了人体中的各种元素的水平，它们在其他生物体中的含量水平也大致如此。浏览这张表会发现，生物系统中的元素分布绝不是偶然形成。有机体中很多最丰富的元素并不是地壳中含量最多的。比如，硅、铝和铁在地壳中占了39.2%，但在人体中只以痕量存在。另一方面，碳原子在人体中占了18.5%，在地壳中却仅占0.03%。自然界存在着九十二种元素，它们当中只有十一种在生物体中大量存在。其中的四种——氧、氢、碳和氮——占人体重的96.3%。2.3化学键形成分子离子键形成晶体一组由能量稳定地结合在一起的原子叫做分子(molecule)。当分子中含有一种以上元素的原子时，就叫做化合物(compound)。分子当中的原子由化学键(chemicalbonds)互相连接；这种键的形成是由于带有相反电性的原子互相吸引（离子键），或两个原子共享一对或几对电子（共价键），或原子以其他的方式相互作用。我们先从由带有相反电性的原子互相吸引而形成的离子键(ionicbonds)开始讨论。近看食盐普通的食盐，也就是氯化钠（NaCI），是一些被离子键连在一起的原子组成的晶格（图2.9）。钠有11个电子：最里面的能级上有2个，下一级上有8个

钼 Mo 42 痕量 痕量 许多酶的关键成分 锡 Sn 50 痕量 痕量 碘 I 53 痕量 痕量 甲状腺激素的成分 门捷列夫的周期表引出了一个非常有用的规则——8 电子规则 (octet rule or rule of eight)：原子趋向于建立全满的最外层能级。结合原子平衡正负电性的 趋向，大多数化学反应性质可以由这条简单的原则准确地预测。 元素的分布 在地球上自然存在的 92 种元素当中，在生物体中含量大于痕量存在的只有 11 种（大于等于 0.01%）。这 11 种元素的原子序数均小于 21，相应的原子质量 均较小。表 2.1 列出了人体中的各种元素的水平，它们在其他生物体中的含量水 平也大致如此。浏览这张表会发现，生物系统中的元素分布绝不是偶然形成。有 机体中很多最丰富的元素并不是地壳中含量最多的。比如，硅、铝和铁在地壳中 占了 39.2%，但在人体中只以痕量存在。另一方面，碳原子在人体中占了 18.5%， 在地壳中却仅占 0.03%。 自然界存在着九十二种元素，它们当中只有十一种在生物体中大量存在 ，它们当中只有十一种在生物体中大量存在。其中 的四种——氧、氢、碳和氮——占人体重的 96.3%。 2.3 化学键形成分子 2.3 化学键形成分子 离子键形成晶体 一组由能量稳定地结合在一起的原子叫做分子(molecule)。当分子中含有一 种以上元素的原子时，就叫做化合物(compound)。分子当中的原子由化学键 (chemical bonds)互相连接；这种键的形成是由于带有相反电性的原子互相吸引 （离子键），或两个原子共享一对或几对电子（共价键），或原子以其他的方式相 互作用。我们先从由带有相反电性的原子互相吸引而形成的离子键(ionic bonds) 开始讨论。 近看食盐 普通的食盐，也就是氯化钠（NaCl），是一些被离子键连在一起的原子组成 的晶格（图 2.9）。钠有 11 个电子：最里面的能级上有 2 个，下一级上有 8 个