普通生物学/入门/物质

普通生物学 | 入门 | 细胞 | 遗传学 | 分类 | 进化 | 组织与系统 | 附加材料

---

物质

物质被定义为任何具有质量（物体中物质的量）并占据空间（以体积衡量）。

• 粒子，从小到大，amal最大
  1. 亚原子粒子
     • 电子
     • 质子
     • 中子
  2. 原子
  3. 分子
  4. 大分子
• 物质的起源
  1. 大爆炸，大约137亿年前
  2. 氢，氦
  3. 较重的元素在恒星中形成，超新星
     • 地球的物质早于太阳形成，45亿年前
• 所有物质都由原子组成，原子由：电子、质子、中子组成

原子

• 例如：氢
  • 最简单的元素
  • 一个质子 (+)
  • 一个电子在轨道上 (-)
• 通过一次添加一个质子（和一个电子）来构建
• 质子的数量决定了原子序数和电子的数量
• 中子
  • 中性电荷
  • 贡献质量
  • 可能会衰变
• 氧
  • 8 个质子（质量）
  • 8 个电子
  • 8 个中子（质量）

质量和同位素

• 原子质量
  • 质子和中子的质量总和
  • 以道尔顿或 AMU（原子质量单位）衡量
  • 一个 AMU 是碳-12 质量的 1/12
  • 质子 ≈1 AMU 或道尔顿
  • 6.024 x 10²³ 道尔顿/克
• 原子序数相同的原子属于同一元素
• 同位素
  • 原子序数相同，但原子质量不同
  • 有些是放射性的
  • 同位素的用途
    • 放射性：3H、14C、32P、35S
      • 生化反应中的示踪剂
      • 在重组 DNA 技术（基因工程）中检测分子
      • 半衰期：岩石、化石的年代测定
    • 非放射性（N、C、O）
      • 生物体的饮食（包括化石）
      • 生化示踪剂

电子

• 负电荷
• 被吸引到带正电的原子核而被束缚在原子核周围的轨道上
• 原子可能获得或失去电子，从而改变电荷
  • 阳离子：失去电子，带正电
    • Na⁺
  • 阴离子：获得电子，带负电
    • Cl^-
• 决定原子的化学性质
  • 数量
  • 能级

化学键

• 形成分子
• 酶：在生物系统中制造、断裂和重新排列化学键
• 离子键
• 共价键
  • 共享一对或多对电子
    • 称为单键、双键或三键
  • 没有净电荷（如离子键）
  • 没有自由电子
  • 产生离散分子
  • 氢

化学反应

• 化学键的形成和断裂
• 原子排列的变化
• 反应物 -> 产物
• 反应受以下因素影响
  • 温度
  • 反应物、产物的浓度
  • 催化剂（酶）的存在
• 氧化：还原

水

• 对生命至关重要
• 地球表面的约 75% 是水
• 生命在水中进化
• 许多类型溶质的溶剂
• 高比热容
• 高极性
  • 产生一个略微负的氧和一个略微正的氢
  • 允许形成氢键

氢键

• 一种极性相互作用
• 对以下方面至关重要
  • 蛋白质结构
  • 酶促反应
  • 水在植物茎中的移动
• 弱且短暂
• 强大的累积效应
  • 许多化合物的溶解度
  • 内聚力（毛细现象）
  • 冰的密度较低
• 在水以外的分子之间形成
  • 蛋白质结构
  • DNA，RNA结构

水使非极性分子有序化

• 非极性分子：没有极性 (+/-) 电荷
• 疏水性：因为它们不与水形成氢键，所以会排斥水
• 后果
  • 膜
  • 蛋白质结构
• 亲水性：极性物质与水结合

水的电离：H₂O -> H⁺ + OH^-

• 形成一个氢离子 (H⁺)，一个氢氧根离子 (OH^-)
• 由于共价键的自发断裂
• 在 25 °C 时，1 升水中含有 10-7 摩尔 H⁺ 离子：10-7 摩尔/升

pH

• 一种方便的指示 H⁺ 浓度的方法
• pH = -log[H⁺]
• 对于水，pH = -log[10-7] = 7
• 由于在纯水中，每个 H⁺ 都对应一个 OH^-，因此 pH 为 7 表示中性
• 对数尺度

缓冲液

• H⁺ 的储库
• 在缓冲范围内保持相对恒定的 pH

参考文献

本文基于克利夫兰州立大学保罗·杜德博士（博士）慷慨捐赠的笔记。