结构生物化学/化学键
原子通过获得、失去或共享电子形成化学键。通常，它们试图达到惰性气体的电子构型。化学键的形成是因为它降低了系统的能量并使原子更加稳定。原子也是物质的单位，是元素的最小单位，由一个密集的、中心的、带正电的原子核和一个电子系统组成，电子数量等于原子核中质子的数量。整个结构的直径约为10-8厘米，在化学反应中通常保持不变，除非某些电子的去除、转移或交换有限。
原子不能被进一步分解而不会改变物质的化学性质。例如，如果你有1吨、1克或1个氧原子，所有这些单位都具有相同的性质。我们可以将氧原子分解成更小的粒子，然而，当我们这样做时，原子会失去其化学性质。例如，如果你有100块手表，或一块手表，它们的行为都像手表一样，并且可以显示时间。你可以拆卸其中一块手表：取下后盖，取出电池，窥视内部并取出东西。然而，现在这块手表不再像手表一样工作了。
原子由三种粒子组成：电子、质子和中子。每种粒子都有不同的性质。电子是微小的、非常轻的粒子，带负电荷（-）。质子比电子大得多、重得多，并且带相反的电荷。因此，质子带正电荷（+）。中子像质子一样又大又重，但是中子不带电荷。无论如何，每个原子都是由这些粒子的组合组成的。质子和电子就像两块磁铁一样保持在一起（相反的电荷相互吸引）。
电子不断地围绕原子中心（称为原子核）旋转。旋转电子的离心力使这两个粒子无法相互接触，就像地球的自转使它不会坠入太阳一样。在电中性原子中，带正电的质子总是由数量相等的带负电的电子平衡。正如我们所看到的，氢是最简单的原子，只有一个质子和一个电子。氦是第二简单的原子。它的原子核中有两个质子和两个电子围绕着原子核旋转。但是对于氦，我们必须引入另一个粒子。因为原子核中的两个质子带相同的电荷，它们会相互排斥，原子核就会分解。为了防止原子核分裂，氦在其原子核中含有两个中子。中子不带电荷，它们充当一种核胶，将质子（以及原子核）粘合在一起。
随着你添加更多的电子、质子和中子，原子的尺寸就会增加。我们可以通过两种方式测量原子的尺寸：1）使用原子序数（Z）或使用原子质量（A，也称为质量数）。原子序数描述了原子中质子的数量。对于氢，原子序数（Z）等于1。对于氦，Z = 2。由于中性原子中质子的数量等于电子的数量，因此Z也告诉您原子中电子的数量。原子质量告诉您原子中质子和中子的数量。因此，氢的原子质量A为1。对于氦，A = 4。
电中性原子是不带正电或负电荷的原子。然而，原子可以带电荷。一些原子可以获得或失去电子（原子中质子的数量永远不会改变）。如果一个原子获得电子，那么该原子就会带负电。如果原子失去电子，那么该原子就会带正电（因为带正电的质子的数量将超过电子的数量）。带电的原子称为离子。
虽然给定原子的质子数量永远不会改变，但中子的数量可以改变。两个中子数量不同的原子称为同位素。例如，氢存在一种同位素，其中原子包含1个中子（通常称为氘）。由于原子质量是质子和中子的数量之和，因此元素的两种同位素将具有不同的原子质量（但是原子序数Z将保持不变）。
化学键形成的量子力学基础是两个或多个波函数的概率密度的重叠；这意味着电子有一定几率存在于经典物理学禁止的空间区域。
一个离子键是金属和非金属之间电子的转移。离子键的一个例子是钠和氯原子之间的键。钠原子将其在3s态的孤电子转移到氯原子。电子转移后，钠原子带+1电荷，而氯原子现在带-1电荷。通过这种电子转移，钠现在具有惰性气体氖的电子构型，而氯现在具有惰性气体氩的电子构型。
只有当反应的总能量变化有利时，才会发生离子键合——当键合原子具有比自由原子更低的能量时。产生的能量变化越大，键就越强。金属的低电负性和非金属的高电负性意味着反应的能量变化在金属失去电子和非金属获得电子时最有利。
纯离子键不存在。所有离子化合物都具有一定程度的共价键合，这意味着，离子键可以被认为是一种特殊的共价键。两个原子之间电负性差异越大，键就越具离子性。离子化合物在熔融状态或溶液状态下导电。它们通常具有高熔点，并倾向于溶于水。
共价键是另一种用于实现惰性气体构型或八电子规则的化学键。共价键在非金属之间形成，通常来自硼、碳、氮、氧和卤素族。金属很少参与共价键。每个共价键由两个电子组成，通常每个参与键合的原子提供一个电子。原子形成足够的共价键，当键中的电子与价电子相加时，它们将具有八电子结构。离子键和共价键之间的关键区别在于电子如何在两个原子之间分布。在离子键中，电子从一个原子转移到另一个原子，使原子具有有效的+1和-1电荷。然而，在共价键中，两个原子的价电子在两个原子之间共享。因此，没有一个原子获得完整的正电荷或负电荷。相反，两个原子之间共享的电子——无论是2个、4个还是6个电子——因分子而异。
共价键有两种类型：纯共价键和极性共价键。当共享电子的两个原子之间没有差异时，存在纯共价键。两个原子的电负性相同。由于电负性值没有差异，因此它们以相同的力拉动它们之间共享的电子。因此，电子被平等地共享，并且没有一个原子带部分正电荷或负电荷。纯共价键的一个例子是Cl-Cl或Br-Br键。对于不是相同原子之间的键，纯共价键很少存在。另一个例子是长烷烃链中碳之间的共价键。
极性共价键是指存在于电负性不同的原子之间的键。键中的电子仍然被共享，但两个原子之间并不平等。虽然每个原子所带电子密度的确切比例不容易确定，但很容易确定哪个原子更强地吸引电子密度。电负性更大的原子将更多地吸引共享电子，从而使其现在带轻微的负电荷。由于电荷必须守恒，因此电负性较小的原子现在必须带轻微的正电荷，其大小等于负电荷。例如，考虑碳和氯之间的键。氯的电负性远大于碳，因此它更多地吸引电子。这使得氯带轻微的负电荷，而碳带轻微的正电荷。如果两个原子之间的差异很大，导致其中一个原子拥有大量的电子密度，则键变得越来越具离子性，而共价性降低。因此，虽然H-Cl被认为是共价键，但它被归类为强酸，这意味着它完全解离。由于电负性差异如此之大，氯分子将所有电子密度都吸引到自身，从而在水中解离成H+和Cl-离子。
但是，需要注意的是，含有极性键的分子可以是非极性的。例如，以四氯化碳分子为例。该分子具有四个极性C-Cl键。但是，由于极性键的方向，它们相互抵消，因此整个分子是非极性的。
氢键是由氢原子和氧或氮等电负性原子之间的偶极-偶极相互作用形成的。一个常见的例子是水，其中氧的电负性使其带轻微的负电荷，而两个氢原子带轻微的正电荷。氧上的负电荷与另一个水分子的氢上的轻微正电荷形成一个弱键。这种类型的键合也存在于有机氟化合物中，在 C 和 F 基团之间。这种力比共价键和离子键弱，但比范德华相互作用强。
分子间氢键导致水的沸点很高（100°C），或者大多数使用水作为溶剂的溶液。这是因为强氢键，而不是其他第 16 族氢化物。分子内氢键部分决定了蛋白质和核酸的二级、三级和四级结构。
在蛋白质、DNA 和 RNA 等生物大分子中，非共价相互作用至关重要。非共价相互作用包括氢键、离子键、疏水键和范德华键。这些相互作用在下面的列表中进行了更具体的描述。与共价键相比，非共价键较弱，并且不断形成和断裂。然而，当形成多个非共价键时，键强度会净增加。它们在生物大分子中的共同参与产生了影响（例如，底物与酶的结合以及脂质双层在运输中的作用）。当多个氢键、离子键和疏水相互作用同时存在时，这些多个弱相互作用不太可能在没有外部能量的情况下断裂底物和酶。这种特性是酶具有特定催化能力的原因。蛋白质折叠以及蛋白质的独特特性和结构也取决于这些非共价相互作用。
金属键是金属原子之间的键合。键合涉及电子共享和金属键。由于金属原子较大，并且可以很容易地失去其价电子，因此它们外层电子可以共享并均匀地分布在其他金属原子之间。与共价键不同，金属键中的电子是离域的，这意味着电子可以在金属中自由移动。
1) 钠中的金属键：金属倾向于具有高熔点和沸点，表明原子之间存在强键。即使像钠（熔点 97.8°C）这样的金属，其熔点也比元素周期表中它之前的元素（氖）高得多。钠的电子结构为 1s22s22p63s1。当钠原子聚集在一起时，一个钠原子 3s 原子轨道中的电子与相邻原子上的相应电子共享空间以形成分子轨道。这与共价键的形成方式相同。然而，不同之处在于每个钠原子都与另外八个钠原子接触，共享发生在中心原子和所有八个其他原子的 3s 轨道之间。而这八个中的每一个又与八个钠原子接触，依此类推，直到你包含了那块钠中的所有原子。所有原子上所有 3s 轨道重叠形成大量分子轨道，这些轨道延伸到整个金属块上。必须有大量的分子轨道，因为每个轨道只能容纳两个电子。电子可以在这些分子轨道中自由移动。每个电子都从其母原子分离。据说电子是离域的。金属由正核和离域电子之间的强吸引力结合在一起。
2) 镁中的金属键：镁的外层电子结构为 3s2。这两个电子都变得离域，因此“电子海”的电子密度是钠的两倍。剩余的离子也具有两倍的电荷，因此离子与电子海之间将有更大的吸引力。每个镁原子核中有 12 个质子，而钠只有 11 个。在这两种情况下，核都受到相同数量的内层电子（1s2 2s2 2p6 轨道中的 10 个电子）的屏蔽。这意味着镁原子核将产生 2+ 的净拉力，而钠原子核仅产生 1+ 的净拉力。因此，镁不仅具有更多的离域电子，而且镁原子核对它们的吸引力也更大。镁原子的半径也略小于钠原子，因此离域电子更靠近原子核。每个镁原子也具有 12 个近邻原子，而不是钠的 8 个。这两个因素都增加了键的强度。
3) 过渡元素中的金属键：过渡金属倾向于具有特别高的熔点和沸点。原因是它们可以将 3d 电子以及 4s 电子参与离域。参与的电子越多，吸引力越强。
4) 熔融金属中的金属键：在熔融金属中，金属键仍然存在，尽管有序结构已被破坏。直到金属沸腾，金属键才会完全断裂。这意味着沸点实际上比熔点更能反映金属键强度的指标。在熔化过程中，键被削弱但并没有断裂。
所有已知的化学键都可以用断裂这些键所需的各种解离能来描述。正是这些解离能决定了化学中各种键的强度等级。离子键是最强的键，解离能 > 400 kcal/mol。共价键是第二强的键，解离能约为 400 kcal/mol。氢键、偶极-偶极和伦敦（范德华）色散键属于分子间力的子类别。由于这些力本质上是化合物之间的相互作用力，而不是物理键，因此它们比离子键和共价键弱得多。氢键是这些力中最强的，并且在所有键相互作用中总体上是第三强的，解离能为 12-16 kcal/mol。偶极-偶极相互作用是第二强的分子间力，但却是第四强的键相互作用，解离能为 0.5-2 kcal/mol。最后是伦敦范德华力，它是化学键合中最弱的相互作用，解离能 < 1 kcal/mol。
Berg, Jeremy M. Biochemistry. 6th ed. W.H. Freeman, 2007.
- ↑ Silberberg, Martin S.(2010)。普通化学原理（第二版）。麦格劳-希尔出版公司。ISBN978-0-07-351108-05