生物學基礎知識總結 上篇

（五）生物的結構層次

原子→分子→細胞（單細胞生物，細胞就是個體，病毒沒有細胞層次）→組織→器官→系統（植物無系統）→個體→種群→群落→生態系統→生物圈。

第二章 研究方法

（一）

【假說】

科研過程：觀察現象-提出假說-驗證假說。

1.直接證明：獲得可直觀看到的事實依據。

實驗是為了證實假說或駁斥假說，實驗最終要能獲取到一定的數據，實驗必須能被其他科學家所重複。

2.間接證明：

（1）A事物存在，就能引發B事物，無法判斷A事物是否存在，就去看B事物是否存在。

生物專業搞的就是間接證明，因為生命現象的本質是分子機制，可是人的肉眼和顯微鏡都看不到分子和原子，以及它們的活動，只能用間接證明的方式。

雖然看不到分子和原子，但是不同的官能團對紅外線的吸收不同，所以通過不同的吸收峰，來判斷不同的官能團。

把目的基因和熒光素基因連帶在一起，導入細胞，如果細胞中觀察到熒光蛋白，那麼目的基因也就成功導入細胞了。

不透光的密閉容器微小漏液，難以發現，那麼給溶液中加入熒光劑，黑暗中觀察熒光溢出，則容易發現漏液。

有的實驗，判斷電路是否有電，就看電路上的燈泡是否亮。

（2）A事物存在，就能消除B事物，無法判斷A事物是否存在，就去看B事物是否消除。

把目的基因插入到細菌的抗藥基因上，使抗藥基因插入失活。如果細菌不再抗藥，說明目的基因已經成功插入到細菌的基因上，而如果細菌依然抗藥，說明目的基因沒插入成功。

3.等價代換：把原有事物等效轉換為容易被觀察和分析的事物，把一個問題轉化為等效的另一個問題，使證明過程變得容易。

《曹沖稱象》的故事中，無法直接稱量大象，可先把大象放到船上，記錄船下沉的程度，然後用使船下沉同樣程度的石塊來代替大象，分別稱重石塊。

染色：顯微鏡中看不出某種物質，就根據其染色特異性進行染色觀察。

標記追蹤：用放射性原子代替普通原子，根據放射性來追蹤原子。熒游標記蛋白質，來追蹤蛋白質。

標記檢測：DNA探針放射性雜交。

模式生物：長壽藥物用人做實驗，需要觀察的時間太長，而用線蟲這種模式生物代替人體實驗，能顯著縮短實驗觀察時間。

4.排除法證明：

福爾摩斯說過：「當排除了所有其它的可能性，還剩一個時，不管有多麼的不可能，那都是真相。」

排除法還能縮小研究範圍，如果研究範圍太大，就會研究無用的問題而走彎路和浪費時間。

5.資料證明：

可靠的資料文獻可以作為證據，或為驗證假說提供指導幫助。

不一定要做實驗來證明自己的觀點，牛頓說自己站在巨人的肩上，就是說很多觀點已經被前人做實驗證明了，只要找到相關的資料文獻，就可以作為證據。

【對照實驗】

對照實驗：變化後，與未變化時的狀態進行對比，從而發現變化程度。

對照組：各種性質都是初始的、不變化的基準性質，作為參照物，就是記錄著變化前的性質狀態。實驗組：改變某一個基準性質，來看變化後的效果，作為研究物。

變數：改變的基準性質。一個實驗組只能設置一個變數，否則就說不清是哪一個變數造成的結果。自變數：人為設置的變數，作為原因。因變數：隨自變數而改變的變數，作為結果。無關變數：這些變數雖然與實驗目的無關，但會影響到實驗，無關變數應維持恆定不變，在所有實驗組中保持一致。

例如：研究酶的性質，自變數是溫度，因變數是酶的催化活性。實驗組改變某一個自變數，來觀察因變數的變化，和對照組做對比，得知因變數的變化程度。

（二）

【生物結構和功能的建造】

（1）基礎限制高級：分子的結構和功能限制細胞結構和功能的建造，細胞的結構和功能限制生物體結構和功能的建造。就像七巧板拼圖一樣，圖形限制在七個板子的制約下。

（2）生物結構和功能的建造限制在環境制約下，因為生物必須適應環境。動漫人物的眼睛很大、很漂亮，但是現實環境下，如果人的眼睛那麼大，就容易進風沙，所以進化中，生物的眼睛較小。捕食的動物（例如老虎、獅子）眼睛長在臉的中間，方便集中視線，頂住遠處的獵物，而被捕食的動物（例如牛、羊）眼睛長在臉的兩邊，方便擴大視角，及時發現捕食的動物。

（3）生物結構和功能的建造是動態平衡、循環利用。生物體不斷的降解舊分子，然後由新合成的分子來補位。組成生物體的分子，來源於環境，最終又回到環境。

（4）辯證法講矛盾無處不在、無時不有，生物體就是矛盾構造的。常見的矛盾：正與負、正與反、是與否、對與錯、黑與白、開與關、冷與熱、有與無、大與小、長與短、輕與重、增與減、強與弱、實與虛、靜與動、快與慢、內與外、入與出、合與分、前與後、上與下、直與曲。

矛盾雙方的五種關係：相互對立鬥爭（好與壞）、相互補充配合（男與女）、相互依存（冷熱相對而言）、相互包含（安全中潛伏者危險）、相互轉化（熱變冷）。

方圓：宇宙製造的自然存在的事物都趨向於圓，例如：星球和細胞都趨向於圓形，生物肢體趨向於圓柱。而人類製造的事物，趨向於方形，例如：家電和傢具都是方的，樓房、房間、窗戶、門也都是方的。這個世界就是方圓結合的。

（5）生物不是建造成完美的，而是湊合夠用。例如有時喝水會嗆住，因為本該進入食管的水，卻流進了氣管。再例如有生就有死，如果生物只生不死，地球生物早就滿了，所以生物有衰老和死亡。

（三）

【把握宏觀與微觀的關係、表面現象與本質的關係】

宏觀的生命現象，本質原理是微觀的，也就是說：生命現象的本質是分子機制，要搞清生命現象，就要搞清其分子機制。

表面現象是本質的外部體現。表面現象是豐富多彩和多變的，能直接觀察到，而本質是單純的、穩定的，需要間接觀察到。科學研究就是先觀察表面現象，然後研究其本質原理，從而使認識從感性上升到理性，從主觀上升到客觀。

一個小事物雖然效果很弱，但是一傳十、十傳百的級聯方式，就可以擴大效果。例如：細胞信號轉導和核裂變就用到這种放大方式。

【把握共性與個性的關係、普遍性與特異性的關係】

共性：很多有個性的事物，可以歸納出共同性質。例如：所有生物共用一套遺傳密碼子，使基因在生物之間的傳遞成為可能。再例如「相似相溶」原理和「物以類聚」原理。

個性：例如目的基因與質粒基因、待檢測基因與探針，都是特異性的互補結合。生物學上很多技術都基於分子間特異性的互補結合（怎樣得知已經特異性結合？例如結合的一方帶有放射性標記或熒游標記，一旦結合，就無法洗脫掉，可被觀察到，如果無法結合，就洗脫掉了）。分離混合的物質，主要看個性的差別（特異性）：根據顆粒的沉降係數不同而離心分離，根據顆粒大小不同而過濾，根據顆粒溶解度不同而萃取或沉澱，根據吸附力、親和力、顆粒大小不同而色譜分離，根據顆粒的電荷、質量不同而電泳分離。

【把握偶然與必然的關係】

偶然中蘊含著必然。例如：遺傳學上，某個性狀看似偶然出現，其實是由基因控制的必然。

有些必然，難以被清楚的觀察和分析，所以視其為偶然。例如：拋出一枚硬幣，落地時的正反面是偶然的，其實由拋出時的力度、角度等因素必然決定落地的正反面。任何結果的產生，都有原因和前提條件，沒有絕對的偶然。

混沌系統：事情時而發生，時而不發生，系統中物質不規則的運動，感覺沒有固定的規律，存在很大的不確定性和不可預測性。混沌系統可要用概率來描述。取樣統計時，如果有主觀傾向，就可能取到特殊部分，而不是隨機取樣。取樣太少，統計概率時，就可能失真。

（四）

【基本關聯】

1.系統關聯（包含關係）：

系統從大到小看是包含關係。例如：人體由八大系統組成，其中消化系統又分為消化腺系統和消化管系統這兩個子系統，消化管系統又分為食管、胃、小腸、大腸等，於是系統劃分出多個層次。

系統從小到大看是相互協作的組織關係。例如：食管、胃、腸相互協作，組成消化管系統。

2.流程關聯（順序關係）：

把一個流程，分成多個階段，階段之間是先後順序。例如：小學、中學、大學。

3.因果關聯：

原因決定結果，因果推理是科研中常用的方法。正向推理是由原因推理結果，逆向推理是由結果推理原因。

因果鏈：原因產生結果，而這個結果又作為另一件事的原因，繼續引發下去。

4.條件關聯：

任何事情的產生，都需要一定的原因和前提條件。

條件觸發：這是一種被動等待的方式，達到一定條件，才會觸發事件。例如：細胞膜上的受體，一直等待著配體，一旦配體和受體結合，受體就被激活，激活的受體開始細胞信號轉導。

5.對比關聯：

通過對比，找出相同處（共性）、相似處、不同處（特異性）、相反處。

此外，關聯的結構：線狀（一對一，例如一因一果，以及一階段完成，開始固定的二階段）、樹狀（一對多，例如一因多果，以及一階段完成，根據完成情況來選擇二階段。多對一，例如多因一果）、星狀（一對多，由中心發出星射線，所有事物都圍繞這個中心）、環狀（首尾相接）、網狀（多對多，顯得複雜）。

【系統和流程】

1.事物以包含關係組成系統，事物以先後順序關係組成流程。

2.推測物質在系統中的作用：

（1）從關聯看物質：系統中，想要了解一個不明的物質是幹嘛的，就看它的來源和去向，以及它與其它物質的相互作用。

例如：一個物質，由高爾基體分泌到細胞膜上，其它分子跟它結合後，就被運出了細胞，可以推測該物質為轉運蛋白。

（2）失去了它，才知道它的作用：無法知道有了它會怎樣，就去想沒有它會怎樣。

例如：不知道某種分子對生物體起到的作用，就去除掉這種分子或使其失活，然後觀察生物體缺少這種分子後會怎樣。

（3）結構與功能相適應：生物的結構和分子的結構，都是為了方便實現一定的功能。

例如：肋巴骨的環繞結構，明顯是為了保護內臟。細胞膜上發現一種物質，其中心還有孔道，推測其為通道蛋白。

推論：物質的組成結構相似，其功能往往也相似。

例如：發現一種蛋白質，不知道其理化性質和功能，可在資料庫中找結構序列相似的蛋白質，其理化性質和功能也往往相似。

3.系統湧現的新功能：

分子組成細胞，細胞卻擁有分子所不具備的功能。也就是說：物質組成系統，這個系統湧現出原有物質所不具備的新功能，而不是原有物質功能累加之和，湧現的新功能其實是原有物質相互協作（關聯）而產生的效果。

4.出入控制：

把系統作為一個盒子來看，這個盒子有輸入、處理、輸出。例如：發酵罐和酶反應器就是輸入（底物）、處理（轉化）、輸出（產物）。

一個系統的輸出，作為另一個系統的輸入，從而使兩個系統關聯在一起。

兩個系統的連接處是系統介面，負責物質的輸入輸出（好比入境關口），不是任何事物都可以進出系統，要經過檢測和篩選（好比入境檢查）。如果系統沒有介面，系統就孤立封閉了，如果系統介面上沒有檢測和篩選，有益有害的物質都能進入系統，系統就崩潰了。然而系統普遍存在系統漏洞，有害物質可通過漏洞進入系統，還有些有害物質是系統自己產生的，而不是進入的。

為了防止系統出現異常狀態，需要監測，監測分為實時監測和階段監測。階段監測就是每完成一個階段，就檢查一下是否正常，而溫度控制系統需要實時監測，否則等到了溫度監測時間，系統可能已經燒壞了。

5.開關、正負反饋、正負調控、極端狀況：

（1）開關：系統根據情況，開啟或關閉些某部分，使系統能靈活應對處境變化。例如：人體幾乎所有的化學反應都需要酶的催化才能進行，而酶作為蛋白質，是基因表達的產物，只要關閉基因，就關閉了酶，從而關閉了該酶所催化的化學反應。

（2）反饋：負反饋是系統的輸出物，又回到該系統中，來抑制系統產生輸出物，從而抑制輸出物過多。正反饋則相反，輸出物回到系統中，是刺激系統產生更多的輸出物。

（3）正調控（從無到有）：事件原本沒有發生，得到某個事物（激活物），事件就會發生。負調控（從有到無）：事件原本就發生，得到某個事物（抑制物），事件就停止。

（4）極端狀況：有些性質，只有系統處於極端條件下，才能表現出來（或表現的清楚突出），而平時看不到。為了讓這個性質表現出來（或清楚突出），就要營造極端條件。

6.簡化系統：

（1）建立模型：建立模型使事物簡化、突出重點、生動形象、容易理解和記憶。如果具體表現，信息量就太大了，有些不用去思考的信息，也呈現出來了。

（2）「黑盒法」只關心系統的輸入和輸出是否合理，而不關心系統內部的具體結構和怎樣處理輸入輸出。有時把系統比喻成一個盒子，不管內部怎樣，於是像個黑盒。

7.改造系統：

生物、醫學、藥學專業，都是研究「生命系統」的專業。陰陽矛盾構造的世界，就是好壞參半、冷熱並存、破破爛爛、湊合能用，而不是完美的。因為「生命系統」不完美，存在缺陷和系統漏洞，需要改造，所以才有生物醫藥類專業。

改造形式分為：增、刪、改。「增」是添加系統原本沒有的因素，「刪」是去除系統已有的因素，「改」是修改系統已有的因素。示例：增：細胞融合是將兩個系統合併成一個系統。刪：免疫系統消除病原體（系統入侵者），刪可以使系統純化，例如發酵系統中，滅菌就是為了純化系統，而排除無用的物質。改：改造蛋白質的基因或對蛋白質進行化學修飾，以提高其活性和穩定性。

第三章 基礎化學

（一）無機化學

化學性質：物質在化學變化中表現出來的性質。例如：酸性、鹼性、氧化性、還原性、可燃性。

物理性質：不需要化學變化就能表現出來的性質。例如熔點：物質溶化（固態變為液態）的溫度。沸點：液體沸騰時的溫度。升華：固態直接變為氣態。壓強：物體在單位面積上受到的壓力。大氣壓強：大氣受到重力作用產生的壓強。密度：單位體積的質量，密度等於質量除以體積。

【物質組成】

離子：帶電荷的原子。分為陽離子和陰離子。

原子的核電荷數 = 質子數 = 核外電子數。

元素：具有相同質子數（核電荷數）的一類原子的總稱。

同位素：質子數相同，而中子數不同的元素，互為同位素。有些同位素具有放射性。

【質量】

相對原子質量：碳12（質子數和中子數都為6，加起來一共12）原子質量的1/12作為標準，其它原子的質量和它的比值就是相對原子質量。由於質子和中子的質量幾乎相等，而電子質量輕的忽略不計，所以碳12原子質量的1/12約等於一顆質子的質量，也約等於一顆中子的質量，可見相對原子質量反映了原子核里有多少顆粒子（質子和中子）。H的相對原子質量為1，也就只有一顆質子。

相對分子質量：相對原子質量的總和。元素的相對原子質量乘以原子個數，再加到一起。可見相對分子質量反映了這個分子里包含了多少顆粒子（質子和中子）。

道爾頓（D、Da）：分子量單位，1D = 碳12原子質量的1/12，也就是一顆質子的質量。例如：分子量為500，就是500D，表示這個分子是500顆質子的重量。

某元素的質量分數：該元素的相對原子質量乘以原子個數，除以相對分子質量，乘以100%。

1mol物質含有阿伏伽德羅常數（約6.02×1023）個微粒，所以「物質的量」方便計量所含的微粒個數，能用摩爾來稱量，說明已經精確到微粒個數了。

摩爾質量：單位物質的量（1mol）的物質所具有的質量，單位g/mol。

量濃度：單位體積（1L）的物質，所具有的物質的量，也就是所具有的微粒數。

相同溫度和壓強下，任何氣體粒子的間距可以看作是相等的，因此氣體的粒子數相同，體積就相同。反過來說，氣體體積相同，所含粒子數就相同。

氣體的物質的量等於氣體的體積（V）除以氣體摩爾體積（Vm）。

【化學式和反應式】

化學式：用元素符號表示純凈物組成及原子個數的式子。1省略，氧化物的氧寫右邊，鹽的金屬離子寫左邊，非金屬離子寫右邊。

反應式（化學反應方程式）：化學式來表示化學反應的式子。反應前後原子數目不變（只是重新組合了），因此可以配平，配平用最小公倍數法。生化反應一般不用配平，且默認指生物體內的常溫、常壓。

加熱用三角符號表示，氣體上升用↑表示，固體沉澱物用↓表示，但是如果反應物和生成物都有氣體，則不用寫↑，若都有固體，則不用寫↓。

配平的化學反應式中，物質的質量比等於（乘以化學計量數的）相對分子質量比。可見配平後，只要知道反應式中一種物質的質量，就可以得知其它物質的質量。

離子方程式刪掉等號兩邊相同的離子。

【溶液】

溶質溶解在溶劑中，形成溶液。溶液的質量 = 溶質的質量 + 溶劑的質量。

溶質的質量分數 = 溶質的質量 除以 溶液的質量 乘以 100%。

相似相溶：極性溶質容易溶解在極性溶劑中，非極性溶質容易溶解在非極性溶劑中。

水是最常見的極性溶劑。

飽和溶液：溶質不能繼續溶解。

溶解度：在一定溫度下，某固態物質在100g溶劑中達到飽和狀態時，所溶解的溶質的質量。

升高溫度，溶解度增加。

結晶：飽和溶液冷卻後（溶解度降低），溶質以晶體形式析出。就是原本溶解的，現在又不溶解了。

晶體：大量微觀物質單位（原子、離子、分子等）按一定規則有序排列的結構。宏觀上晶體各部分性質是相同的（因為是重複的），晶體內部具有對稱性。

溶液粒子小於1nm(碳原子的原子半徑只有0.077nm)，濁液粒子大於100nm，1-100nm之間的叫膠體，膠體有丁達爾效應（光路）。

【酸鹼】

酸：給H+（質子），吸電子。例如：HCl、H2SO4。

鹼：給電子，吸H+（質子）。例如：NaOH、Ca(OH)2。

酸鹼中和：酸和鹼反應，生成鹽和水。例如：NaOH + HCl = NaCl + H2O。

pH：氫離子濃度指數。pH可以表示酸鹼度，取值0-14，7為中性，小於7為酸性，大於7為鹼性。

【化合價】

化合價：一種原子與另一種原子化學合成時，原子的整體電荷。

例如：Na和Cl結合後，Na的一個電子給了Cl（形成離子鍵），這時Na的電子比質子少了一個，正大於負，正負相互抵消後，還剩一正，Na整體電荷為+1，而Cl得到一個電子，電子數比質子數多一個，負大於正，正負相互抵消後，還剩一負，Cl整體電荷為-1。

得電子（增加負性），化合價降低。失電子（減少負性），化合價升高。

分子中化合價的代數和為0（否則就帶電了），單質的化合價為0，官能團作為整體顯示化合價。

常見化合價：

化合價推算分子中的原子數：最小公倍數法。例如：五氧化二磷，P是+5價，O是-2價，化合價確定最小公倍數：2×5=10（最小公倍數），10÷5=2，10÷2=5，所以是P2O5。

【氧化還原】

被氧化：物質失去電子，負的減少了，化合價升高。狹義而言，被氧化就是和氧氣反應，這也會失去電子。

被還原：物質得到電子，電子還原回來了，負的增加了，化合價降低。

氧化反應：物質被氧化的反應。

還原反應：物質被還原的反應。

還原劑（具有還原性）：處於還原狀態（電子歸位）的試劑，所以可以被氧化（失電子）。

氧化劑（具有氧化性）：處於氧化狀態的試劑，所以可以被還原。

氧化產物：被氧化後的產物。

還原產物：被還原後的產物。

氧化反應和還原反應同時發生，因為有得就有失，如果只有失電子的，沒有得電子的，那個電子就跑到體系外面去了。

氧化還原反應的本質：電子的得失。特徵：化合價的升降。

【化學鍵】

化學鍵：使原子（或離子）相結合的作用力。

離子鍵：離子之間相互作用形成的化學鍵。

共價鍵：原子之間共用電子對形成的化學鍵。

非極性共價鍵：共用電子不偏向任何一方的共價鍵。也就是說：兩邊對電子的吸引力相等，所以電子不向任何一邊偏移。反之，叫做極性共價鍵，既共用電子偏向其中一方。

配位鍵：特殊的共價鍵，只由一方提供共用電子對，另一方只提供空軌道。

金屬鍵：多個原子共用自由流動的電子而形成。電線導電，就是因為金屬原子的電子能自由流動。

次級鍵：分子間弱相互作用。分為范德華力、氫鍵、疏水作用等。生物的次級鍵，是為避免太牢固的結合，例如DNA複製時，次級鍵使雙螺旋容易打開。

分子間作用力（范德華力）：取向力（極性分子與極性分子之間相互吸引）、誘導力（極性分子與非極性分子之間，誘導非極性轉為極性，從而相互吸引）、色散力（從瞬時而言，電子不可能分布的完全均勻，疏密不同，造成正負極性）。

作用力：離子鍵>共價鍵>氫鍵>范德華力。

【元素周期表】

元素周期表，7橫18縱，一橫一周期，一縱一個族，按元素核電荷數（質子數）遞增順序編號。

原子序數 = 核電荷數 = 質子數 = 核外電子數。

周期（橫列）：周期數表現電子層數。同一周期的元素，電子層數相同，而最外層電子數目遞增。第一周期2元素，第二、三周期各8元素，都為短周期，其它周期則為長周期。

族（縱列）：族數表現最外層電子數。同一族的元素，最外層電子數目相同，而電子層數遞增。分為主族A、副族B、0族（惰性氣體）。

向右、向上：吸電子能力增強，既酸性增強，非金屬性增強，原子半徑遞減。

向左、向下：給電子能力增強，既鹼性增強，金屬性增強，原子半徑遞增。

電子層數增多，原子半徑增大。正負電荷增多，相互吸引力增大，原子半徑減小。

最簡單的分區：金屬和非金屬。

生物主要研究前20號元素，因為C、H、O、N、P、S，以及Na、K、Ca、Mg都在前20號元素以內，但是微量元素Fe、Cu、Zn、Se、I在20號元素之後。

根據價層電子（最外層電子）來分區：

s區：最外層是s軌道。p區：最外層是p軌道。

【能量】

化學能是一種很隱蔽的能量，它不能直接用來做功，只有在發生化學變化的時候才可以釋放出來，變成熱能或者其他形式的能量，通常為熱能。化學能屬於勢能，是靠原子特定的空間排列而具有的能量，就像把水放到高處位置，水就有自己往下流動的能量。

一般而言，化學反應分為吸熱反應和放熱反應，但是極少數化學反應釋放的不是熱量，而是光能或其它形式的能量，所以嚴格的說：化學反應分為吸收能量的反應和釋放能量的反應。

大多數分解反應要吸收能量，因為斷鍵吸熱，大多數化合反應釋放能量，因為成鍵放熱。氧化燃燒、酸鹼中和反應都是放熱反應。

化學反應涉及兩個階段的能量：第一階段是活化能，分子先吸收熱量，變成活化態才能發生化學反應，第二階段是反應熱，就是化學反應過程中，吸收或釋放的熱量。

活化能：分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的熱量，單位kJ/mol。

特殊：氫氧根和氫離子已經是活化態，它們的反應不需要活化能。

反應熱（焓變）：化學反應中，吸收或釋放的熱量，單位kJ/mol。

質量守恆定律：化學反應前各物質的質量總和，等於化學反應後各物質的質量總和，因為還是那些原子，只是重新組合了。

鍵能：在標準狀況下，將1mol氣態分子AB解離為氣態原子A和B所需的能量。通俗的說：鍵能就是斷裂這根鍵所需的能量，而不是指這根鍵里蘊含的能量。

鍵能越大，斷鍵所需的能量就越大，反應也就越難發生，這種物質就越穩定。

有效碰撞：能夠發生化學反應的碰撞。要求活化分子，且有合適的碰撞取向。

能量可以相互轉化，例如：光合作用把太陽能轉化為化學能。

【化學反應速率】

化學反應速率：化學反應速度的快慢。用單位時間內，反應物濃度減少量或生成物濃度增加量表示。就是量濃度的變化除以所需的時間，單位mol/(L·min)或mol/(L·s)，括弧括起來，就是讓min也處於分母中，-1次方，也可使其處於分母中。

底物濃度增加：分子相互碰撞的概率增加。

溫度升高：吸收能量而活化的分子增多，而且分子熱運動增強使分子相互碰撞的概率增加。

催化劑：降低活化能，從而使活化分子增多。

分子熱運動：分子永不停息的無規則運動。溫度升高，分子運動速度加快。

擴散現象：分子無規則運動產生的，分子由有高濃度向低濃度的自發運動。

【化學平衡】

化學平衡：正反應和逆反應速率相等，反應物和生成物的濃度不再改變。

反應開始時，反應物濃度較大，產物濃度較小，所以正反應速率大於逆反應速率。隨著反應的進行，反應物濃度不斷減小，產物濃度不斷增大，所以正反應速率不斷減小，逆反應速率不斷增大。當正、逆反應速率相等時，系統中各物質的濃度不再發生變化，反應就達到了平衡。此時系統處於動態平衡狀態，不是反應停止。

當然，有些化學反應是沒有逆反應的，例如：紙能燒成灰，灰不能變回紙。

公式中的濃度指可逆反應化學平衡時各物質的濃度。

化學計量數：化學反應方程式中,參與反應的物質前的係數。化學計量數之比，等於分子數之比，也等於物質的量之比。

平衡常數的意義：表現正向反應的進行程度。一個反應的K值越大，說明平衡時生成物的濃度越大，反應物剩餘濃度越小。

電離：電解質在水溶液中產生離子的過程。

電解質：水溶液中能夠導電的化合物。

弱電解質部分電離，強電解質（強酸、強鹼、大多數鹽）完全電離。

電離平衡常數和化學平衡常數的寫法類似，但是不用寫化學計量數。

電離平衡常數越大，電離程度越大。電離平衡常數一般指弱電解質，因為強電解質就完全電離了。

【自然界的無機物】

空氣組成：氮氣約78%（化學性質不活潑，不可燃），氧氣約21%（用於呼吸，可燃），稀有氣體約0.94%（惰性氣體，化學性質最不活潑），二氧化碳約0.03%。

氧氣O2：氧氣主要用於氧化反應。大多數金屬可以和氧氣反應，生成氧化物，所以大多數金屬礦物是以氧化物的形式存在，但是金不與氧氣反應，所以價值高，象徵永恆。

二氧化碳CO2：C完全燃燒，生成CO2，不完全燃燒生成CO。二氧化碳易溶於水，形成碳酸，使溶液顯酸性。H2CO3(碳酸) = CO2 + H2O，二氧化碳使澄清的石灰水變渾濁，因為CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O

氮氣N2：放電或高溫：N2 + O2 = 2NO，2NO + O2 = 2NO2，3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO

氨NH3和銨NH4+：氨的工業合成：高溫高壓催化劑下：N2 + 3H2 = 2HN3，氨的實驗室製法：加熱：2NH4Cl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O + 2NH3↑，NH3 + H2O = NH3·H2O（氨水），NH3 + HCl = NH4Cl（銨鹽），催化劑、加熱：4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

氫氣H2：H分為氕氘氚，H幾乎都是氕，原子核只有一個質子，而沒有中子。氘和氚有中子。

鈉Na：在元素周期表中的位置，決定Na太活潑，極容易被氧化，還容易跟水反應，生成NaOH和氫氣。Na在氧氣中燃燒形成過氧化鈉，而過氧化鈉在水中又能形成NaOH和氧氣，這可以作為化學供氧方式。過氧化鈉和二氧化碳反應，生成碳酸鈉和氧氣。

鐵Fe：通常說的鐵是Fe2O3，而Fe3O4是磁鐵。Fe是過度金屬，有兩個化合價：+2和+3。+3鐵得電子後變為+2，給出電子後又變回+3，所以生物體內鐵是電子的傳遞體。Fe被氧化後，形成疏鬆的氧化膜就是鐵鏽。與酸反應（離子式）：Fe2O3 + 6H+= 2Fe3+ + 3H2O，FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2↓ + Na2SO4

鋼：碳素鋼：鐵碳合金，含碳量高，變得更硬。合金鋼：碳素鋼的基礎上，再加入鉻等其他元素，製成不鏽鋼。

碳C：碳是比較穩定的元素，所以成為了有機物的碳骨架，假如碳活潑，就成為官能團了。碳原子的排列不同，既可以形成石墨，又可以形成鑽石。

硅Si：硅也比較穩定。SiO2是岩石、沙子、土壤的主要成分。

氯Cl：食鹽的主要成份是NaCl，水中以離子形式存在。氯氣有很強的氧化性，容易氧化金屬，形成金屬氯化物。Cl + H2O = HCl + HClO（次氯酸），次氯酸強氧化性，可用於消毒。

硫S：硫燃燒：S + O2 = SO2，二氧化硫：SO2，SO2 + H2O = H2SO3（亞硫酸），2SO2 + O2 = 2SO3，SO3 + H2O = H2SO4（硫酸），加熱：2H2SO4（濃） + Cu = CuSO4 + 2H2O + SO2↑，加熱：2H2SO4（濃） + C = CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O

【化學實驗基本操作】

固體藥品放在廣口瓶里，用藥匙或鑷子取。固體藥品放入時，廣口瓶橫放，然後緩慢豎起來，以免打破容器。葯匙用完要擦乾淨。

向試管倒液體，試管傾斜，瓶口緊挨試管口，使液體沿試管壁流下，以防倒在外面。為防止藥品粉末粘在試管壁，試管傾斜，用藥匙放入，或用紙卷放入。

視線與量筒凹液面水平，然後讀數。

滴管不要平放或倒置，以免液體倒流而沾污橡膠帽。滴管用完要衝洗乾淨。

酒精燈用燈帽蓋滅，不能吹滅。禁止用酒精燈引燃另一酒精燈。酒精燈用外焰加熱。

（二）有機化學

有機物：碳氫化合物及其衍生物的總稱，但是碳的氧化物、碳酸和碳酸鹽除外。

烴：只有C和H兩種元素組成的化合物。烷烴：飽和（沒有雙鍵和三鍵）的烴。烴基：烴失去一個H，剩下的部分。烷基：烷烴失去一個H，剩下的部分。

正四面體結構：甲烷（最簡單的有機物）

甲烷的C、H為正四面體關係，C在中心，H在邊角。C-H鍵之間夾角為109.5度。

甲烷的正四面體結構可以推知：有機物碳骨架的多個碳原子之間，不是直線關係，而是折線關係，例如丙烷：

有機物的結構表示：

（1）凱庫勒簡寫式：C、H省略，而且不表現電子。

（2）路易斯電子式：橫線表示共用成鍵電子對，點表示未成鍵電子。

同分異構：分子式相同，但是結構不同。

構造異構：分子式相同，但原子連接不同。

立體異構：分子式相同，原子連接也相同。

碳鏈異構：碳鏈連接不同。

位置異構：官能團或取代基的位置不同。

構型異構：原子或原子團的空間排列不同。

構象異構：化學鍵旋轉造成的。（單鍵可以旋轉，雙鍵和三鍵不能旋轉）

順反異構：相同官能團在同側為順式，對側為反式。

旋光異構：手性（好比左手和右手互為鏡像，但又不能重疊）不同，使偏振光的偏轉方向不同。

有機物命名：

（1）寫法：

支鏈寫在主鏈前，用數字標明位置。

相同取代基可合併命名，位置用逗號隔開。

小的取代基寫前面，大的取代基寫後面。

（2）位次：

選最長碳鏈做主鏈，離支鏈最近的一端做起點。

有多條相同長度的主鏈，選支鏈最多的。兩邊首個支鏈位次一樣，選首個支鏈最簡單的一端做起點，如果這也一樣，就讓所有取代基位次盡量小的一端做起點。

如果有雙鍵或三鍵，主鏈必須包含雙鍵或三鍵，編號從最靠近該鍵的一端開始。

苯環取代基可用鄰（相鄰）、間（間隔1位）、對（對面）表示。

官能團：決定化合物特殊性質的原子團或原子。

常見官能團及其化合物：

乙醇的消去反應、取代反應、氧化反應：

酯化反應：羧酸（或含氧無機酸）與醇脫水縮合，生成酯和水。

乙醇：CH3CH2-OH，醋酸：CH3-COOH，乙醇和醋酸發生酸鹼中和的酯化反應：

一分子甘油（丙三醇）和三分子脂肪酸，酯化反應形成脂肪（三醯甘油、甘油三酯）。

基本有機物的關係：

共軛雙鍵：電子在苯環中跑動，瞬間而言，三個雙鍵、三個單鍵，隨後單雙鍵就改變，所以整體而言，介於雙鍵和單鍵之間，稱為共軛雙鍵，也可以理解為1.5鍵。

有機物燃燒：大多數有機物徹底氧化燃燒，最終產物是二氧化碳和水。

均裂：電子對平均分配，分開後，雙方都不帶電，既自由基，因為電子數等於質子數。常見於非極性共價鍵（兩邊拉力一樣）。

異裂：電子對全給一方，分開後，失去電子對的一方帶正電，因為電子數小於了質子數，而得到電子對的一方帶負電，因為電子數大於了質子數。常見於極性共價鍵和離子鍵（兩邊拉力不一樣）。

親電試劑：帶正電荷，吸電子。成因：當初異裂時，電子對給了其它原子。

親核試劑：帶負電荷，給予電子。成因：當初異裂時，得到了電子。

自由基：不帶電。成因：當初均裂時，電子對平均分配。

（三）化學反應機理

1.自發反應的動力：能量降低，混亂度增加

放熱反應使能量降低，容易自發進行，而有些吸熱反應能使混亂度增加（熵值增加），所以也能自發進行。

焓變（溫度變化）：ΔH = ΔH（生成物）- ΔH（反應物）

熵變（混亂度變化）：ΔS = ΔS（生成物）- ΔS（反應物）

溫度升高，混亂度增加，絕對0度，熵值為0。

吸熱反應ΔH為正，放熱反應ΔH為負值，單位kJ/mol。

能量和混亂度都考慮，就是吉布斯自由能，自發反應總是向吉布斯自由能降低的方向進行。

吉布斯自由能變：ΔG = ΔH - TΔS。ΔG<0，能自發進行。T是絕對溫度，單位K，絕對0度是零下273.15度。

分子能量降低：兩個分子發生化合反應，結合成一個分子，成鍵放熱，整體能量通常降低（小於兩個分子原有能量之和），所以活躍的官能團會自髮結合，而「正負相吸」為這種結合提供了條件。

原子能量降低：原子最外層電子滿8飽和，此時原子能量最低，所以最外層電子不滿8的原子，容易發生化學反應。

2.正負相吸

A原子的質子吸引B原子的電子，B原子的質子吸引A原子的電子，於是A原子和B原子相互吸引而結合。但是由於A原子里質子和電子的正負相互抵消，最終要看不能抵消的質子或電子，才起作用。

如果電子數等於質子數，正負相等，原子整體而言，正負相互抵消，不帶電。如果電子數小於質子數，負小於正，離子整體而言，帶正電荷（陽離子）。如果電子數大於質子數，負大於正，離子整體而言，帶負電荷（陰離子）。

正負電極的產生：

（1）異裂產生正負電極（陰陽離子）：

離子鍵沒有方向性和飽和性。

（2）誘導作用產生正負電極：

誘導作用：電負性不同，σ鍵的電子云偏向電負性大的一端，電子云分布不均，產生的分子內極性。共軛作用：π鍵的電子離域產生的給電子效應。（不形成π鍵，只考慮誘導效應，如果形成π鍵，還要考慮共軛效應）

共價鍵的電子偏向電負性大的一端，所以電負性大的一端負大於正，該局部帶負電，而電負性小的一端正大於負（電子云偏移而變得稀薄），該局部帶正電。

如果共價鍵兩邊電負性一樣，電子就不偏移，是非極性共價鍵。如果兩邊電負性不一樣，電子偏向電負性強一方，就是極性共價鍵。

競爭電子云：兩個官能團，以相反方向拉扯C的電子云，兩邊拉力相互抵消，電子云偏移程度降低，電極正負差值也就降低。

帶電離子與極性分子的正負相吸：

擇優原則：「強正」優先選擇「強負」，而捨棄原來結合的「弱負」，「強負」優先選擇「強正」，而捨棄原來結合的「弱正」。

推拉原則：一個基團，「母體」排斥它（推力），而另一個基團吸引它（拉力），它就更容易離開「母體」。因為推拉兩種力量，比推或拉的單一力量強。

3.最外層電子滿8飽和

第一周期（H、He）元素，最外層2個電子飽和，其它周期，最外層8個電子飽和。

原子之間形成共價鍵，就是為了共用電子，從而使各自的最外層電子達到飽和，使原子能量降低，這是一種互利共贏的合作方式。

Na和Cl正負相吸而結合時，Na為什麼要給Cl一個電子，而不是多個？因為Na把最外層那個電子給Cl後，Na滿8飽和的次外層就成為了飽和的最外層。Cl也只需要一個電子，使最外層滿8。

上圖可知，「正負相吸」為「滿8飽和」提供了條件，那如果沒有「正負相吸」，還能不能「滿8飽和」？可以的，自由基不帶電荷，也沒有正負相吸，但由於最外層電子不滿8，為了原子能量最低（最外層電子滿8），依然能與其它原子反應：

4.電負性：

電負性：原子吸引電子的能力。所以電負性大，電子偏移程度就大，也就造成正負極性。

（1）往右上角，電負性增加，往左下角，電負性降低，和元素周期表的酸鹼性變化規律一樣。

（2）電負性差值大的原子（大於1.7）形成離子鍵，電負性差值小的原子（小於1.7）形成共價鍵。

給電子基團:-(CH3)3C >-CH3>-NH2

吸電子基團:-NO2> -CN > -COOH > -F > -Cl > -Br > -COOR > -OR > -COR > -OH >

-C三C- > -C=C- > -H

5.電離和水解

電離：本質是分子形態和離子形態的相互轉化。

水是一種弱電解質，能少量的電離出H+和OH-。

水解：水電離出的氫離子和氫氧根離子，與其它分子電離出的離子相互結合。

6.有機反應的基本類型

對分子的改造，有三種情況：增、刪、改。增是加成反應和縮合反應，刪是消除反應，改是取代反應、氧化還原反應、重排反應。加成反應是小原子團，加到大原子團上，這兩個原子團不一樣，而縮合反應是兩個大的原子團，組成更大的原子團，這兩個原子團可以一樣。氧化還原反應是從電子轉移的角度來說的，而取代反應和重排反應是原子團轉移的角度來說的，取代反應有外源的原子或原子團加入，而重排反應是原有的原子或原子團的轉移。

1.取代反應：飽和化合物單鍵上的基團被替換。

（1）親核取代：由親核試劑進攻而發生的取代反應。

（2）親電取代：由親電試劑進攻而發生的取代反應。

吸電子的親電基團進攻苯環上易於給予電子的大π鍵，常見於芳香族化合物的H被其它基團取代。

（3）自由基取代。

自由基雖然不帶電，沒有正負相吸的動力，但是為了最外層電子的滿8穩定，而攻擊其它基團。

三個階段：鏈引發（自由基碰觸非自由基分子）、鏈增長（如同接力賽）、鏈終止（兩個自由基相碰）。

2.加成反應：加成反應必須有雙鍵或三鍵，才能加上去，如果飽和，就沒法再加了。還有一個條件，雙鍵兩邊有正負極性，起到吸引作用。

（1）親電加成。

碳正離子機制：HX與烯烴加成，由於烯烴雙鍵兩邊的電子云分布不均，產生正負極性，氫正離子與碳負離子結合，然後負離子X與碳正離子結合。

（2）親核加成。

羰基是一個極性官能團，氧原子的電負性大於碳原子，電子偏移，使氧原子帶負電，碳原子帶正電，帶負電的親核試劑進攻帶正電的碳原子。

（3）自由基加成。

3.消除反應：分子內消除兩個原子或基團。1,2-消除最常見。

4.氧化還原反應（前面已經說過了）。

5.縮合反應：兩個（或多個）分子組合成更大的分子。

A + B + C → A-B-C

6.重排反應：基團在分子內遷移。

（四）電子軌道

一、量子基礎

量子化：能量只能是最小單位（量子）的整數倍，而不是連續變化的。一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子。

1.量子數

3是主量子數，P是角量子數，x是磁量子數，2是自旋量子數。

（1）主量子數（n）：決定電子層，描述電子出現概率最大的區域離原子核的遠近。分為K、L、M、N、O、P等層。

（2）角量子數（l）：表示電子亞層，決定電子云形狀。

電子云不是由很多電子組成的雲霧，而是電子出現的概率密度。電子軌道也不是電子的運動軌跡，而是電子云所佔據的空間，電子的運動軌跡是無法測量的。

分為s（球形）、p（啞鈴型）、d（花瓣型）、f（180°、90°棒槌型）等。

（3）磁量子數（m）：決定電子云的伸展方向，也就是s、p、d、f的軌道各有多少個，決定簡併軌道。例如：Px、Py、Pz就是P亞層的三個軌道。

（4）自旋量子數（ms）：電子有逆時針自旋（↑表示）和順時針自旋（↓表示）兩種旋轉方向。

2.原子軌道規則

（1）能量最低原理：

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→...

在不違反泡利原理、和洪特規則的條件下，電子優先佔據能量較低的原子軌道，使整個原子體系能量處於最低，這樣的狀態是原子的基態。

順著填充方向，軌道能量逐漸升高。

前20號元素從1s填充到4s，其中沒有d軌道，從第21號元素開始出現d軌道。

（2）洪德規則：

電子分布到能量簡併的原子軌道時，優先以自旋相同的方式分別佔據不同的簡併軌道，因為這種排布方式原子的總能量最低。所以在能量相等的軌道上，電子儘可能自旋平行地多佔不同的軌道。

簡併軌道：同一亞層的軌道。例如：Px、Py、Pz是P亞層的三個簡併軌道。

例如：有Px、Py、Pz三個簡併軌道，填充順序：Px1e、Py1e、Pz1e、Px2e、Py2e、Pz2e。

（3）泡利不相容原理：

不能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數，既原子中每個電子的狀態都是不同的。

1-20號元素的原子軌道：

雖然描述電子的運動，但是叫做原子軌道，而不叫電子軌道。

元素周期表的原子序數 = 核電荷數 = 質子數 = 核外電子數，所以知道原子序數，就知道有多少個電子。

電子按照原子軌道規則，填充下圖：

圖中2p的3個方格，分別表示px、py、pz。按照「能量最低規則」，電子先填充1s，然後填充2s，之後填充2p。按照「洪德規則」，逆時針電子先填充px，然後填充py，之後填充pz，隨後順時針電子依次填充。px軌道可以填充2個電子，一個是逆時針自旋的電子（用↑表示），另一個是順時針自旋的電子（用↓表示）。按照「泡利不相容原理」，電子不能有完全相同的狀態，所以一個軌道上不能有↑↑，而是↑或↑↓。

二、軌道雜化

1.雜化類型

在成鍵的過程中，由於原子間的相互影響，同一原子中幾個能量相近的不同類型的原子軌道可以進行組合，重新分配能量和確定空間方向。

雜化過程分三步：基態 → 激發態 → 雜化態

基態的電子吸收光能後，進入能級較高的電子軌道，成為激發態。然後能級較高的電子軌道中，能量相近的幾個軌道進行雜化，形成雜化態。

由於不同原子的電子狀態不同，所以不同原子會吸收不同波長的光，形成不同的原子吸收光譜。

電子由基態躍遷到激發態，只能維持極短的時間，然後釋放光能，躍遷回基態。

一個原子中，最外層的電子軌道，三種雜化方式：sp、sp2、sp3

sp雜化：s軌道（帶2電子）和p軌道（不帶電子）雜化，形成2個等同的sp雜化軌道，每個軌道含1/2的s，1/2的p，直線結構。

sp2雜化：s軌道（帶2電子）和p軌道（帶1個電子）雜化，形成3個等同的sp2雜化軌道，每個軌道含1/3的s，2/3的p，正三角形結構。

sp3雜化：s軌道（帶2電子）和p軌道（帶2個電子）雜化，形成4個等同的sp3雜化軌道，每個軌道含1/4的s，3/4的p，正四面體結構。

2.σ鍵與π鍵

（1）σ鍵：

「頭碰頭」的形式，重疊的電子在兩核的連線上，重疊度大，受原子核束縛力大，比較牢固，但是能量低，活躍程度低。

成鍵的時候，優先選擇σ鍵，因為σ鍵的能量比π鍵低。

形式：s軌道和s軌道匹配而形成，s軌道和Px軌道匹配而形成，Px軌道和Px軌道匹配而形成。

（2）π鍵：

「肩並肩」的形式，重疊的電子分布在兩核連線的兩側，受原子核束縛力小，能量高，比較活躍，但是不如σ鍵牢固。

π鍵不能單獨存在，總是和σ鍵一起形成雙鍵或三鍵，因為成鍵時，先形成σ鍵，後形成π鍵，所以沒有σ鍵，也就不會有π鍵。

形式：Py軌道和Py軌道匹配而形成，Pz軌道和Pz軌道匹配而形成。

大π鍵：兩個以上的π鍵。例如：苯環就是大π鍵，由6個π鍵組成。

（3）成鍵判斷規律：

單鍵：σ鍵。

雙鍵：一個σ鍵，一個π鍵。

三鍵：一個σ鍵，兩個π鍵。

3.分子軌道

原子最外層的價電子，在整個分子里流動，而不是局限於某個原子軌道。分子軌道理論是對原子軌道理論的補充。

（1）原子軌道形成分子軌道遵循的原則：

軌道對稱性匹配。決定是否成鍵。正波瓣配正波瓣，負波瓣配負波瓣。

軌道能量相近。決定成鍵效率。

軌道最大重疊。決定成鍵方向。

（2）成鍵軌道與反鍵軌道

分子軌道中，能量比原子軌道低的分子軌道為成鍵分子軌道。

分子軌道中，能量比原子軌道高的分子軌道為反鍵分子軌道。（加*符號表示）

分子軌道中，能量和原子軌道能量持平的軌道為非鍵分子軌道。

能量：反鍵分子軌道 > 非鍵分子軌道 > 成鍵分子軌道。

成鍵軌道的電子和反鍵軌道的電子分布空間不同，成鍵軌道趨於向中間，而反鍵軌道趨於向周圍。

有軌道不一定有電子，沒有電子的軌道叫空軌道。

如果成鍵前，軌道上只有一個電子，成鍵後，電子優先到成鍵軌道，能量降低。

能量比較：

（1）相同電子層：

σs < σp ，σ < π < π* < σ* ，σpx < πpy = πpz < π*py = π*pz < σ*nx

（2）不同電子層：

σ1s < σ*1s < σ2s < σ*2s

第四章 生物化學

（一）細胞的元素和分子

生物化學：用化學的方法，從分子水平研究生物。

一、組成細胞的元素

（1）大量元素：C、H、O、N、P、S以及K、Ca、Mg等。

（2）微量元素（含量占生物總重量萬分之一以下）：Fe、Cu、Zn、硒、錳、鉻等。

（3）Na、I雖常見，但不是構成細胞的元素，而是調節生理的元素，所以不屬於微量元素。

二、組成細胞的分子

（1）水：生化反應的溶劑，流動來運輸物質，參與水解反應。

水分子間，通過氫鍵，相互內聚在一起。水分子與其它物質之間，也可通過氫鍵粘附在一起。

親水和疏水：極性分子和水，由於正負極性，還有氫鍵，從而相互吸引（親水），而非極性分子（例如油脂）和水之間沒有吸引力，所以互不相溶（疏水）。

（2）無機鹽：金屬酶的輔因子，調節滲透壓。

（3）糖類：主要的供能物質，細胞信號識別（糖蛋白）。

（4）脂類（脂質）：次要的供能物質、保溫（肥肉）、構成細胞膜（磷脂）、激素（例如膽固醇）。

（5）蛋白質：身體結構（肌肉）、酶（催化）、激素（例如胰島素、生長激素）、抗體、較弱的供能物質。

（6）核酸（DNA和RNA）：攜帶遺傳信息（DNA、mRNA）、核酶（催化作用的rRNA）、轉運氨基酸（tRNA）。

（二）糖類

單糖屬於醇類，由C、H、O組成，分為醛糖（葡萄糖）和酮糖（果糖）。

葡萄糖會自發的從鏈式（上圖）變為環式（六邊形），環式葡萄糖又會相互結合，形成多糖。反之，多糖水解，形成單糖。

（三）脂類

脂肪（由C、H、O組成）：

脂肪酸：R-COOH，R：烷基。R展開後：例如CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2COOH

如果有不飽和鍵（碳碳雙鍵），碳鏈就會彎曲。

脂類一般是非極性的（疏水），但是磷脂頭是極性的（親水），向外和水結合。

（四）氨基酸

氨基酸的中心是碳原子（Cα），碳原子分別連接：氨基（-NH2）、羧基（-COOH）、H、R基團。氨基酸的區別就是R基團不同。

羧基在水中容易提供H+，而顯酸性，然後成為-COO-，而氨基的N在水中容易吸引H+，而顯鹼性，然後成為-NH3+。

人體有20種常見氨基酸，其中8種為必需氨基酸（人體不能自己合成，必需從食物中獲得的氨基酸）：甲硫氨酸、纈氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、蘇氨酸（記憶法：甲攜來一本亮色書）。鳥氨酸和瓜氨酸不參與蛋白質的合成，只是代謝產物。

氨基酸脫水縮合形成肽鏈，肽鏈經過加工、摺疊、組裝後，形成蛋白質。

氨基酸數目較少的，稱為多肽，而不叫蛋白質，但是兩者本質是一樣的。

氨基酸的種類、數量、排列順序決定蛋白質的多樣性。

氨基酸分類：

1.根據化學結構的分類：

（1）芳香族（具有苯環）氨基酸：酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸。

記憶法：老（酪氨酸）、笨（苯丙氨酸）、色（色氨酸）：他一身芳香味，但是又老、又笨、臉色也不好。

（2）雜環族（環中含有雜原子）氨基酸：組氨酸、脯氨酸。

記憶法：祖（組氨酸）父（脯氨酸）的雜環。（「脯」念fu，不念pu）

（3）剩下的就是脂肪族（碳氫化合物）氨基酸。

2.按R基分類：

（1）酸性氨基酸（中性溶液中帶負電，-COO-）：天冬氨酸、谷氨酸。

記憶法：天（天冬氨酸）谷（谷氨酸）：很深的大峽谷被稱為「天谷」。

（2）鹼性氨基酸（中性溶液中帶正電，-NH3+）：賴氨酸、精氨酸、組氨酸。

記憶法：來（賴氨酸）警（精氨酸）組（組氨酸）：來警察小組。

（3）剩下的氨基酸是中性的。

中性非極性氨基酸：甲硫氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、色氨酸、纈氨酸。

記憶法：甲父笨病，一亮色鞋。

中性極性氨基酸：甘氨酸、蘇氨酸、天冬醯胺、谷氨醯胺、半胱氨酸、絲氨酸、酪氨酸。

記憶法：甘肅天谷半死老（甘肅的天谷，有一個半死的老人）

（五）蛋白質

蛋白質由C、H、O、N組成，有些蛋白質含S（二硫鍵）。

蛋白質的結構：

蛋白質的一級結構：氨基酸殘基序列以及二硫鍵。（氨基酸組成肽鏈之後，氨基酸就叫氨基酸殘基，因為脫水後，結構不完整）

蛋白質的二級結構：局部空間結構，α-螺旋，β-摺疊，β-轉角，無規捲曲。

Cα可旋轉，形成不同的二級結構，但是肽平面不可旋轉，因為肽平面是共軛雙鍵，只有單鍵才能旋轉。

二級結構主要靠氫鍵維持：

氫鍵：氫原子與電負性大的原子（O、N等）相互吸引。由於H的電子被N強烈吸引，H成正極性，基本上成了一顆質子，而C的電子偏向O，使O成負極性。正極性的H和負極性的O相互吸引，形成氫鍵。

氫鍵使肽鏈由直線結構變為螺旋結構。

電荷排斥和R基的大小形狀，會影響α-螺旋的形成。

β-轉角：肽鏈180度迴轉。例如：脯氨酸無法形成氫鍵，使α-螺旋中斷，從而使肽鏈發生迴轉。

無規捲曲：肽鏈鬆散的自由捲曲。

半胱氨酸的-SH基形成二硫鍵。

蛋白質的超二級結構：由多個二級結構組成。

蛋白質的三級結構：一整條肽鏈的三維空間結構。

維持三級結構的化學鍵：次級鍵：疏水作用、氫鍵、鹽鍵、范德華力。此外還有二硫鍵。

鹽鍵：基團之間的離子鍵。

疏水作用：相似相溶，疏水基團趨向於相互聚集，而被親水基團（例如水）包裹。

這些鍵使肽鏈聚集成球狀。

結構域：蛋白質三級結構中，摺疊相對緊密，且具有一定功能的區域。

一條肽鏈就是一個亞基。

蛋白質多亞基的作用：（1）相同亞基裝配蛋白質可以節省DNA的編碼序列，不用重複編碼，（2）蛋白質合成錯誤，造成一條亞基失活，那麼亞基越長，損害的範圍就越大，而亞基小，損害範圍小。

蛋白質的四級結構：多條肽鏈組裝在一起的三維空間結構。

維持四級結構的鍵：次級鍵。

一級結構相似的肽鏈，自然形成的高級結構往往也相似。

蛋白質變性：二級、三級、四級結構被破壞。（一級結構很牢固，不像次級鍵那麼不牢固）

蛋白質（包括酶）構象改變，就會喪失活性。

（六）核苷酸

核酸由核苷酸組成。

核酸分為DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸），DNA由脫氧核苷酸組成，RNA由核糖核苷酸組成。

DNA的鹼基：A、T、C、G，RNA的鹼基：A、U、C、G。鹼基配對：DNA：A=T、C三G，RNA：A=U、C三G。

核酸由C、H、O、N（鹼基含N）、P（磷酸含P）組成。

核苷酸中，核糖1位連鹼基，3位和5位連磷酸。核苷酸之間通過磷酸二酯鍵相連。

DNA鏈的兩端：磷酸在外的是5端，核糖在外的是3端。（上圖中的DNA鏈，上面的是5端，下面的是3端）

醇的OH和酸的OH脫水縮合時，醇提供H，酸提供OH。例如：C-OH和-COOH、C-OH和P-OH。而酸在水中電離，產生H+，而不是OH。

（七）DNA

DNA是反向平行的雙螺旋結構。反向平行：兩條鏈條中，一根鏈從3端到5端，另一根鏈從5端到3端。

雙螺旋是為了保護裡面的鹼基，而大溝和小溝方便基因調控蛋白直接接觸鹼基。

DNA的螺旋結構靠疏水作用產生的鹼基堆積力維持，而雙螺旋結構（兩條鏈的結合）靠鹼基之間的氫鍵維持。

DNA和RNA都含有CG，CG之間是三鍵，比AT或AU之間的雙鍵更牢固，所以CG含量高，DNA和RNA更穩定。

DNA旋轉一周（螺距）為3.4納米，其中含了10個鹼基對，因此兩個鹼基對之間的距離為0.34納米。雙螺旋直徑為2納米。

原核生物核外DNA是質粒，真核生物核外DNA是線粒體和葉綠體中的DNA。原核生物的DNA基因數量少，沒有內含子，也沒有重複序列，所以很精簡。

（八）酶

酶：對特定底物具有高效催化作用的蛋白質或RNA。（99%以上是蛋白質）

活化能：分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量。酶能降低化學反應的活化能。

酶的特點：酶在化學反應前後質量不變，酶只能加速化學上允許的反應。

酶的性質：高效性、專一性（特異性，對底物有嚴格的選擇，只能催化一種或一類化學反應）、易失活（對溫度和pH值要求苛刻）、可調控。

酶的組成：單純酶、結合酶。結合酶有蛋白質部分和輔因子組成，結合疏鬆的輔因子叫輔酶，結合緊密的叫輔基，為共價結合。

命名：習慣命名：例如澱粉酶，系統命名：底物 + 反應類型 + 「酶」字。（先說底物，再說把底物怎麼樣了）

活性中心：結合基團（酶的特異性）、催化基團（酶的高效性）。

酶的分類：

酶的作用機理：

（1）專一性：鑰匙與鎖學說、誘導契合學說：

鑰匙與鎖：酶與底物的形狀如同鑰匙與鎖一樣互補結合。

誘導契合：酶與底物的形狀本來不是互補的，在底物的誘導下形成互補結構。

（2）高效性：酸鹼催化、共價催化：

酸鹼催化：酶通過給予底物質子或抽取底物的質子，使底物變成高能量的、不穩定的過渡態物質，從而容易發生化學反應。

中間過渡態產物已經是高能量的活躍態物質了，所以需要的活化能很低。也就是說：底物由常態變為容易發生化學反應的活躍態，並不再靠吸收熱量而獲得活化能的傳統方式，而主要靠酶的催化來實現。底物由常態變為活躍態，光靠酶的催化還不完全夠，再補一點熱量形式的活化能就夠了，所以說酶能大幅降低化學反應所需的活化能。

共價催化：酶與底物共價結合，使底物變成高能量的、不穩定的過渡態物質，從而容易發生化學反應。

（3）高效性：臨近效應、定向效應：

臨近效應：底物分子和酶的活性中心有相互靠近的趨勢，相當於局部濃度增大而易於相互碰撞。

定向效應：底物分子的反應基團與酶分子的催化基團之間，能以正確有效的方向結合。

鄰近效應和定向效應的原理：如果酶的活性中心不在裂縫裡，而在酶的外側，底物碰上小小的活性中心，概率就很低了，而酶裂縫的體積比較大，底物碰上酶裂縫的概率就大，然後底物就鑽進酶裂縫，一路向前，就能碰到酶的活性中心。而且酶裂縫限制著底物的運動方向，使底物能以正確的方向碰上酶的活性中心。

（4）疏水微環境：

酶的活性中心在裂縫中，裂縫是疏水環境，有利於底物和活性中心結合。假如有水分子，極性的水分子就會對極性基團之間的結合產生影響。

酶的抑制：

不可逆抑制：抑製劑和酶以共價鍵結合，結合後不能分離。可逆抑制：抑製劑和酶以非共價鍵結合，結合後可分離。

競爭性抑製劑與底物結構相似，兩者競爭酶的活性部位。非競爭性抑製劑不佔據酶的活性部位，所以不叫競爭，但會佔據另一個部位而改變酶的形狀，使活性部位不適合接納底物。反競爭性抑製劑本身不能與酶結合，只有酶與底物結合後，酶的結構改變，這時反競爭性抑製劑才能結合上去。

低溫降低酶的催化活性，但不會改變酶的空間結構，而高溫、過酸、過鹼會改變酶的空間結構，使酶永久失活。

（九）ATP

ATP是所有生物通用的、高效的、直接的供能物質。

ATP含有兩個高能磷酸鍵（磷酸之間的鍵），但通常只斷裂最外側的高能磷酸鍵（ATP → ADP + Pi + 能量），高能磷酸鍵斷裂時會釋放大量的能量（熱量），可以被其它物質吸收，從而給其它物質供能。

（十）細胞呼吸

人的呼吸分為外呼吸和內呼吸，外呼吸是人體呼吸，就是肺吸收氧氣，再由血管把氧氣帶給全身細胞。內呼吸是細胞呼吸，細胞吸收血液帶來的氧氣和葡萄糖，並轉化成能量，也稱為有氧呼吸。

有氧呼吸的過程：

供氫體（NADH、FADH2）是還原劑，失電子，才有電子鏈的傳遞。

供氫體產生的H+（質子）用於穿越ATP合酶，從而作為ATP合成的動力。

有氧呼吸第一階段：糖酵解

葡萄糖 + NAD+ + ADP + Pi → 丙酮酸 + NADH + ATP + H+

發生場所：細胞質基質

記憶法：

葡葡（葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸）、果果（果糖-6-磷酸、果糖1，6-二磷酸）：兩位小朋友的名字。

二槍病痛鄰（二羥丙酮磷酸），干三鄰（甘油醛-3-磷酸）：中了兩槍的病痛的鄰居，幹掉了三個鄰居。

磷酸甘油酸：林算干：這事是林算（姓林名算的人）乾的，干這事的時間是13:32（1,3- 3- 2-）。

林算、喜春、病痛（磷酸烯醇式丙酮酸），病痛（丙酮酸）：林算喜歡春天，可是身體卻帶著病痛，於是哀嘆：病痛啊。

也就是說：葡葡、果果是林算的孩子，林算在下午1點半左右幹掉了三個鄰居，可是自己也中了兩槍。林算喜歡的春天來到了，可是身體還帶著槍傷的病痛，他哀嘆道：病痛啊。

有氧呼吸第二階段：檸檬酸循環

丙酮酸 + NAD+ + 輔酶A → 乙醯輔酶A + NADH + H+ + 二氧化碳

丙酮酸進入線粒體，並轉化為乙醯輔酶A，參與檸檬酸循環。

乙醯輔酶A + NAD+ + FAD + GDP + Pi → 輔酶A + NADH + H+ + FANH2 + GTP + CO2

發生場所：線粒體基質

記憶法：

寧屋一草（檸檬酸、順烏頭酸、異檸檬酸、草醯琥珀酸）：寧（靜的）屋（子里種了）一（棵）草。

童虎虎（α - 酮戊二酸、琥珀醯輔酶A、琥珀酸）：（有個兒）童（名叫）虎虎。

鹽瓶草（延胡索酸、蘋果酸、草醯乙酸）：浪漫的工藝品。

也就是說：寧靜的屋子裡，叫做虎虎的兒童，在鹽瓶里放了一棵草。

有氧呼吸第三階段：電子鏈傳遞和氧化磷酸化

電子鏈傳遞：NADH和FADH2作為供氫體和供電子體，開始電子鏈傳遞，生成水。

氧化磷酸化：ADP + Pi → ATP

發生場所：線粒體內膜

記下這張寺廟地圖，就記下了電子鏈傳遞：一進門肯定是佛門佛寺（FMN Fe-S），佛門佛寺、法德佛寺（FAD、Fe-S）、比才藝佛寺（b c1 Fe-S）環繞著Q型的湖，再往後走是月牙形的湖（c），寺廟後門就是銅門A，走出銅門A，大叫了三聲：啊啊啊。

線粒體內膜外側的質子（H+），通過內膜上ATP合酶的質子通道進入內膜內側，這種勢能用於合成ATP。

底物水平磷酸化：不是所有的ATP都通過ATP合酶產生，有些代謝產物把自身的高能磷酸基團轉給ADP，使之變成ATP。例如：糖酵解過程中，就是通過底物水平磷酸化合成ATP。

1分子葡萄糖參與有氧呼吸，最終產生30或32分子ATP。

葡萄糖、脂肪、蛋白質都參與了細胞呼吸：

無氧呼吸：細胞在缺少氧氣的時候，產生能量物質ATP的方式。

有氧呼吸和無氧呼吸的相同步驟：糖酵解（葡萄糖→丙酮酸），此階段能產生少量ATP，此後階段就不同了。

厭氧生物只進行無氧呼吸。

（十一）光合作用

有氧呼吸與光合作用是相反的。

光合作用分為光反應和暗反應（碳反應）兩部分：

CO2的固定：C5化合物和CO2形成C3化合物。還原：C3化合物還原成C5化合物。

植物的呼吸作用和光合作用同時存在，但是兩者卻是相反的、相互抵消的，呼吸作用釋放CO2，而光合作用吸收CO2，所以最終的整體效果，要看光合作用和呼吸作用誰佔主導優勢：

光照強度增大，光合作用增強。

光補償點：呼吸作用和光合作用力量相等，既植物光合作用釋放的二氧化碳等於植物呼吸作用吸收的二氧化碳，所以凈光合作用速率為0。

光飽和點：光合作用是有極限的，光合作用速率達到最大，既二氧化碳吸收量達到最大。

紙層析：層析液在濾紙上擴散，濾液（葉綠體色素）中溶解度大的色素，隨層析液擴散的遠。

影響光合作用的因素：光照強度、溫度、二氧化碳濃度。

冬天葉片變黃：低溫破壞了葉綠素，但沒有破壞類胡蘿蔔素。Mg是葉綠素成份，缺Mg也會使葉片變黃。

線粒體和葉綠體都是雙層膜。

線粒體和葉綠體是半自主性細胞器，就是有自己的DNA，但也依賴於細胞核的DNA。

葉綠體的類囊體組成基粒，基粒膜是光反應的場所，基質是暗反應（碳反應）的場所。

（十二）複製、轉錄、翻譯

一、中心法則

主要：DNA複製DNA、DNA轉錄RNA、RNA翻譯蛋白質。

次要：RNA病毒的RNA可以自我複製，也可以逆轉錄DNA。

基因位於DNA上，基因是有遺傳效應的DNA片段，一個基因決定一條肽鏈。

二、DNA複製

半保留複製：一條鏈是新的，一條鏈是原來的，原來的DNA是模板。

DNA聚合酶複製DNA，但需要RNA做引物：

倒插鼓包：DNA聚合酶只能沿著模板3』到5』方向，複製出5』到3』方向的DNA。DNA聚合酶順著模板前進，如果模板本來就是3』到5』方向，那就好辦，模板順插到DNA聚合酶里，順暢的複製出的DNA叫前導鏈。而如果模板是5』到3』方向怎麼辦？那隻能由模板DNA倒插（從後面插入）到聚合酶里，這樣聚合酶依然能沿著模板的3』到5』方向前進，但因此會鼓出個小包（下圖所示），結果複製出一段一段的不連續的DNA，形成後隨鏈，不連續的片段叫做岡崎片段。

鼓包釋放和繼續解鏈：

遺憾：圖中最左邊的缺口無法填補，因為DNA聚合酶只能在已有DNA（或RNA引物）的基礎上延長DNA，而最左邊沒有DNA，也就沒法延長。這就是DNA每複製一次，端粒就會縮短一點的原因。端粒被稱為「細胞的生物鐘」，隨著DNA複製次數增加，端粒越來越短，端粒短到一定程度，細胞就死亡了。

環狀DNA的複製：

θ複製：細菌。滾環複製：噬菌體。D環複製：線粒體。

三、DNA轉錄RNA

RNA聚合酶沿著3』到5』方向的DNA模板鏈，按照A-U、C-G的規則，合成5』到3』方向的RNA。

DNA的兩條鏈，各自轉錄出不同的RNA，而不是轉錄出相同的RNA，也不是只有一條鏈轉錄。

DNA轉錄的RNA分為三種：mRNA（信使RNA）、tRNA（轉運RNA）、rRNA（核糖體RNA）。

DNA在細胞核中轉錄hnRNA（核內不均一RNA，不成熟的RNA）、rRNA（核糖體RNA）、tRNA（轉運RNA），而hnRNA在細胞核中，通過內含子剪切掉，外顯子選擇性剪接、加帽子（m7GpppNmNm）和尾巴（poly A），從而轉化為mRNA（信使RNA，成熟的RNA）。

然後，mRNA、rRNA、tRNA離開細胞核，到細胞質中。

外顯子：表達蛋白質的DNA序列。內含子：不表達蛋白質的DNA序列。

四、核糖體、tRNA、密碼子

核糖體的結構：大亞基和小亞基。核糖體的組成：rRNA和蛋白質。

小亞基（底座）：結合mRNA。大亞基（蓋帽）：含有轉肽酶，能把氨基酸（殘基）連到肽鏈上。

原核生物核糖體沉降係數70S（50S大亞基和30S小亞基，但不等於50和30相加），真核生物核糖體沉降係數80S（60S大亞基和40S小亞基）。

密碼子是mRNA上決定一個氨基酸的三個相鄰鹼基。

mRNA上的密碼子連接的是tRNA上的反密碼子，兩種密碼子是互補關係：A-U、C-G。

密碼子的特點：專一性（一種密碼子決定一種氨基酸）、簡併性（有的氨基酸可以由多種密碼子決定）、通用性（所有生物共用一套遺傳密碼）。

RNA上，翻譯的起始密碼子AUG（甲硫氨酸），終止密碼子UAG、UGA、UAA。

五、RNA翻譯蛋白質

比喻：把項鏈的珠子串接成項鏈，珠子就是氨基酸，串成的項鏈就是肽鏈（蛋白質）。

mRNA好比項鏈設計師，決定項鏈珠子的排列順序。例如：規定第一顆珠子是紅的，第二顆珠子是綠的。

tRNA好比珠子的搬運工，把珠子從貨艙里搬運到加工台上。

rRNA好比針線工，把珠子串接在一起，也就是把新來的珠子加到已經成串的珠子上。

蛋白質的翻譯過程：

（1）進位：氨基醯-tRNA進入A位。

（2）成肽：轉肽酶（rRNA）使P位的肽鏈（或氨基酸）連接到A位的氨基酸上。

（3）移位：A位的肽鏈移到P位，原來的P位的tRNA移到E位，而釋放出去。

（4）核糖體向前移動一個密碼子。

RNA閱讀方向：5』到3』，肽鏈閱讀方向：N端到C端。

複製、轉錄、翻譯的比較：

（十三）基因調控與修復

一、基因表達調控

基因：具有遺傳效應的DNA片段。

管家基因：其產物是維持細胞基本生命活動所必需的，所有細胞都要表達，而且是持續性表達，不受環境的影響。

基因表達：DNA遺傳信息經過轉錄和翻譯形成蛋白質。表達 = 轉錄 + 翻譯。

基因表達的時空特異性：不同階段、不同區域，基因表達不一樣。

基因表達的方式：（1）組成性表達：管家基因的表達，恆定和不受調控。（2）誘導和阻遏表達：環境信號激活或抑制基因。

原核生物以被動的負調控為主，真核生物以主動的正調控為主。

轉錄水平的調控是最主要的。

啟動子是RNA聚合酶特異性識別和結合的DNA序列。起始密碼子（AUG）不是啟動子，因為啟動子不包含結構基因編碼區。

原核生物基因表達調控示例：

調節基因表達的阻抑蛋白與操縱基因結合，造成啟動子上的RNA聚合酶無法滑動到結構基因上，從而使結構基因無法轉錄RNA，也就無法翻譯蛋白質。如果阻抑蛋白和誘導物結合，就不與操縱基因結合（因為阻遏蛋白與誘導物結合，從而改變阻遏蛋白的構象，就不能與操縱基因結合），那麼RNA聚合酶就可以順利的滑動到結構基因上，開始轉錄RNA。

操縱子包括啟動子、操縱基因、結構基因。操縱子不是操縱基因，操縱子不包括調節基因，因為一個調節基因可以作用於多個操縱子。

真核生物基因表達調控示例：

增強子：增強轉錄的DNA序列。

轉錄激活因子先與增強子連接，然後和其它轉錄因子一起結合在啟動子上，這樣能使RNA聚合酶正確的連接在啟動子上，有利於轉錄的起始。

二、DNA修復

（1）直接修復：紫外線使相鄰的兩個嘧啶形成二聚體，DNA光解酶使其解開。

（2）切除修復：AP內切酶將損傷部位的DNA鏈切開，形成AP位點，DNA外切酶切除損傷部位（一段DNA鏈），DNA聚合酶和連接酶完成補全和縫合。

（3）錯配修復：鹼基錯配後，切除子鏈上錯誤的核苷酸，最後DNA聚合酶和連接酶完成補全和縫合。

（4）重組修復：先跳過損傷部位，複製後再修復。新合成的鏈留下損傷部位對應的缺口，把另一條同源染色體的正常的母鏈的DNA移至該缺口，然後補上母鏈的空缺。

請繼續閱讀《生物學基礎知識總結 下篇》

推薦閱讀：