sinh hoc dai cuong - Những phân tử nhỏ

Tuy nhiên hầu hết các nhà khoa học đều tin tưởng tuyệt đối vàoquan niệm cơ học về sự sống, và nó là nền móng cho Y học và Nông nghiệp.Trước khi mô tả các nguyên tố hóa học được sắp xếp n

Những phân tử nhỏ

Sao Hỏa ngày nay là một nơi lạnh lẽo và khô khốc, không thích hợp cho sựsống mà chúng ta biết, nhưng 3 tỉ năm trước nó đã từng là một nơi ấm và ẩmhơn Một vệ tinh thăm dò trên quỹ đạo trái đất gần đây đã chụp được mộtlòng hồ khô khổng lồ, kích thước bằng bang New Mexico và Texas gộp lạitrên bề mặt sao Hoả Một vệ tinh do thám khác phát hiện thấy bằng chứngcủa nước nằm kẹt dưới bề mặt băng của vùng cực sao Hoả Những khám phánày của các nhà địa chất đã khơi dậy sự quan tâm của các nhà sinh học vìnơi nào có nước là nơi đó có sự sống Có lý do vững chắc để tin rằng sựsống mà chúng ta biết không thể tồn tại mà không có nước

Động vật và thực vật sinh sống trên bề mặt trái đất phải phát triển nhữngphương thức phức tạp để giữ nước, chiếm 70% trọng lượng cơ thể củachúng Các thủy sinh vật sống trong nước không cần các cơ chế giữ nướcnày, vì vậy các nhà sinh học kết luận rằng những cơ thể sống đầu tiên cónguồn gốc từ môi trường nước Môi trường nước này không nhất thiết phải

là sông, hồ hay đại dương mà chúng ta thường nghĩ Các cơ thể sống đãđược phát hiện ở những suối nước nóng ở nhiệt độ trên điểm sôi thôngthường của nước, ở một hồ nằm dưới lớp băng của lục địa Antarctic NamCực, hoặc ở trong nước kẹt dưới bề mặt trái đất 2 dặm, hoặc trong vùngnước trên mặt nước biển 3 dặm, trong môi trường nước với độ acid hoặc độmặn cực cao, hoặc thậm chí trong nước làm lạnh bộ phận bên trong của lòphản ứng hạt nhân

Với 20 nghìn tỉ thiên hà trong vũ trụ, mỗi thiên hà gồm 100 tỉ ngôi sao, vũtrụ có rất nhiều hành tinh, và nếu hệ mặt trời của chúng ta là điển hình củamột thiên hà thì một vài trong số các hành tinh này có nước cần thiết cho sựsống Khi các nhà sinh vật suy tư về việc sự sống bắt đầu như thế nào từnhững vật chất không sống thì sự chú ý của họ không chỉ vào sự hiện diệncủa nước mà còn những gì hòa tan trong đó

Một khám phá lớn của sinh học là những cơ thể sống được cấu tạo từ cùngnhững loại nguyên tố tạo nên phần không sống khổng lồ của vũ trụ Quanniệm mang tính cơ học này - rằng sự sống có nền tảng hóa học và tuân theocác định luật Hoá-Lý chung - chỉ mới có gần đây trong lịch sử loài người.Khái niệm một "lực sự sống" là nguyên nhân tạo nên sự sống, khác vớinhững lực khác trong Vật lý và Hóa học là một quan niệm phổ biến trongvăn hóa Phương Tây cho đến thế kỷ 19, và nhiều người vẫn cho rằng có một

lực như vậy Tuy nhiên hầu hết các nhà khoa học đều tin tưởng tuyệt đối vàoquan niệm cơ học về sự sống, và nó là nền móng cho Y học và Nông nghiệp.

Trước khi mô tả các nguyên tố hóa học được sắp xếp như thế nào trong sinhvật sống, chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm Hóa học cơ bản Trước tiênchúng ta sẽ nói về các thành phần của vật chất: nguyên tử Chúng ta sẽ tìmhiểu về các loại nguyên tử, đặc tính của chúng và khả năng chúng có thể kếthợp với các nguyên tử khác Sau đó chúng ta sẽ xem xét vật chất biến đổinhư thế nào Ngoài những thay đổi vè trạng thái (từ rắn sang lỏng sang khí),các chất còn thay đổi, biến đổi về cả thành phần lẫn tính chất đặc trưng Tiếp

đó chúng ta sẽ mô tả cấu trúc và tính chất của nước và mối quan hệ của nóvới các axít và bazơ Chúng ta sẽ kết thúc chương bằng việc xem xét cácnhóm nguyên tử đặc trưng đóng góp những tính chất đặc thù cho nhữngphân tử lớn hơn mà chúng là một thành phần, và đó sẽ là chủ đề của chương

3

Một thung lũng Lớn hơn trên bề mặt sao Hoả: Bức ảnh màu nhân tạo này cho thấy màu xanh lục là phần đáy khô còn lại của một cái hồ khổng lồ đã từng tồn tại trên sao Hoả Cũng như sông Colorado tạo nên Thung lũng lớn, các dòng nước từ hồ này có lẽ đã tạo nên cái thung lũng sâu hàng dặm mà trên ảnh chính là đường xanh lục mỏng nằm ngay ở phía Bắc của lòng hồ

Nước và nguồn gốc hoá học của sự sống

Các nhà thiên văn học tin rằng hệ mặt trời của chúng ta bắt đầu hình thànhquãng 4,6 tỉ năm về trước khi một ngôi sao nổ tung sau đó suy sụp tạo nên

mặt trời, và khoảng 500 vật thể gọi là các tiểu hành tinh va chạm với nhau

để tạo nên các hành tinh bên trong, trong đó có trái đất Những dấu hiệu hóahọc đầu tiên chỉ ra rằng sự tồn tại của sự sống cách đây 4 tỉ năm Như vậymất đến 600 triệu năm, mà trong khung thời gian địa lý gọi là Hadean (xuấtphát từ Hades - có tính địa phủ - không có sự sống) để các điều kiện hóa họctrên trái đất trở nên vừa đúng thích hợp cho sự sống Một điều kiện quantrọng trong số này là sự tồn tại của nước

Trái đất cổ xưa có lẽ có rất nhiều nước trong không khí Nhưng do hành tinhmới hình thành rất nóng nên nước này bay hơi và thoát vào không gian KhiTrái đất nguội đi nước có thể lưu lại trên bề mặt của nó, nhưng nước này từđâu mà ra? Một quan điểm hiện nay cho rằng các sao chổi -những đám bụi

và băng thiếu cấu trúc quay quanh quỹ đạo mặt trời từ khi các hành tinhđược tạo ra - liên tục va vào Trái đất và mang không chỉ nước mà còn cácthành phần hóa học khác của sự sống, ví dụ Nitơ Khi trái đất nguội, các hóachất từ các tảng đá hòa tan vào nước và các phản ứng hóa học đơn giản diễn

ra Một số các phản ứng này lẽ ra có khả năng tạo nên sự sống, nhưng nhữngtác động bởi những sao chổi khổng lồ và những thiên thạch sẽ tạo ra đủ nănglượng để làm sôi các đại dương đang hình thành, vì vậy sẽ phá hủy bất kỳ sựsống đầu tiên nào Những tác động quy mô lớn này dần đi vào ổn định, và sựsống chiếm lĩnh khoảng 3,8 đến 4 triệu năm trước đây Thời kỳ Hadean tiền

sự sống chấm dứt (Hình 2.1) Thời kỳ Archean (tiền Cambrian) bắt đầu, và từ

đó đến nay sự sống tồn tại trên trái đất

Trong chương 3 chúng ta sẽ quay lại câu hỏi làm thế nào sự sống đầu tiên cóthể xuất hiện từ những chất vô tri vô giác Nhưng trước khi làm điều đóchúng ta cần hiểu hóa học của sự sống đòi hỏi những gì Giống như phầncòn lại của thế giới vật chất, các vật sống được tạo nên từ nguyên tử và phân

tử

Hình 2.1 Trục thời gian địa chất Kỷ Hadean bao gồm thời gian từ lúc hình

thành trái đất (khoảng 4,6 tỉ năm trước) cho đến khi sự sống đầu tiên xuất hiện (khoảng 3,8 tỉ năm trước) Trong giai đoạn kỷ Hadean các điều kiện hóa học thay đổi tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống, và sự sống có thể chiếm lĩnh trái đất một khi các trận mưa sao chổi và thiên thạch chấm dứt

Nguyên tử : Thành phần của vật chất

Hơn một nghìn tỉ nguyên tử có thể đặt đủ vào dấu chấm ở cuối câu này Mỗi

nguyên tử được cấu tạo từ một nhân và chuyển động xung quanh nó là một

hoặc một số electron (Hình 2.2) Nhân chứa một hoặc một số proton và mộthoặc một số neutron Nguyên tử và các cấu tử của nó có thể tích và khốilượng, hai tính chất của mọi vật chất Khối lượng đo lượng vật hiện diện;khối lượng càng lớn thì lượng vật chất càng lớn

Khối lượng của proton có chức năng là một đơn vị đo chuẩn: đơn vị khốilượng nguyên tử hay dalton (đặt tên theo nhà hóa học người Anh JohnDalton) Một proton hay neutron có khối lượng khoảng 1 dalton (Da), tương

đương với 1,7.10-24 gram (0,0000000000000000000000017g) Khối lượng

một electron khoảng 9.10-28 g (0,0005 Da) Vì khối lượng của một electronkhông đáng kể so với khối lượng của một proton hay một neutron, người tathường bỏ qua sự đóng góp của electron vào khối lượng nguyên tử khi tínhtoán Tuy nhiên chính electron mới quyết định cách các nguyên tử tương tácvới nhau trong các phản ứng hóa học, và chúng ta sẽ bàn nhiều về vấn đềnày sau trong chương này

Hình 2.2: Ngyên tử helium

Mỗi proton tích điện dương, được định nghĩa là +1 đơn vị tích điện Mộtelectron có điện tích âm bằng và trái dấu với điện tích của proton; vì vậyđiện tích của electron là -1 đơn vị Neutron, đúng như tên nó phản ảnh,không tích điện vì vậy điện tích của nó là 0 đơn vị Các điện tích trái dấu(+/-) thì hút nhau còn các điện tích cùng dấu (+/+ hay -/-) thì đẩy nhau Cácnguyên tử đều trung hòa về điện: Số lượng proton trong một nguyên tử bằngvới số lượng electron

Một nguyên tố được cấu tạo nên chỉ từ một loại nguyên tử

Một nguyên tố là một chất tinh khiết chỉ chứa một loại nguyên tử Nguyên tốHydrô chỉ chứa một loại nguyên tử hydrô; nguyên tố sắt chỉ chứa cácnguyên tử sắt Nguyên tử của mỗi nguyên tố có những đặc tính hoặc tínhchất nhất định phân biệt chúng với các nguyên tử của nguyên tố khác Hơn

100 nguyên tố tìm thấy trong vũ trụ được sắp xếp trong bảng tuần hoàn(Hình 2.3) Các nguyên tố này được tìm thấy với trữ lượng khác nhau Cácngôi sao có rất nhiều Hydrô và Hêli Đất của trái đất và ở những hành tinhgần đó chứa gần một nửa là Oxy, 28% silicon, 8% nhôm, 2-5% cho mỗi mộtnguyên tố Natri, Magiê, Kali, Canxi và sắt và chưa một lượng ít hơn nhiềucác nguyên tố khác

Khoảng 98% trọng lượng của mọi cơ thể sống (vi khuẩn, củ cải hay conngười) đều được tạo nên từ chỉ sáu nguyên tố: Carbon, hydro, Nitơ, oxy,phốt pho và lưu huỳnh Hóa tính của sáu nguyên tố này sẽ là mối quan tâmhàng đầu của chúng ta ở đây, nhưng các nguyên tố khác không phải khôngquan trọng Ví dụ Na và K quan trọng đối với chức năng thần kinh; Ca cóthể hoạt động như một tín hiệu sinh học; iod là thành phần của một loạihormone quan trọng; và cây cần Magiê như một phần của lục sắc tố

(chlorophyll) và molybdenum để chuyển hóa N vào các hợp chất sinh học cóích

Hình 2.3: Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học các nguyên tố được xắpxếp theo đặt tính vật lý và hóa học 1-92 là các nguyên tố tự nhiên, cácnguyên tố từ 93 trở về sau được tạo ra trong phòng thí nghiệm

Số lượng proton quyết định loại nguyên tố

Một nguyên tố được phân biệt với một nguyên tố khác bằng số lượng proton

ở mỗi nguyên tử của nó Con số này không bao giờ thay đổi và được gọi là

số nguyên tử Một nguyên tử Heli có 2 proton và một nguyên tử oxy có 8proton; như vậy số nguyên tử của hai nguyên tố này lần lượt là 2 và 8

Cùng với một số lượng proton xác định, mỗi nguyên tố ngoại trừ Hydro cómột hoặc một vài neutron trong nhân của nó Số khối của một nguyên tử làtổng số proton và neutron trong nhân của nó Nhân của Heli chứa 2 proton

và 2 neutron; oxy có 8 proton và 8 neutron Vì vậy Heli có số khối là 4 vàoxy có số khối là 17 Số khối có thể coi là trọng lượng của nguyên tử tínhtheo đơn vị Dalton

Mỗi nguyên tố có ký hiệu hóa học gồm một hoặc hai chữ cái riêng Ví dụ H

là ký hiệu của Hydrô, He là ký hiệu của Heli và O là ký hiệu của Oxy Một

số ký hiệu có nguồn gốc từ các ngôn ngữ khác: Fe (từ tiếng Latin ferrum) kýhiệu cho sắt, Na (Latin là natrium) ký hiệu cho Natri, và W (Tiếng Đức,Wolfram) ký hiệu cho Von-fram

Trong các sách, ngay trước ký hiệu cho một nguyên tố, số nguyên tử đượcviết ở phía dưới bên trái và số khối được viết ở phía trên bên trái Vì vậy

hydro, carbon và oxy được viết lần lượt như sau H1

số neutron trong nhân nguyên tử

Trong tự nhiên nhiều nguyên tố tồn tại ở nhiều dạng đồng vị Các đồng vịcủa Hydro ở Hình 2.4 có các tên riêng, nhưng đồng vị của hầu hết cácnguyên tố không có tên riêng Ví dụ đồng vị trong tự nhiên của Carbon là

12C, 13Cvà 14C(được đề cập dưới tên gọi Carbon 12, Carbon 13 và Carbon

14) Hầu hết nguyên tử Carbon đều là 12C, khoảng 1,1% là 13C và chỉ một

phần rất nhỏ là 14C Một khối lượng nguyên tử của một nguyên tố, tức trọng

lượng nguyên tử * là trung bình số khối của một mẫu đại diện các nguyên tửcủa nguyên tố đó, với tất cả các đồng vị theo tỉ lệ của chúng thường gặp Do

đó trọng lượng nguyên tử của Carbon được tính là 12,011

Một số đồng vị, gọi là đồng vị phóng xạ, không bền và tự phát ra năng lượng

dưới dạng các phóng xạ α (alpha), β (beta) hay γ (gamma) từ nhân nguyên

tử Sự phân rã phóng xạ như vậy biến nguyên tử ban đầu thành một nguyên

tử khác, thường là một nguyên tố khác Ví vụ carbon-14 mất một hạt β (thật

ra là một electron) để tạo nên 14N Các nhà Sinh vật và Vật lý có thể kết hợp

các đồng vị phóng xạ vào các nguyên tử và sử dụng phóng xạ phát ra nhưmột dấu hiệu để xác định vị trí của những phân tử này hoặc xác định nhữngthay đổi mà phân tử này đang trải qua trong cơ thể (Hình 2.5) Ba đồng vịphóng xạ được sử dụng phổ biến theo cách này là 1H (tritium), 14C (carbon-14) và 32P (phốtpho 32) Ngoài những ứng dụng này các đồng vị phóng xạcòn được sử dụng để định tuổi các hóa thạch (xem chương 22)

Mặc dù đồng vị phóng xạ có ích cho các thí nghiệm và trong Y học, chỉ mộtliều thấp phóng xạ của chúng có khả năng hủy hoại tế bào và các phân tử.Chúng ta biết rất rõ các tác dụng tàn phá của các vũ khí hạt nhân cũng nhưnhững lo ngại về sự hủy hoại các sinh vật từ các đồng vị sử dụng trong nhàmáy điện hạt nhân Trong Y học, phóng xạ γ từ 60Co (Cobalt 60) được sửdụng để phá hủy hoặc giết các tế bào ung thư

Trong khi bàn về các đồng vị và tính phóng xạ, chúng ta đã tập trung vào hạtnhân nguyên tử, nhưng nhân không đóng vai trò trực tiếp trong khả năng kếthợp của nguyên tử với các nguyên tử khác Khả năng này được quyết địnhbởi số lượng và sự phân bố của các electron Trong các phần tiếp theo chúng

ta sẽ mô tả một ố tính chất và cách thức hoạt động hóa học của electrons

Cách thức hoạt động của electron quyết định liên kết hóa học

Khi xem xét các nguyên tử, các nhà sinh học chủ yếu quan tâm đến electrons

vì cách thức hoạt động của electron giải thích những biến đổi hóa học xảy ranhư thế nào trong tế bào sống Những biến đổi này, gọi là phản ứng hóa họchay đơn giản là phản ứng, là những thay đổi trong thành phần của chất Sốelectron đặc trưng trong mỗi nguyên tử của một nguyên tố quyêt định cáchcác nguyên tử của nó phản ứng với các nguyên tử khác Mọi phản ứng hóahọc liên quan đến sự thay đổi về mối quan hệ giữa các electron với nhau

Vị trí của một electron trong một nguyên tử tại một thời điểm bât kỳ làkhông thể xác định Chúng ta chỉ có thể mô tả một khoảng không gian trongnguyên tử trong đó electron có khả năng có mặt Vùng không gian nơielectron được tìm thấy ít nhất 90% số lần chính là orbital của electron (Hình2.6) Trong một nguyên tử, một orbital nhất định có thể được chiếm lĩnh bởinhiều nhất là hai electron Vì vậy bất kỳ nguyên tử nào lớn hơn Heli (sốnguyên tử là 2) phải có các electron trong hai orbital trở lên Như hình 2.6cho thấy, các orbital khác nhau có các dạng & hướng đặc trưng trong khônggian Các orbital lại tạo nên một loạt các lớp vỏ điện tử, hay mức năng lượngquanh hạt nhân (Hình 2.7) > Lớp vỏ điện tử trong cùng chỉ có một orbital,

gọi là orbital s Hydro (1H) có một electron trong lớp vỏ đầu tiên; Heli (2He)

có hai Tất cả nguyên tố khác có hai electron ở lớp vỏ thứ nhất cũng như cácelectron trong các lớp vỏ khác

> Lớp vỏ thứ hai được tạo nên bởi bốn orbital (một orbital s và ba orbital p)

và vì vậy có thể giữ tới tám electron

Các orbital s chứa đầy electron trước và các electron của chúng có mức nănglượng thấp nhất Các vỏ tiếp theo có số các orbital khác nhau, nhưng lớp vỏngoài cùng nhất thường chỉ chứa tám electron Trong bất kỳ nguyên tử nào,lớp vỏ điện tử ngoài cùng quyết định cách các nguyên tử kết hợp với cácnguyên tử khác - tức hóa tính của nguyên tử Khi một lớp vỏ ngoài cùng tạobởi bốn orbital chứa tám electron sẽ không có electron nào không cặp đôi(xem Hình 2.7) Một nguyên tử như vậy bền vững và sẽ không phản ứng vớicác nguyên tử khác Các ví dụ về các nguyên tố bền vững là Heli, Neon vàArgon

Các nguyên tử có hoạt tính tìm cách đạt tới trạng thái bền vững không cóelectron không cặp đôi ở lớp vỏ ngoài cùng Chúng đạt được sự bền vữngnày bằng cách chia xẻ electron với các nguyên tử khác, hoặc bằng cách chohoặc nhận một hoặc một vài electron Trong cả hai trường hợp các nguyên

tử được liên kết với nhau Những liên kết như vậy tạo ra tổ hợp bền vữnggiữa các nguyên tử gọi là phân tử

Một phân tử là hai hoặc nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóahọc Xu hướng đạt được tám điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của các nguyên tửtrong các phân tử bền vững được biết dưới tên gọi quy tắc "bát tử" Nhiềunguyên tử có ý nghĩa sinh học, ví dụ carbon (C) và nitơ (N) tuân theo quytắc bát tử Tuy nhiên một số nguyên tử có ý nghĩa sinh học không tuân theoquy tắc này Hyđro (H) là một ví dụ dễ thấy nhất, đạt tới trạng thái cân bằngkhi chỉ có hai electron chiếm lớp vỏ duy nhất của nó

Các liên kết hoá học : Sự kết nối các nguyên tử

Liên kết hoá học là một dạng lực hấp dẫn kết nối hai nguyên tử để hìnhthành một phân tử Có một số loại liên kết hoá học (bảng 2.1), ở phần nàychúng ta sẽ tìm hiểu về liên kết hoá học cộng hoá trị là kết quả của việc dùngchung các điện tử Sau đó chúng ta sẽ xem xét các loại tương tác khác như:liên kết Hyđro, là một loại liên kết yếu nhưng vô cùng quan trọng trong sinhhọc Cuối cùng chúng ta xét đến liên kết ion được hình thành khi nguyên tửmất đi hoặc nhận thêm điện tử

Các liên kết cộng hoá trị : dựa trên các cặp điện tử dùng chung Khi hai

nguyên tử đạt được số điện tử ổn định ở lớp vỏ ngoài của chúng bằngcáchđưa ra một hay nhiều cặp điện tử dùng chung., liên kết cộng hoá trịđược hình thành Xem xét hai nguyên tử Hyđro ở gần nhau, mỗi nguyên tử

có một điện tử độc thân ở ngoài vỏ Mỗi hạt nhân mang điện tích dương hútcác điện tử độc thân của các ngyên tử khác nhưng lực hút này được cân bằngbởi lực hút của hạt nhân nguyên tử của chính điện tử đó.Do đó hai điện tửđộc thân đã được hai ngyên tử dùng chung, lấp đầy lớp vỏ ngoài của cả hainguyên tử đó.Như vậy chúng được nối với nhau bằng liên kết cộng hoá trị vàmột phân tử khí Hyđro (H2)được tạo thành

Một phân tử được tạo thành từ hơn một loại nguyên tử đựoc gọi là một hợpchất Một công thức phân tử sử dụng các kí hiệu hoá học để biểu diễn cácnguyên tử khác nhau trong một hợp chất , các chỉ số viết phía dưới chỉ sốnguyên tử mỗi loại trong phân tử Ví dụ công thức của đường mía saccarozo

là C12H22O11 Mỗi hợp chất có phân tử lượng (khối lượng phân tử) là tổngnguyên tử lượng của tất cả các nguyên tử trong phân tử.Nhìn vào bảng tuầnhoàn bạn có thể tính được khối lượng phân tử của đường mía là 342 Khốilương phân tử thường liên quan đến kích thước phân tử.(hình 2.9)

Một nguyên tử cacbon có 6 điện tử ở lớp vỏ; 2 điện tử lấp đầy lớp vỏ bêntrong và 4 điện tử ở lớp vỏ ngoài.Lớp vỏ ngoài này có thể chứa được 8 điện

tử, Cacbon có thể dùng chung điện tử với 4 nguyên tử khác … Nó có thểhình thành 4 liên kết cộng hoá trị Khi một nguyên tử cacbon phản ứng với 4nguyênt ử Hyđro, phân tử Metan được hình thành (Hình 2.10a) Nhờ có cácđiện tử dùng chung lớp vỏ ngoài của nguyên tử cacbon trong phân tử Metanđược lấp đầy với 8 điện tử, và lớp vỏ ngoài của mổi nguyênt ử Hyđro cũngđược lấp đầy 4 liên kết cộng hoá trị - mỗi liên kết chứa 1 cặp điện tử dùngchung , cùng tạo nên phân tử Metan Bảng 2.2 chỉ ra các liên kết công hoá trịcủa một số nguyên tố có ý nghĩa sinh học quan trọng

Định hướng liên kết cộng hóa trị

Các liên kết cộng hoá trị là các liên kết mạnh Năng lượng nhiệt mà các phân

tử sinh học thông thường có ở nhiệt độ cơ thể nhỏ hơn 1% năng lượng cầnthiết để phá vỡ các liên kết cộng hoá trị Vì vậy với hầu hết các phân tử sinhhọc,liên kết cộng hoá trị làm cho chúng trở nên khá bền vững Điều này cónghĩa là cấu trúc ba chiều và không gian chúng chiếm giữ khá ổn định Mộtđặc tính thứ hai của liên kết cộng hoá trị : đối với một cặp nguyên tử, liênkết cộng hoá trị giữa chúng luôn giống nhau về độ dài, góc, hướng liên kếtbất chấp chúng nằm trong phân tử lớn hay nhỏ Ví dụ như 4 orbitals đượclấp đầy quanh hạt nhân Cacbon của phân tử Metan, bản thân chúng đónggóp các không gian để các nguyên tử Hyđro liên kết được định hướng vàocác góc của 1 khối tứ diện đều với Cacbon là tâm của khối tứ diện đó Cấutrúc 3 chiều của Cacbon và Hyđro cũng tương tự như vậy trong đại phân tửProtein phức tạp Đặc điểm này của liên kết cộng hoá trị giúp chúng ta cóthể dự đoán được các cấu trúc sinh học

Mặc dù sự định hướng của các orbital và hình dạng của các phân tử khácnhau phụ thuộc vào từng loại nguyên tử có liên quan và chúng liên kết vớinhau như thế nào, cũng cần phải nhớ rằng tất cả các phân tử đều chiếm giữkhông gian và có cấu trúc 3 chiều Hình dạng của phân tử góp phần tạo nênchức năng sinh học của chúng, chúng ta sẽ nghiên cứu ở chương 3

2.2 Khả năng tạo liên kết cộng hoá trị của một số nguyên tố sinh học quan trọng

Ngyên tố: Số liên kết cộng hoá trị thông thường

Hyđro (H) 1

Các loại liên kết cộng hoá trị: Một liên kết cộng hoá trị được biểu diễn bằng

1 gạch nối giữa hai nguyên tử liên kết với nhau.: - Liên kết đơn chứa mộtcặp điện tử dùng chung ( ví dụ H - H, C - C) - Liên kết đôi chứa 4 (2 cặp)điên tử dùng chung (C = C) Các liên kết ba (6 điện tử dùng chung) rất hiếmnhưng chúng ta có thể gặp ở liên kết của phân tử khí Nitơ (N≡N ) là thànhphần chính của không khí

Các điện tử dùng chung không cân bằng

Nếu hai nguyên tử của một nguyên tố liên kết cộng hoá trị với nhau chúngcùng chia sẻ cặp điện tử ở trạng thái cân bằng.Tuy nhiên khi hai nguyên tử

là hai nguyên tố khác nhau không còn sự cân bằng nữa Một hạt nhân có thểtác động lực hút tĩnh điện lớn hơn vào cặp điện tử làm chocặp diệ tử này có

xu hướng gần hơn với nguyên tử chứa hạt nhân đó Lực hút của nguyên tửtác động lên các điên tử được biểu hiện bằng độ âm điện cúa nguyên tử đó

Nó phụ thuộc vào số điện tích dương của hạt nhân ( trong nhân có càngnhiều proton thì điện tích dương càng lớn và hút điện tử càng mạnh ) vàkhoảng cách từ hạt nhân đến các điện tử (khoảng cách càng gấn ái lực cànglớn) Hai nguyên tử càng gần nhau về độ âm điện cặp điện tử dùng chungcàng ở dễ ở vị trí cân bằng Bảng 2.3 chỉ ra độ âm điện của một số nguyên tốquan trọng trong sinh học.Từ bảng đó ta thấy hai nguyên t ử Oxy đều có độ

âm điện là 3.5 sẽ chia sẻ cặp điện tử cân bằng, hình thành liên kết cộng hoátrị không phân cực Tương tự như vậy với hai nguyên tử Hyđro (2.1)

2.3 Độ âm điện của một số nguyên tố sinh học

Nguyên tố : Độ âm điện

tử nước Chúng có thể hình thành giữa một nguyên tử có độ âm điện lớn vàmột nguyên tử Hyđro liên kết cộng hoá trị với một nguyên tử có độ âm điệnlớn khác(hình 2.12) Liên kết Hyđro là một liến kết yếu nó chỉ bằng 1/10(10%) của liên kết cộng hoá trị giữa 1 nguyên tử Hyđro và 1 nguyên tử Oxy.(xem bảng 2.1) Tuy nhiên khi nhiều liên kết Hyđro được hình thành nó trớ