Chemistry of Life

結構生物體的分子，通常由不同種類的原子透過化學鍵來結合而成。原子間可能會產生各種形式的化學鍵，例如共價鍵、極性共價鍵、氫鍵等，這些鍵會穩定蛋白質與 DNA 架構，和影響各種化學反應平衡。

Elements and Atoms

• Matter
  • 所有能在空間中看的見、擁有量的物質
  • 由更小的 Elements 組合而成
• Element
  • 不能夠再拆解成不同的物質時，就稱作元素
    • e.g., Gold, Carbon
• Atom
  • 將元素拆拆拆，拆成最小單位並且依然保留該元素的 properties 就稱作原子
  • e.g., Gold => Gold atoms

Atom

• Atom 可以稱成兩個 region，分為 atomic nucleus 和 orbitals ("clouds")
• Atomic nucleus 包含了 Proton 和 Neutron
  • Proton (質子) 帶有 positive charge (正極)
  • Neutron (中子) 則是中性
• Orbital 裡有 Electron
  • 可以想像 electron 像 orbit 一樣圍繞 nucleus，但其實他是在周圍任何地方機率性的出現，並且跟 proton 吸引
  • Electron (電子) 帶有 negative charge (負極)
• 一般的 atom 都會有這三種 subatomic particles
  • 例如 Helium 有 2 個 Proton, 2 個 neutron 和 2 個 electron
  • 只有 Hydrogen 是例外，他只有一個 Proton + 一個 Electron，而沒有 Neutron

Helium Atom

• Proton 和 Neutron 有差不多的質量，為 $1.67\times 10^{-24}$ 克重
  • 會用 atomic mass unit (amu) 這個單位來表示，一個 proton 為 1 amu 重
• Electron 則是只有 1/1800 amu 所以通常在表示 atom 重量時會被省略
• 一個 Neutral atom 表示他的 proton 和 electron 數量相等，正負極互相抵消

Atomic Number

• 一個 atom 是什麼元素，可以從他的 proton 數量來判斷
  • e.g., Carbon atom 有 6 個 proton
  • 我們稱這個數量為 atomic number
• 相同元素的 atom 可以有不同的 neutron
  • 同個元素但不同 neutron 我們稱作 isotopes
  • e.g., Carbon-12 $(^{12}C)$ 和 Carbon-14 $(^{14}C)$
• Proton 和 Neutron 相加的質量稱作 Mass number
  • Mass number = protons + neutrons
  • e.g., Carbon-12 = 6 protons + 6 neutrons
  • e.g., Carbon-14 = 6 protons + 8 neutrons

Atomic Mass

• 所以用 amu 來表達 mass number 就是 atomic mass
  • e.g., Carbon-12 = atomic mass of 12 amu.
• 因為一種元素可以有多種 isotopes
  • 但 carbon-12 在地球上出現的數量比 carbon-14 還要多非常多
• 所以科學家用 relative atomic mass 來表達一個 atom 在地球上的平均質量

Hydrogen Element

Electron shells and the Bohr model

• 科學家發現 electron 會根據不同的 energy level 在不同距離環繞 nucleus
• 一般來說可以分成 1n, 2n, 3n 三層
• 越內層的能量越小，越外層能量越大
• 所以下圖顯示當 electron 吸收能量時會跳到外層，而釋放能量時會跳到內層

Electron Shell

• Atom 傾向保持在 lowest-energy 的 stable 狀態
• 所以 electrons 會從最內層的 low energy shell 開始填滿
  • 1n 可以保存 2 electrons
  • 2n 可以保存 8 electrons
  • 3n 可以保存 18 electrons
• 而最外層的 shell 決定了每一種 atom 的 reactivity, 或是和其他元素結合的 tendency
• 最外層稱作 Valence shell，而在該層的 electron 稱作 Valence electrons
• 在 Biology 常見的元素，通常最外層都需要 8 electrons 來維持 stable
  • 這個 Rule 稱為 Octet rule

Atoms Electron Configurations

• 上圖可以看到一些常見的 electron configurations
• Helium (He) 有著 full valence shell (2 electrons in 1n)
  • 所以他非常穩定不太和他人往來
• Neon (Ne) 一樣有 complete outer 2n shell 包含 8 electrons
  • 所以可以看到 Group 18 (Noble gases) 都不太和其他元素反應
• Argon (Ar) 雖然在 3n 沒有包含滿滿的 18 electrons
  • 但根據 octet rule 他和 Helium, Neon 一樣 stable
• 另外 Sodium (Na) 在 3n 只有 1 個 electron
  • 所以他非常想要把這個 electron 給別人，讓自己穩定
• 而 Chlorine (Cl) 在 3n 則有 7 個 electrons
  • 所以他和 sodium 非常 reactive，迫不及待從 sodium 手上拿到 electron

The periodic table

Periodic Table

• 元素根據 atomic number (how many protons they have) 排列在週期表上
• 若都假設元素是 neutral atom 那就可以快速得到 electrons 的數目
• 又因為 columns, rows 我們可以從表中得到很多有用資訊
• Rows : Periods
  • H 和 HE 的 electron 都要 fill 1n shell
  • Li fill 2n shell
  • Na fill 3n shell
• Columns : Groups of elements
  • Group 1 只有 1 valence electron
  • Group 18 則有 8 valence electrons 除了 HE
• Group 18 稱作 Noble (inert) gases，作為單個 atom 就已經 highly stable
• Group 1 除了 H 稱作 Alkali metals，只有 1 個 electron 在最外層所以 unstable
  • 通常會 lose 或 share 他們的 valence electron 來達到 stable
  • e.g., $\text{Li loses } e \rightarrow \text{Li}^+$
  • e.g., $\text{Na loses } e \rightarrow \text{Na}^+$
• Group 17 稱作 Halogens，有 7 個 valence electrons 缺 1 所以 unstable
  • 通常會從別的 atom 獲得 1 個 electron 來達到 stable
  • e.g., $\text{Cl gains } e \rightarrow \text{Cl}^-$
• Carbon 在 Group 14 只有 4 valence electrons
  • 通常 C 會藉由 share electrons 來達到 complete valence shell
  • Forming bonds with multiple other atoms

Subshells and orbitals

• 為了更精確的表達 electrons 在 nucleus 周圍，也就是 electron orbitals 的分布
• 科學家用數學方法定義了 electrons 90% 所在的地方
• 這些 high-probability region 就是 orbital，每個可以容納 2 個 electrons

Electron Orbitals

• 於是一個 electron shell 被分成多個 subshells，也就是 orbital sets
• Subshell 可以被指定為 s, p, d, f 代表不同形狀
• s 是 1 個 single, spherical orbital
• p 是 3 個 dumbbell-shape orbitals 各別垂直
  • Biology 通常常見的就是 s, p subshells
  • d, f 則是更複雜的形狀

Electron Shell with subshells

• 1n 通常對應於單個 1s orbital
  • 所以 H 只有一個 electron 在 1s
    • 這可以表達成 electron configuration as $1s^1$
    • Superscript 表示有幾個 electron
  • Helium 有兩個 electron 填滿 1s
    • 所以可以表達為 $1s^2$
• 2n 則對應有單個 2s 和三個 2p，每個包含 2 electrons
  • 所以 electron 會先去 2s 再去 2p
  • 例如 Li 有 3 個 electrons，會先填滿 1s 剩下一個再去 2s
    • $\text{Li electron configuration: } 1s^22s^1$
  • 再例如 Ne 是含有 10 electrons 的 Nobal gases
    • $\text{Ne electron configuration: } 1s^22s^22p^6$
• 3n 一樣有單個 s orbital 和三個 p orbital (3s + 3*3p)
  • 另外還會有一個 d orbital 但他的 energy 比 3s, 3p 還要多更多
  • 通常要到 4 row 以上的元素才有可能滿足
  • 所以第 3 row 的元素 (如 argon) 在 3s, 3p 都被填滿情況就可以說是 stable

Chemical bonds

• 為什麼元素會互相有化學鍵反應 ?
  • 因為 atoms 皆想要得到最 stable 的狀態
    • valence shell 被填滿
    • 或是滿足 octet rule (8 valence electrons)

Ions

• 一些 atom 在 gain/lose electron 後會變成 ions (charged particles)
• Ion 又可分成 cation (陽離子) 和 anion (負離子)
  • Cation 是 positive ion 透過失去 electron 而來
    • sodium => sodium cation $(\text{Na}\rightarrow\text{Na}^+)$
  • Anion 是 negative ion 透過獲得 electron 而來
    • 通常命名結尾 "-ide"
    • chlorine anion is called chloride $(\text{Cl}^-)$
• 兩個 atoms 互相 lose/gain 的過程稱作 electron transfer
  • Sodium atom + Chlorine atom

NaCl Process

• Na 和 Cl 互相作用後，皆成為 ion，且滿足 octet rule 和 complete outermost shell
• 分別帶有 +1 charge $(\text{Na}^+)$ 和 -1 charge $(\text{Cl}^-)$
• 作用中的 lose/gain 通常會同時發生

Ionic Bond

• Ionic bond 指的是兩種相反 charge 的結合
  • 例如 positively charged sodium ions + negatively charged chloride ions = sodium chloride (table salt)
• 這類的 ionic compounds 不只是單個和單個 ion 間的結合，而是大量 ions 排列組合而成

Covalent Bond

• 除了 lose/gain 的模式，atom 之間還可以透過 share electron 方式來達到 stable
  • 這種方式就稱作 covalent bonds
  • covalent bonds 在生物的分子間較 ionic bonds 常見
  • 例如他是 carbon-based organic molecules (DNA, proteins) 架構的 key
• 我們拿水分子 water molecule $(\text{H}_2\text{O})$ 來舉例
  • 他包含了 2 個 hydrogen atoms 和 1 個 oxygen atom

H2O Covalent Bonds

• Shared electron 將會在 H 和 O 之間游移
  • 幫助 H 和 O 各別達到 complete valence shell (2 and 8 electrons)

Polar Covalent Bond

• 如果當中某個 shared electron 特別喜歡移動到某個 atom 時候
  • 這個 bond 就是 polar covalent bond
• 也因為 electron 特別待在某一邊的關係，atoms 就會分別出現些微的正負電極
  • slightly positive $(\delta^+)$ and slightly negative $(\delta^-)$ charge
• 在 water molecule 中就有這個現象
  • 因為 oxygen 比 hydrogen 更加有 electronegative
    • electronegative 越大代表越會吸引 electron
  • 所以 electron 比較會待在 oxygen 周圍
    • 使得 oxygen 有 slightly negative charge $\delta^-$ (high electron density)
    • 而 hydrogens 則是 slightly positive charge $\delta^+$ (low electron density)
• 總而言之，當兩個 atom bond 在一起時
  • 較高 electronegative 的 atom 會試圖 "hog" shared electrons
  • 較高者會得到些微的負電極
  • 並且讓 covalent bond 呈現 polar 或 nonpolar 情況

Nonpolar Covalent Bond

• 當兩個 atom 間的 shared electrons 平均存在周圍是就是 nonpolar covalent bond 啦 !
  • 例如氧分子 molecular oxygen $(\text{O}_2)$
    • oxygen atoms 互相分享最外層不足的兩個 electrons
  • 例如甲烷 methane $(\text{CH}_4)$
    • carbon atom 將自己的 4 個 electrons 分享給四個 hydrogen atoms
    • 4 hydrogen atoms 也分享自己的 electron 來填滿 carbon atom

Common Covalent Bonds

Electronegativity and Bonding

• Covalent & ionic bonds 都是常見非常 strong 的 bonds
• 但生活中 (biology) 還有許多不同的 temporary bonds (weak)
• 沒有這些 bonds 就沒有生命
  • 例如 hydrogen bonds 穩定 proteins 或 DNA 架構，幫助 cell 組成

Hydrogen bonds

• 在一些包含 hydrogen 的 polar covalent bond 中
• hydrogen 通常會帶有些微正極 $(\delta^+)$
  • 因為 electron 會被別的 atom 吸引 (e.g., O-H bonds)
• 帶有些微正極的 hydrogen 就容易被帶有負極的鄰居吸引
  • 這個現象就是 hydrogen bond
• 這個現象在 water molecules 中常見
  • 單個 hydrogen bond 可能非常脆弱，但多個結合在一起就能非常堅固

London dispersion forces

• London dispersion forces 一樣是非常 weak 的 bond
  • 但他不只能作用在 atoms 間，也能作用在 molecules 間
• 因為 electron 是 constant 移動，所以有時會結在一群
  • 造成某一方 atom/molecule 變為 partial negative charge，另一方則相反
  • 此時的些微正負極就讓兩邊吸引在一起

Bond in cell

• Strong 和 weak bonds 都會是 cell 中非常重要的角色，舉例來說
  • Strong covalent bonds 幫助建立 strand of DNA
  • Weaker hydrogen bonds 幫助建立 two strands of the DNA double helix

Chemical reactions

• 組成身體的分子 molecules 其實就是各種 atom 透過 chemical bonds 結合而成
• 試著將各種 atoms 用各種不同 chemical bonds 像積木一樣結合
  • 不斷結合分開一個個 chemical bonds 的過程就稱作 chemical reaction
• 要參加 chemical reaction 的物質稱作 reactants
• 產生的產物就稱作 products (compound)
• 通常一般的 chemical reaction 是不容易被逆轉回來的
• 以下舉例一個 hydrogen peroxide 被拆成 2 個 water molecules 和 1 個 molecular oxygen 的 chemical reaction

$$2\text{H}_2\text{O}_2 \text{ (hydrogen peroxide)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} \text{ (water)} + \text{O}_2 \text{ (oxygen)}$$

• 注意水和過氧化氫的前面都有一個 2 他們是 coefficients

  • 告訴我們有多少 molecules 參與在 reaction 讓整個反應平衡
    • Balance : 等式兩邊的 atoms 數目一樣
  • equation of reaction must be balanced 來達到質量守恆定律 (law of conservation of matter)
    • 表示 reaction 中沒有任何 atom 消失或增加

• 另外一個有趣例子是水分子的形成

  • 太空梭前方的 tank 就是包含大量 liquid hydrogen & liquid oxygen
  • 作用後產生大量能量，成為後方推進的動力

$$\text{energy} + 2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + \text{LOTS OF ENERGY!}$$

Reversibility and equilibrium

• 有些 reaction 是 irreversible 有些則是 reversible
  • reactants 轉換成 products 是 forward reaction
  • products 變回 reactants 則是 back reaction
• 在 reversible reaction 中
  • 通常 back and forth reaction 會同時作用
  • products 和 reactants 會試著達到一個最終平衡，稱為 equilibrium
  • 在 equilibrium 的狀態時，還是會繼續作用下去，但兩者的平衡點再也不會改變
• 以下是一個 reversible 的在人體血液中的實例
  • excess hydrogen ions $(\text{H}^+)$ 會和 bicarbonate ions $(\text{HCO}_3^-)$ 反應合成出 carbonic acid $(\text{H}_2\text{CO}_3)$
  • 如果有一些 carbonic acid 加入，那就會馬上轉換為 bicarbonate 和 hydrogen ions 來得到 equilibrium
  • 這個反應其實就是我們人體保持 blood pH stable 的關鍵

$$\text{HCO}_3^- + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3$$