数学之路-仿生计算-分子生物学基础（1）-细胞合成的分子

一、基础

海因里希·鲁道夫·赫兹和菲利普·莱纳德等人在实验中发现，光照可以从金属中打出电子来。同时他们可以测量这些电子的动能。不论入射光的强度，只有当光的频率，超过一个临限值后，才会有电子被射出。此后被打出的电子的动能，随光的频率线性升高，而光的强度仅决定射出的电子的数量。爱因斯坦提出了光的量子（光子这个名称后来才出现）的理论，来解释这个现象。光的量子的能量为



在光电效应中，这个能量被电子获得，其中一部分被用来将金属中的电子射出（这部分能量叫功函数，用那个

表示），另一部分被用来加速已经脱离金属电子（这部分能量转化为电子的动能）：



这里

是电子的质量，

是其速度。假如光的频率太小的话，那么它无法使得电子获得足够的逸出功。这时，不论光强有多大，照射时间有多长，都不会发生光电效应。而当入射光的频率高于极限频率时，即使光不够强，当它射到金属表面时也会观察到光电子发射。

20世纪初，卢瑟福模型在当时被认为是正确的原子模型。这个模型假设带负电荷的电子，像行星围绕太阳运转一样，围绕带正电荷的原子核运转。在这个过程中库仑力与离心力必须平衡。

但是这个模型有两个问题无法解决。首先，按照经典电磁学，这个模型不稳定。按照电磁学，电子不断地在它的运转过程中被加速，同时应该通过放射电磁波丧失其能量，这样它很快就会坠入原子核。其次，实验结果显示，原子的发射光谱由一系列离散的发射线组成，比如氢原子的发射光谱由一个紫外线系列（来曼系）、一个可见光系列（巴耳麦系）和其它的红外线系列组成。按照经典理论原子的发射谱应该是连续的。

1913年，尼尔斯·玻尔提出了以他名字命名的玻尔模型，这个模型为原子结构和光谱线，给出了一个理论原理。玻尔认为，电子只能在对应某些特定能量值

的轨道上运转。假如一个电子，从一个能量比较高的轨道（

），跃到一个能量比较低的轨道（

）上时，它发射的光的频率为



反之，电子通过吸收同样频率的光子，可以从低能的轨道，跃到高能的轨道上。

玻尔模型可以解释氢原子的结构。
因此电子之间的衍射可以被排除。显然电子同时通过了两个缝，相互之间发生了衍射，从而导致了这个结果。对于经典物理学来说，这个解释非常奇怪。从量子力学的角度来看，电子的分布概率和衍射结果均可以通过

这两个通过两个栅的、叠加在一起的状态，简易地演算出来。这个实验非常明显地显示出了波粒二象性
电子在空间出现的坐标具有不确定性，电子聚集的多，就说明电子在这里出现的概率较大，反之，概率较小。很多电子聚集在一起，可以形象的称为电子云。

就是说原子由原子核和电子组成，电子的数量决定了原子的种类，而电子数量确实不多，它在原子核周围转悠无处可走，如果可以走了 就发生了化学反应，比如跑了一个电子到其它原子去了就会形成正负电荷相反的2个原子，这2个原子互相吸引，就形成了化合物，形成了相反电荷，形成了离子键
2个原子共用一对或多对电子形成了分子，分子形成的共价键

二、功能团

1、细胞合成的分子中含有碳，组成细胞的分子中最为重要的功能团有：

（1）-OH 羟（qiǎng）基

由氢原子和氧原子组成，氧原子一方面与氢形成单键，另一方面又与碳形成单键。

（2）>CO羰（tāng）基

一个碳原子与一个氧原子形成双键，碳原子的另外2个键可以连在另外的碳上，也可以与氢相连。

（3）-COOH羧（suō）基

碳原子一方面与氧形成双键，另一方面又连接着一个羟基



（4）-NH2氨基

由一个氮原子 和两个氢原子 组成，氮原子上的另一个键可连在碳上，起到碱的作用，能吸引H+。



含氨基的有机化合物可称为胺类



上图为甲氨

大分子分为蛋白质、核酸、多糖、脂质，其中前3种由多聚体组成，多聚体是由相同 或相似的小分子组成的长链，这种小分子称为单体，

单体都包括H和-OH，这意味多个单体可造成脱水，因为多个单体的H与-OH会合成水（H2O），而如果要分解为单体，即分解大分子，就是要加入一个水分子使分子间的化学键断裂。因为H2O会被分解并连接到被释放的单体中，是脱水的逆过程