sinh hoc dai cuong - Những phân tử nhỏ

Những phân tử nhỏ
Sao Hỏa ngày nay là một nơi lạnh lẽo và khô khốc, không thích hợp cho sự
sống mà chúng ta biết, nhưng 3 tỉ năm trước nó đã từng là một nơi ấm và ẩm
hơn. Một vệ tinh thăm dò trên quỹ đạo trái đất gần đây đã chụp được một
lòng hồ khô khổng lồ, kích thước bằng bang New Mexico và Texas gộp lại
trên bề mặt sao Hoả. Một vệ tinh do thám khác phát hiện thấy bằng chứng
của nước nằm kẹt dưới bề mặt băng của vùng cực sao Hoả. Những khám phá
này của các nhà địa chất đã khơi dậy sự quan tâm của các nhà sinh học vì
nơi nào có nước là nơi đó có sự sống. Có lý do vững chắc để tin rằng sự
sống 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 những
phương thức phức tạp để giữ nước, chiếm 70% trọng lượng cơ thể của
chúng. Các thủy sinh vật sống trong nước không cần các cơ chế giữ nước
này, vì vậy các nhà sinh học kết luận rằng những cơ thể sống đầu tiên có
nguồn 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 đã
được phát hiện ở những suối nước nóng ở nhiệt độ trên điểm sôi thông
thường của nước, ở một hồ nằm dưới lớp băng của lục địa Antarctic Nam
Cực, hoặc ở trong nước kẹt dưới bề mặt trái đất 2 dặm, hoặc trong vùng
nước trên mặt nước biển 3 dặm, trong môi trường nước với độ acid hoặc độ
mặn cực cao, hoặc thậm chí trong nước làm lạnh bộ phận bên trong của lò
phản ứng hạt nhân.
Với 20 nghìn tỉ thiên hà trong vũ trụ, mỗi thiên hà gồm 100 tỉ ngôi sao, vũ
trụ có rất nhiều hành tinh, và nếu hệ mặt trời của chúng ta là điển hình của
một thiên hà thì một vài trong số các hành tinh này có nước cần thiết cho sự
sống. Khi các nhà sinh vật suy tư về việc sự sống bắt đầu như thế nào từ
những vật chất không sống thì sự chú ý của họ không chỉ vào sự hiện diện
của 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 cùng
những loại nguyên tố tạo nên phần không sống khổng lồ của vũ trụ. Quan
niệm mang tính cơ học này - rằng sự sống có nền tảng hóa học và tuân theo

các 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 với
những lực khác trong Vật lý và Hóa học là một quan niệm phổ biến trong
văn hóa Phương Tây cho đến thế kỷ 19, và nhiều người vẫn cho rằng có một
1
lực như vậy. Tuy nhiên hầu hết các nhà khoa học đều tin tưởng tuyệt đối vào
quan 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 sinh
vật sống, chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm Hóa học cơ bản. Trước tiên
chúng ta sẽ nói về các thành phần của vật chất: nguyên tử. Chúng ta sẽ tìm
hiểu về các loại nguyên tử, đặc tính của chúng và khả năng chúng có thể kết
hợp với các nguyên tử khác. Sau đó chúng ta sẽ xem xét vật chất biến đổi
như 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 nó
với các axít và bazơ. Chúng ta sẽ kết thúc chương bằng việc xem xét các
nhóm nguyên tử đặc trưng đóng góp những tính chất đặc thù cho những
phân 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 thành
quãng 4,6 tỉ năm về trước khi một ngôi sao nổ tung sau đó suy sụp tạo nên
2
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 hóa

học đầu tiên chỉ ra rằng sự tồn tại của sự sống cách đây 4 tỉ năm. Như vậy
mất đến 600 triệu năm, mà trong khung thời gian địa lý gọi là Hadean (xuất
phát từ Hades - có tính địa phủ - không có sự sống) để các điều kiện hóa học
trên trái đất trở nên vừa đúng thích hợp cho sự sống. Một điều kiện quan
trọng 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 tinh
mới hình thành rất nóng nên nước này bay hơi và thoát vào không gian. Khi
Trái đất nguội đi nước có thể lưu lại trên bề mặt của nó, nhưng nước này từ
đâu 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 tinh
được tạo ra - liên tục va vào Trái đất và mang không chỉ nước mà còn các
thành phần hóa học khác của sự sống, ví dụ Nitơ. Khi trái đất nguội, các hóa
chất 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 những
tác động bởi những sao chổi khổng lồ và những thiên thạch sẽ tạo ra đủ năng
lượng để làm sôi các đại dương đang hình thành, vì vậy sẽ phá hủy bất kỳ sự
sống đầu tiên nào. Những tác động quy mô lớn này dần đi vào ổn định, và sự
sống 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 có
thể xuất hiện từ những chất vô tri vô giác. Nhưng trước khi làm điều đó
chúng ta cần hiểu hóa học của sự sống đòi hỏi những gì. Giống như phần
còn lại của thế giới vật chất, các vật sống được tạo nên từ nguyên tử và phân
tử.
3
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 một
hoặc một số neutron. Nguyên tử và các cấu tử của nó có thể tích và khối
lượng, 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 khối
lượng nguyên tử hay dalton (đặt tên theo nhà hóa học người Anh John
Dalton). 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 electron
không đáng kể so với khối lượng của một proton hay một neutron, người ta
thường bỏ qua sự đóng góp của electron vào khối lượng nguyên tử khi tính
toán. Tuy nhiên chính electron mới quyết định cách các nguyên tử tương tác
với nhau trong các phản ứng hóa học, và chúng ta sẽ bàn nhiều về vấn đề
này sau trong chương này..
4
Hình 2.2: Ngyên tử helium
Mỗi proton tích điện dương, được định nghĩa là +1 đơn vị tích điện. Một
electron có điện tích âm bằng và trái dấu với điện tích của proton; vì vậy
điện 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. Các
nguyên tử đều trung hòa về điện: Số lượng proton trong một nguyên tử bằng

với 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 tố
Hydrô chỉ chứa một loại nguyên tử hydrô; nguyên tố sắt chỉ chứa các
nguyên tử sắt. Nguyên tử của mỗi nguyên tố có những đặc tính hoặc tính
chất 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. Các
ngôi sao có rất nhiều Hydrô và Hêli. Đất của trái đất và ở những hành tinh
gần đó chứa gần một nửa là Oxy, 28% silicon, 8% nhôm, 2-5% cho mỗi một
nguyên tố Natri, Magiê, Kali, Canxi và sắt và chưa một lượng ít hơn nhiều
các nguyên tố khác.
Khoảng 98% trọng lượng của mọi cơ thể sống (vi khuẩn, củ cải hay con
người) 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 tâm
hàng đầu của chúng ta ở đây, nhưng các nguyên tố khác không phải không
quan trọng. Ví dụ Na và K quan trọng đối với chức năng thần kinh; Ca có
thể hoạt động như một tín hiệu sinh học; iod là thành phần của một loại
hormone quan trọng; và cây cần Magiê như một phần của lục sắc tố
5
(chlorophyll) và molybdenum để chuyển hóa N vào các hợp chất sinh học có
ích.
Hình 2.3: Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học các nguyên tố được xắp
xếp theo đặt tính vật lý và hóa học. 1-92 là các nguyên tố tự nhiên, các
nguyên 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
6
số nguyên tử. Một nguyên tử Heli có 2 proton và một nguyên tử oxy có 8

proton; 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 có
một hoặc một vài neutron trong nhân của nó. Số khối của một nguyên tử là
tổng 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 và
oxy có số khối là 17. Số khối có thể coi là trọng lượng của nguyên tử tính
theo 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) ký
hiệu 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 được
viết 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 H
1
1
, C
12
6
, O
16
8
,
Các đồng vị khác nhau về số neutron
Các nguyên tố có thể có nhiều hơn một dạng nguyên tử. Các đồng vị của
cùng một nguyên tố đều có cùng một số proton xác định nhưng khác nhau về
số neutron trong nhân nguyên tử.
Trong tự nhiên nhiều nguyên tố tồn tại ở nhiều dạng đồng vị. Các đồng vị
của Hydro ở Hình 2.4 có các tên riêng, nhưng đồng vị của hầu hết các

nguyên tố không có tên riêng. Ví dụ đồng vị trong tự nhiên của Carbon là
12
C,
13
Cvà
14
C(được đề cập dưới tên gọi Carbon 12, Carbon 13 và Carbon
14). Hầu hết nguyên tử Carbon đều là
12
C, khoảng 1,1% là
13
C và chỉ một
phần rất nhỏ là
14
C. 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 tử
của 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
14
N. Các nhà Sinh vật và Vật lý có thể kết hợp
7
các đồng vị phóng xạ vào các nguyên tử và sử dụng phóng xạ phát ra như
một dấu hiệu để xác định vị trí của những phân tử này hoặc xác định những

thay đổi mà phân tử này đang trải qua trong cơ thể (Hình 2.5). Ba đồng vị
phóng xạ được sử dụng phổ biến theo cách này là
1
H (tritium),
14
C (carbon-
14) và
32
P (phốtpho 32). Ngoài những ứng dụng này các đồng vị phóng xạ
còn 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 một
liều 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 như
những lo ngại về sự hủy hoại các sinh vật từ các đồng vị sử dụng trong nhà
máy điện hạt nhân. Trong Y học, phóng xạ γ từ
60
Co (Cobalt 60) được sử
dụng 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 hạt
nhân nguyên tử, nhưng nhân không đóng vai trò trực tiếp trong khả năng kết
hợp của nguyên tử với các nguyên tử khác. Khả năng này được quyết định
bởi 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 ra
như thế nào trong tế bào sống. Những biến đổi này, gọi là phản ứng hóa học
hay đơn giản là phản ứng, là những thay đổi trong thành phần của chất. Số
electron đặc trưng trong mỗi nguyên tử của một nguyên tố quyêt định cách
các nguyên tử của nó phản ứng với các nguyên tử khác. Mọi phản ứng hóa

học 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 là
không thể xác định. Chúng ta chỉ có thể mô tả một khoảng không gian trong
nguyên tử trong đó electron có khả năng có mặt. Vùng không gian nơi
electron được tìm thấy ít nhất 90% số lần chính là orbital của electron (Hình
2.6). Trong một nguyên tử, một orbital nhất định có thể được chiếm lĩnh bởi
nhiều nhất là hai electron. Vì vậy bất kỳ nguyên tử nào lớn hơn Heli (số
nguyên tử là 2) phải có các electron trong hai orbital trở lên. Như hình 2.6
cho thấy, các orbital khác nhau có các dạng & hướng đặc trưng trong không
gian. Các orbital lại tạo nên một loạt các lớp vỏ điện tử, hay mức năng lượng
quanh hạt nhân (Hình 2.7). > Lớp vỏ điện tử trong cùng chỉ có một orbital,
8
gọi là orbital s. Hydro (
1
H) có một electron trong lớp vỏ đầu tiên; Heli (
2
He)
có hai. Tất cả nguyên tố khác có hai electron ở lớp vỏ thứ nhất cũng như các
electron 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 năng
lượng thấp nhất. Các vỏ tiếp theo có số các orbital khác nhau, nhưng lớp vỏ
ngoài 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 các
nguyên tử khác - tức hóa tính của nguyên tử. Khi một lớp vỏ ngoài cùng tạo
bởi 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 với
các nguyên tử khác. Các ví dụ về các nguyên tố bền vững là Heli, Neon và
Argon.

Các nguyên tử có hoạt tính tìm cách đạt tới trạng thái bền vững không có
electron không cặp đôi ở lớp vỏ ngoài cùng. Chúng đạt được sự bền vững
này bằng cách chia xẻ electron với các nguyên tử khác, hoặc bằng cách cho
hoặc 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 vững
giữa các nguyên tử gọi là phân tử.
Một phân tử là hai hoặc nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa
học. Xu hướng đạt được tám điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của các nguyên tử
trong các phân tử bền vững được biết dưới tên gọi quy tắc "bát tử". Nhiều
nguyên tử có ý nghĩa sinh học, ví dụ carbon (C) và nitơ (N) tuân theo quy
tắc bát tử. Tuy nhiên một số nguyên tử có ý nghĩa sinh học không tuân theo
quy tắc này. Hyđro (H) là một ví dụ dễ thấy nhất, đạt tới trạng thái cân bằng
khi 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 hình
thành một phân tử. Có một số loại liên kết hoá học (bảng 2.1), ở phần này
chúng ta sẽ tìm hiểu về liên kết hoá học cộng hoá trị là kết quả của việc dùng
chung 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 sinh
học. Cuối cùng chúng ta xét đến liên kết ion. được hình thành khi nguyên tử
mất đi hoặc nhận thêm điện tử.
9
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 bằng
cáchđưa ra một hay nhiều cặp điện tử dùng chung., liên kết cộng hoá trị
được 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 hút
các điện tử độc thân của các ngyên tử khác nhưng lực hút này được cân bằng
bởi lực hút của hạt nhân nguyên tử của chính điện tử đó.Do đó hai điện tử
độc thân đã được hai ngyên tử dùng chung, lấp đầy lớp vỏ ngoài của cả hai

nguyên tử đó.Như vậy chúng được nối với nhau bằng liên kết cộng hoá trị và
một phân tử khí Hyđro (H
2
)được tạo thành.
Một phân tử được tạo thành từ hơn một loại nguyên tử đựoc gọi là một hợp
chất. Một công thức phân tử sử dụng các kí hiệu hoá học để biểu diễn các
nguyên tử khác nhau trong một hợp chất , các chỉ số viết phía dưới chỉ số
nguyên tử mỗi loại trong phân tử. Ví dụ công thức của đường mía saccarozo
là C
12
H
22
O
11
. Mỗi hợp chất có phân tử lượng (khối lượng phân tử) là tổng
nguyên tử lượng của tất cả các nguyên tử trong phân tử.Nhìn vào bảng tuần
hoàn bạn có thể tính được khối lượng phân tử của đường mía là 342. Khối
lương 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 bên
trong và 4 điện tử ở lớp vỏ ngoài.Lớp vỏ ngoài này có thể chứa được 8 điện
10