生物學(xué)中的化學(xué)

前言

學(xué)習(xí)生物學(xué)的學(xué)生如果想對(duì)他們課程中的關(guān)鍵概念有全面的了解，就需要在化學(xué)方面打好基礎(chǔ)。現(xiàn)在許多選擇學(xué)習(xí)生物學(xué)、生物化學(xué)等專業(yè)的學(xué)生通常直接學(xué)習(xí)高等化學(xué)或類似的化學(xué)課程。然而，在這個(gè)層次上學(xué)習(xí)的知識(shí)很容易忘記，而且這些知識(shí)并不足以或不能與生命體系發(fā)生聯(lián)系。當(dāng)然還有許多涉及生命科學(xué)內(nèi)容的課程，它們也都很出色，其中一些課程的內(nèi)容成為生物學(xué)教程的材料。但是那些以化學(xué)為輔修學(xué)科的學(xué)生學(xué)習(xí)這些課程時(shí)感到很頭痛?，F(xiàn)在有許多專門為學(xué)習(xí)生物和生命科學(xué)的學(xué)生寫的化學(xué)書，都是很有用的參考資料。然而，我們發(fā)現(xiàn)通常這些書并不包含我們希望學(xué)習(xí)生物的學(xué)生學(xué)習(xí)的所有知識(shí)。在利茲（Leeds）市，每年大約有400多名這樣的學(xué)生，這使我們感到十分有必要寫這樣的一本書。《生物學(xué)中的化學(xué)》包括了與生命科學(xué)有關(guān)的所有化學(xué)知識(shí)，主要來自利茲大學(xué)生物系和化學(xué)系提供的教案。全書共分15部分，52個(gè)主題。每一個(gè)主題都有“要點(diǎn)”部分，它簡(jiǎn)要介紹了本節(jié)的主要內(nèi)容。在每個(gè)主題的正文中，“要點(diǎn)”部分的內(nèi)容被擴(kuò)展。正文中有許多簡(jiǎn)明清晰的黑白插圖，可以幫助說明所舉的例子?！耙c(diǎn)”部分概括性較強(qiáng)，所以閱讀時(shí)應(yīng)首先讀正文。由章節(jié)的安排可以看出許多基本定律應(yīng)該先學(xué)習(xí)。一旦前面的知識(shí)了解了，后面的內(nèi)容就很容易理解。許多章節(jié)的內(nèi)容被交叉引用，以便理解。本書包括有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)三個(gè)方面。有些章節(jié)中，這三個(gè)化學(xué)分支學(xué)科的界限很明顯，而其他情況下則很模糊。我們努力將素材以接近生命科學(xué)的方式引入，盡量消除不必要的界限。A部分從原子結(jié)構(gòu)到元素周期表，對(duì)元素的主要方面進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。還介紹了同位素，包括天然同位素和人工合成的同位素。接著引出了B部分，主要介紹鍵和分子形狀的描述及它們?nèi)绾卧诩埫嫔媳磉_(dá)。C部分介紹了生命體系中重要的小分子——水和磷酸的性質(zhì)。生物分子幾乎都含有碳，接著D部分著重解釋為什么生命以這種元素為基礎(chǔ)。E部分主要介紹了異構(gòu)現(xiàn)象，其中著重介紹了立體異構(gòu)及立體異構(gòu)體三維結(jié)構(gòu)的抽象標(biāo)記方法。F部分將焦點(diǎn)從分子移到元素，著重介紹了金屬在生物學(xué)中的重要意義。許多生化高分子化合物的主要性質(zhì)是它們的龐大結(jié)構(gòu)由弱相互作用力維持，如氫鍵、疏水相互作用等。這些將在G部分介紹。H部分主要介紹了化學(xué)反應(yīng)中的各種活性物質(zhì)，以及它們的機(jī)理和影響因素。接著I部分主要介紹了生物化學(xué)中常見的一些官能團(tuán)的主要性質(zhì)。J部分著重介紹了一種特殊的官能團(tuán)——芳香基。而后，K部分介紹了生化高分子化合物的化學(xué)合成方法。L部分主要介紹水溶液中的酸堿性質(zhì)，還介紹了緩沖劑和溶解度的概念。M部分主要介紹化學(xué)熱力學(xué)的基本知識(shí)，這是N部分的前奏。N部分主要介紹反應(yīng)速率、一般的酶動(dòng)力學(xué)和酶催化反應(yīng)。謹(jǐn)此獻(xiàn)給伊麗莎白和阿爾蓋爾。

內(nèi)容概要

“精要速覽系列”(Instant Notes Series)叢書是國(guó)外教材“Best Seller”榜的上榜教材。該系列結(jié)構(gòu)新穎、視角獨(dú)特、重點(diǎn)明確、脈絡(luò)分明，圖表簡(jiǎn)明清晰，英文自然易懂，被國(guó)內(nèi)多所重點(diǎn)院校選作雙語(yǔ)教材。    第二版在第一版的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂，內(nèi)容涵蓋化學(xué)學(xué)科主要概念，簡(jiǎn)析重要術(shù)語(yǔ)，通過生物學(xué)事例解釋其化學(xué)原理。第二版新增加和改動(dòng)比較大的內(nèi)容包括水，生物體系的溶劑；生物學(xué)中重要的小分子；重要的生物大分子；化學(xué)熱力學(xué)概論；圓二色等。    本書適合普通高等院校生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等相關(guān)專業(yè)學(xué)生使用，也可作為雙語(yǔ)教學(xué)參考教材使用。

書籍目錄

第二版前言第一版前言縮略詞A  元素  A1  元素周期表  A2  電子排布  A3  同位素B  化學(xué)鍵和分子形狀  B1  分子軌道  B2  化學(xué)鍵的性質(zhì)  B3  一些小分子的形狀  B4  化學(xué)結(jié)構(gòu)式的畫法  B5  化學(xué)鍵的斷裂C  水，生物體系的溶劑  C1  物理性質(zhì)  C2  化學(xué)性質(zhì)D  碳，地球生命的基石  D1  碳的性質(zhì)  D2  有機(jī)物的命名E  有機(jī)分子的三維結(jié)構(gòu)  E1  異構(gòu)體  E2  立體異構(gòu)  E3  光學(xué)活性和拆分F  生物學(xué)中重要的小分子  F1  磷酸和磷酸鹽  F2  氮?dú)? F3  氧氣G  生物體中的一些金屬  G1  輕過渡金屬  G2  鐵  G3  鎂和錳  G4  鈷和鉬H  分子作用力  H1  氫鍵  H2  疏水相互作用I  含碳化合物的基本反應(yīng)類型  I1  反應(yīng)物種  12  有機(jī)反應(yīng)類型  13  影響反應(yīng)的因素J  有機(jī)化合物分類  J1  醇及相關(guān)化合物  J2  醛和酮  J3  羧酸和酯  J4  胺和酰胺K  重要的生物大分子  K1  蛋白質(zhì)  K2  核酸  K3  脂L  芳香族化合物  L1  芳香性  L2  天然芳香族化合物M  生物分子的化學(xué)合成  M1  肽的合成  M2  寡核苷酸的合成N  溶液  N1  勞里-布能斯特酸堿  N2  酸堿解離常數(shù)  N3  水溶液的酸堿性  N4  緩沖  N5  溶解度O  化學(xué)熱力學(xué)概論  O1  基本概念  O2  熱力學(xué)第一定律  O3  熱力學(xué)第二定律  O4  吉布斯自由能P  動(dòng)力學(xué)  P1  引言  P2  反應(yīng)級(jí)數(shù)的測(cè)定  P3  分子性  P4  酶動(dòng)力學(xué)  P5  催化和熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)控制Q  譜學(xué)  Q1  電磁波譜  Q2  紫外-可見光譜  Q3  熒光  Q4  紅外光譜  Q5  圓二色  Q6  核磁共振譜  Q7  質(zhì)譜進(jìn)一步閱讀的文獻(xiàn)索引

章節(jié)摘錄

插圖：在較高的溫度下，二氧化氮反應(yīng)生成硝酸和一氧化氮。值得注意的是，硝酸的產(chǎn)生如果發(fā)生在大氣中，將會(huì)導(dǎo)致酸雨。硝酸是強(qiáng)酸（見N2）。硝酸鹽是重要的農(nóng)業(yè)肥料，可以直接施用于土壤。但是，由于硝酸鹽在水中的溶解度很大，這些肥料會(huì)隨水流失，從而造成河流和海洋的環(huán)境問題。氮氧化物是城市地區(qū)光化學(xué)煙霧中重要的組成成分。碳?xì)浠衔锖偷趸锏幕旌衔锟梢栽陉?yáng)光的催化下發(fā)生一系列反應(yīng)。產(chǎn)物中有毒性很強(qiáng)的臭氧（見E3）和N02，從而形成這種具有嚴(yán)重污染特征的淡褐色煙霧。如果進(jìn)入高層大氣，氮氧化物（尤其是氧化亞氮）可以造成臭氧層的損耗（見F3）。這些氮氧化物被紫外輻射分解，產(chǎn)生原子和自由基（見11），從而與臭氧分子反應(yīng)。氮?dú)夥肿釉谒械娜芙舛入S著溫度的升高而降低，這與O2的情況相同。這就是水被加熱時(shí)，可以看到氣泡在水中形成和釋放的原因。溫度升高時(shí)，溶解度之所以降低，是由于N2（以及O2）的溶解過程是放熱過程（見O2），其特點(diǎn)就是溫度越高，越不利于該過程發(fā)生。在通常情況下，Nz在水中的溶解度并不高。在25℃和一個(gè)大氣壓下，氮?dú)獾娜芙舛却蠹s為6.8 ×10mol／L。這大約相當(dāng)于18mg氮?dú)猓w積約為15cm。由于Nz分子沒有偶極距，它與其他分子通過被稱為疏水作用（見H2）的方式相互作用。因此，氮?dú)庠谥窘M織和脂（見K3）中的溶解度比在水中大。雖然氮?dú)庠谒械娜芙舛炔淮?，卻是潛水活動(dòng)中的重要因素。潛水活動(dòng)很好地闡述了壓力變化下氣體與人體組織的相互作用。當(dāng)人從水面下潛時(shí)，水中的壓力上升很快，并施加于潛水者與他呼吸的氣體。如果潛水者呼吸的是平常的空氣（大部分為氮?dú)猓?，潛水者的血液中?huì)溶解更多的氮?dú)猓ú⑶冶粩y帶至身體的其他組織，特別是脂肪組織）。當(dāng)返回水面時(shí)，如果壓力降低的速度過快，就會(huì)出現(xiàn)問題。這會(huì)導(dǎo)致氮?dú)鈴难褐幸莩霾⑿纬蓺馀?，造成痛苦并致命的“潛水病”。如果返回水面的過程足夠緩慢，或者經(jīng)歷緩慢的減壓過程，這樣的情況就可以避免。因?yàn)檫@樣可以使溶解的氮?dú)庵饾u從身體中釋放，而不產(chǎn)生氣泡。另一種解決方式是呼吸氧氣和氦氣的混合氣。氦氣是化學(xué)惰性氣體（見A1），在水中的溶解度比氮?dú)庑　．?dāng)壓力增大時(shí)，溶解在血液和組織中的氦氣較少，減壓的過程可以相應(yīng)加快。類似的情況也會(huì)發(fā)生在未加壓飛行器中的乘客身上，他們將在高海拔地區(qū)經(jīng)歷“減壓病”。在高壓下呼吸正常空氣會(huì)造成的另一種危險(xiǎn)是氮麻醉，這是一種高度危險(xiǎn)和令人困擾的精神功能損害。之前我們已經(jīng)知道氮?dú)庠谥窘M織中溶解良好，而神經(jīng)細(xì)胞和腦細(xì)胞中脂肪的含量很高（見K3），這些成分中溶解氮?dú)獾脑黾訒?huì)導(dǎo)致這種情況。氮?dú)馊芙庑栽斐傻膯栴}不僅限于使用呼吸設(shè)備的深海潛水。在日本和波利尼西亞的采集珍珠的潛水者中，發(fā)現(xiàn)一種名為Taranava的綜合征。這些潛水者屏住呼吸，重復(fù)下潛至50m左右的深度，造成了氮?dú)庠谌梭w組織中的積累。如果兩次潛水間有足夠的時(shí)間間隔，使氮?dú)鈴纳眢w中釋放，這個(gè)綜合征則可以避免。

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《精要速覽系列?生物學(xué)中的化學(xué)(第2版)(中譯本)》編輯推薦：快速、準(zhǔn)確掌握專業(yè)知識(shí)和專業(yè)外語(yǔ)的最佳套書!一種對(duì)教材概念的新的詮釋!精煉學(xué)科核心內(nèi)容，以相對(duì)獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)的專題形式介紹各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)版式設(shè)計(jì)獨(dú)特，方便學(xué)生快速、便捷地領(lǐng)會(huì)學(xué)科要點(diǎn)，便于復(fù)習(xí)與記憶。編寫風(fēng)格統(tǒng)一。提供“結(jié)構(gòu)化”學(xué)習(xí)方法。世界范圍內(nèi)的主流教材——?dú)W洲、北美等地眾多高校廣泛參考和使用，國(guó)內(nèi)數(shù)百家高校雙語(yǔ)教學(xué)課程選用。精要速覽系列圖書1999年面世至今受到廣大讀者的關(guān)注，2009年科學(xué)出皈社隆重推出11個(gè)分冊(cè)導(dǎo)讀版的新版圖書，2010年推出9個(gè)分冊(cè)的中譯版。其編寫風(fēng)格、取材角度仍繼承前版特色，在內(nèi)容上根據(jù)各學(xué)科發(fā)展進(jìn)行修訂和擴(kuò)充。

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