Biology for Major I

原子結合の種類を分類する

原子が結合すると、元素ができます。 異なる種類の結合（イオンと共有結合、極性と非極性）は、それらが作り出す元素に影響を及ぼします。 物事を生み出す結合の種類を理解することは、それら物事そのものを理解することにつながるのです。

Ionic Bonds

Some atoms are more stable when they gain or lose an electron (or possibly two) and formions.それは、原子が電子を1個（あるいは2個）得てイオンを形成するときです。 これにより、原子の一番外側の電子殻が満たされ、エネルギー的に安定になります。 電子の数は陽子の数と同じではないので、それぞれのイオンは正味の電荷を持ちます。 陽イオンは、電子を失うことで形成される正イオンです。 負のイオンは電子を獲得して形成され、陰イオンと呼ばれます。 例えば、塩素の陰イオンは塩化物、硫黄の陰イオンは硫化物と呼ばれる。

このように、ある元素から別の元素へ電子を移動させることを電子移動という。 図1に示すように、ナトリウム（Na）は外側の電子殻に1個しか電子を持っていない。 ナトリウムがその1個の電子を提供するのに必要なエネルギーは、外殻を埋めるためにさらに7個の電子を受け入れるのに必要なエネルギーより小さい。 電子を1個失ったナトリウムは、陽子11個、中性子11個、電子10個となり、全体の電荷は+1となります。 これをナトリウムイオンと呼びます。 最もエネルギーの低い状態（基底状態と呼ばれる）にある塩素（Cl）は、外殻に7個の電子を持っています。 この場合も、塩素にとっては7個の電子を失うよりも1個の電子を得る方がエネルギー効率が良いのです。 したがって、電子を1個得て、陽子17個、中性子17個、電子18個を持つイオンになる傾向があり、正味でマイナス（-1）の電荷を持つことになります。 これは現在、塩化物イオンと呼ばれています。 この例では、ナトリウムが電子を1個与えて殻を空にし、塩素がその電子を受け取って殻を満たします。 どちらのイオンも八重項律を満たし、完全な最外殻を持つことになります。 電子の数が陽子の数と等しくなくなったので、それぞれはイオンとなり、+1（ナトリウムカチオン）または-1（塩化物アニオン）の電荷を持つようになります。

イオン結合は反対の電荷を持つイオン間で形成される。 例えば、正電荷のナトリウムイオンと負電荷の塩化物イオンが結合して、塩化ナトリウムまたは食卓塩の結晶を作り、正味の電荷がゼロの結晶分子を形成します。

特定の塩は、生理学的には電解質（ナトリウム、カリウム、カルシウムなど）、神経伝達、筋肉収縮、水分バランスに必要なイオンとして参照されます。

Covalent Bonds

八極式を満たすもうひとつの方法は、原子間で電子を共有して共有結合することによって、形成します。 この結合は、生物の分子内ではイオン結合よりもはるかに一般的です。 共有結合は、私たちのDNAやタンパク質など、炭素ベースの有機分子によく見られるものです。 共有結合は、H2O、CO2、O2などの無機分子にも見られる。 1対、2対、3対の電子が共有され、それぞれ単結合、二重結合、三重結合を作ることができる。 2つの原子の間の共有結合の数が多いほど、その結びつきは強くなる。 このように、三重結合が最も強い。

異なるレベルの共有結合の強さは、窒素分子（N2）が大気中で最も豊富なガスであるにもかかわらず、生物が分子構築に使用する窒素を得るのに苦労する主な理由の1つである。 分子状窒素は、2つの窒素原子が3重に結合したもので、他の分子と同様に、この3対の電子を2つの窒素原子の間で共有することによって、外側の電子殻が満たされ、個々の窒素原子よりも分子が安定する。 この強力な三重結合により、生体系がタンパク質やDNAの構成要素として使用するために、この窒素を分解することが難しくなっている。

水の分子の形成は共有結合の一例を示している。 水分子を形成するために結合する水素原子と酸素原子は、共有結合によって結合している。 水素からの電子は、水素原子の不完全な外殻と酸素原子の不完全な外殻の間でその時間を分割する。 酸素の外殻を完全に満たすには、2個の電子（各水素原子から1個ずつ）が必要であり、そのためH2Oという式がよく知られている。

極性共有結合

共有結合には、極性と非極性の 2 種類があります。 図2に示す極性共有結合では、電子が原子によって不均等に共有され、一方の原子核に多く引き寄せられます。 異なる元素の原子間で電子が不均等に分配されるため、わずかにプラス（δ＋）またはわずかにマイナス（δ-）の電荷が発生する。

水は極性分子であり、水素原子は部分的に正電荷を帯び、酸素は部分的に負電荷を帯びている。 これは、酸素原子の原子核が水素原子の電子に対して、水素の原子核が酸素の電子に対して、より魅力的であるために起こるものである。 したがって、酸素は水素よりも電気陰性度が高く、共有された電子は水素原子の原子核の近くにいるよりも酸素原子核の近くにいる時間が長くなり、酸素と水素の原子はそれぞれわずかに負と正の電荷を持つようになる。 別の言い方をすれば、共有電子が酸素原子核の近くにある確率は、水素原子核の近くにある確率よりも高いということになる。 いずれにせよ、一方の元素の電気陰性度が他方より著しく高い場合、原子の相対的な電気陰性度が部分電荷の発生に寄与し、この極性結合によって発生した電荷を利用して、反対の部分電荷の引力に基づく水素結合が形成されることがある。 水素結合とは、わずかに正電荷を帯びた水素原子が、わずかに負電荷を帯びた他の分子中の原子と結合する弱い結合のことである(詳細は後述する)。

Nonpolar Covalent Bonds

非極性共有結合は同じ元素の2つの原子間、または電子を等しく共有する異なる元素間で形成される。 たとえば、酸素分子（O2）は、電子が2つの酸素原子の間で均等に分配されるため、非極性です。

非極性共有結合のもう一つの例は、メタン（CH4）で、図2にも示されています。 炭素は最外殻に4個の電子を持っており、それを埋めるためにさらに4個の電子が必要である。 この4個の電子は、4個の水素原子からそれぞれ1個ずつ供給され、8個の電子からなる安定した外殻を形成している。 炭素と水素の電気陰性度は同じではないが、類似しているため、非極性結合が形成される。 水素原子はそれぞれ最外殻に1個の電子を必要とし、2個の電子を含むことで最外殻は満たされる。 これらの元素は、炭素と水素原子の間で電子を均等に共有し、非極性の共有結合分子を形成します。

水素結合

元素間のイオンおよび共有結合には、破るためのエネルギーを必要とします。 イオン結合は共有結合ほど強くなく、それが生体系での振る舞いを決定している。 しかし、すべての結合がイオン結合や共有結合であるわけではありません。 分子間には弱い結合も形成される。 頻繁に発生する弱い結合として、水素結合とファンデルワールス相互作用がある。 この2種類の結合がなければ、私たちの知る生命は存在し得ない。 水素結合は、水の重要な、生命を維持する特性の多くを提供し、また、細胞の構成単位であるタンパク質と DNA の構造を安定化する。

水素を含む極性共有結合が形成されると、水素の電子は他の元素に強く引き寄せられて水素から離れるため、その結合の水素はわずかに正の電荷を持つようになる。 水素はわずかにプラスなので、隣接するマイナス電荷に引き寄せられます。 このとき、ある分子の水素のδ+と、別の分子、通常は酸素や窒素、または同じ分子内の、より電気陰性度の高い原子のδ-の電荷の間に弱い相互作用が生じます。 この相互作用は水素結合と呼ばれる。 このタイプの結合は一般的で、水分子の間に定期的に発生する。 個々の水素結合は弱く、簡単に切れてしまう。しかし、水や有機ポリマー中には非常に多くの水素結合が存在し、結合することで大きな力を発揮している。

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