3、生物化学中的化学键与反应：原子和分子轨道详解

生物化学中的化学键与反应：原子和分子轨道详解

酶具有催化生物重要化学反应的显著能力，一些酶能将化学反应速率提高至无催化反应自发速率的 10¹² 倍。这种速率提升源于酶活性位点内的反应基团与底物分子中其他基团的并列排列，促进了底物向产物的转化。在深入了解酶的催化机制之前，我们需要先掌握酶及其作用的简单分子中的化学键和化学反应。

1. 原子轨道

化学反主要通过化学键的形成和断裂进行，分子中的键合模式源于单个原子的电子轨道相互作用形成分子轨道。下面我们回顾原子轨道及其形成化学键的一些性质。

• 早期模型 ：尼尔·玻尔提出的电子轨道模型，将轨道视为围绕原子核的简单同心圆形电子运动路径。但该模型无法解释当时已知的许多原子性质，如原子的光谱特征。
• 薛定谔方程 ：1926 年，埃尔温·薛定谔对描述简单原子系统能量的问题应用了量子力学处理，得到了著名的薛定谔波动方程，该方程可精确求解单质子、单电子系统（氢原子）。
• 量子数 ：原子轨道是量子化的，每个原子轨道可由一组三个量子数唯一描述：
  • 主量子数（n） ：描述轨道的有效体积。
  • 轨道形状量子数（l） ：描述占据该轨道的电子在空间的概率密度，与主量子数一起描述轨道内电子的空间概率分布。
  • 轨道角动量量子数（mₗ） ：描述电子轨道的轨道角动量，可看作轨道在空间相对于某个固定轴的取向。 </