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漂亮的科学和花花世界 - 积木元素

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科普中文可视化

吃葡萄不吐葡萄皮，不吃葡萄倒吐葡萄皮

发布于 2023-08-03

推荐镜像 :Basic Image:bohrium-notebook:2023-04-07

推荐机型 :c2_m4_cpu

漂亮的科学和花花世界 - 积木元素

1. 我的花花世界，上帝搭的积木

2. 水酒尿

水

酒

尿

3. 是药还是毒

肉毒毒素

海洛因

冰毒

4. 补一补 - 光滑的肌肤

玻尿酸

胶原蛋白

维生素 C

维生素 B12

5. 口味 - 减肥路上的绊脚石

盐

果糖

葡萄糖

半乳糖

阿斯巴甜

柠檬酸

6. 气味 - 积木块飘到了我的鼻子里

龍涎香醇

7. 花花绿绿 - 不同的积木有不同的衣服

靛蓝

8. 美宝石，丑岩石

祖母绿

结语

漂亮的科学和花花世界 - 积木元素

代码

文本

本篇面向高中生物化学以及以下知识储备之读者，也做除生化环材外的泛计算机背景有意投入到 Science 行业的知识性科普。

代码

文本

注意，此 Notebook 由于又很多 3D 渲染对资源要求过高，手机打开的话浏览器会崩溃，请在电脑上打开。

代码

文本

大疫三年，全世界的人类活的着实太憋屈了。按常理，不得把这个罪魁祸首天天拉出来鞭鞭尸，过过瘾才行。如果你也有这个想(xing)法(qu), 那就仔细看看下面这个嫌疑人吧！它就是被千夫所指的新冠病毒！

代码

文本

代码

文本

新冠病毒（SARS-CoV-2）的基因组是一条单链 RNA，编码大量蛋白质，这些蛋白质在病毒感染宿主细胞后由核糖体机器合成。四种结构蛋白（S、E、M、N）将 RNA 基因包装在脂质双层膜内，形成具有传染性的病毒颗粒。16 种非结构蛋白（Nsp 1-16）和 6 种辅助蛋白促进了新病毒颗粒的构建和释放，并有助于躲避细胞防御和宿主免疫系统。而人类之所以广受感染，核心在多变的 S (刺突)蛋白上。

让人类获得感染的关键是病毒的刺突(S)蛋白，打蛇打七寸，让我们一起把这里展示的这个恶毒的新冠病毒刺突蛋白(6VYB)拖出来胖揍一下下。为了把它更方便的拿出来，我需要使用 Python 定义一些辅助可视化分子的一些函数，这些函数后面的花花世界也会用得到。

代码

文本

[1]

import IPython

from urllib.parse import urlencode

def show_pdb(pdbid, height=300, width='100%'):

params = {

"pdb": pdbid,

"collapse-left-panel": 1,

"hide-controls": 1,

"pdb-provider": "rcsb",

}

viewer_url = f"https://static01.dp.tech/molstar/viewer/?{urlencode(params)}"

return IPython.display.IFrame(viewer_url, height=height, width=width)

def show_structure(structure_url, structure_url_format, height=300, width='100%'):

params = {

"structure-url": structure_url,

"structure-url-format": structure_url_format,

"collapse-left-panel": 1,

"hide-controls": 1,

"pdb-provider": "rcsb",

}

viewer_url = f"https://molstar.org/viewer/?{urlencode(params)}"

return IPython.display.IFrame(viewer_url, height=height, width=width)

def url_from_openfiles(path):

return f'https://static01.dp.tech/openfiles.mlops.dp.tech/v2/projects/luowf/{path}'

def show_crystal_structure(structure_url, supercell=None, height=600, width='100%'):

params = {

"structure-url": structure_url,

"structure-format": 'cif',

}

if supercell:

params['supercell'] = supercell

viewer_url = f"https://static01.dp.tech/crystal/viewer/?{urlencode(params)}"

return IPython.display.IFrame(viewer_url, height=height, width=width)

代码

文本

我们将 6VYB 这个刺突蛋白拽出来鞭一鞭 (鼠标或手指拖动，旋转，放大，缩小下面的刺突蛋白，点点点点点滑滑滑！！！！)，真的好泄气！ (V 我 50 如果你感觉到发泄的浑身舒坦！)

代码

文本

[2]

show_pdb('6vyb')

代码

文本

如果让中国人给新冠画一个完美句号的话，那无疑是布诺芬这款神药了，以前我头疼脖子疼吃布诺芬，没想到遇到个千年大病毒最终也是你布诺芬。牛牛牛！这么牛的东西到底是个啥，我也要好好认识认识一下嘛！布诺芬不仅仅是药的名字，而且是同名的一种分子药物，他的化学式是 C13H18O2, 其他就不用知道了，准备好膝盖了没！让布诺芬听见地板的声音～

代码

文本

[3]

show_structure(url_from_openfiles('bf7c72c15c7d49e08b64c2fa1928404d/ibuprofen-3D-structure-CT1078642946.sdf'), 'sdf')

代码

文本

新冠的气出是不是舒畅多了(如果你真的如我所值好好拖拉锤揍过上面的蛋白的话)，事实上，我们所生活的这个花花世界，几乎没有什么是不能像这样拉出来溜溜的，让我们继续看看这个花花世界吧:

我的花花世界，上帝搭的积木
酒水盐尿
是药还是毒
补一补 - 光滑的肌肤和其他
口味 - 减肥路上的绊脚石
气味 - 积木块飘到了我的鼻子里
花花绿绿 - 不同的积木有不同的衣服
美宝石，丑岩石

代码

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1. 我的花花世界，上帝搭的积木

如你所知，我们的每一寸花花世界都是上帝用 118 种不同的积木(元素)块搭建起来的。这包含了你能看得见，摸得着，闻得到，尝的出的所有。这些积木元素可以独立作为单质被我们感知到，有的会和其他的积木元素一起搭建出分子化合物。我们所认知的物的一切均规律如此。特别的，不要看到土和粗糙的岩石就觉得这些和上帝积木无关，它们只是长得美了就被称作宝石，长的丑了就被称作岩石而已。

Periodic Table 这个宝藏网站让你可以交互式的查看每一个上帝积木，如果把我关在小黑屋一年我可以一直点点点它不知疲倦。下图这个把所有上帝元素的单质扣出来给看官直接看的实物元素周期表来自于著名的科普作家西奥多·格雷的《Molecules - The Elements and the Architecture of Everything》, 也是这篇 Notebook 绝大多数内容的最初心的来源。

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代码

文本

2. 水酒尿

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水

大海啊全是水，不仅女人是水做的，男人也是，生命离不开水。水的化学式是 H2O, 意思是一个水的分子是由(下图)两个白色的氢(H) 原子和一个氧(O)原子组合形成的。H 是宇宙的基本积木，O 在人类的历史发展中被认为是最重要的“生命元素”，一个有意思的小知识是，生命或者的时候都有 O 元素的，死了埋地下变质成石油了也就没有基本没有 O 了，剩下 CH 了，无数的下图中的水分子聚集在一起就是生命依存的我看看到感受到的水，你真的应该好好把玩一下它，它是在是太有趣了。

代码

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[4]

show_structure(url_from_openfiles('ad83a151a360416abd7e285a58926ead/water.sdf'), 'sdf')

代码

文本

酒

酒是一种难以评价的神奇东西，有人对它如痴如醉，有人对他深恶痛绝。 “开车不喝酒，喝酒不开车”，“酒乱人性”， “酒不醉人人自醉”， “一醉解千愁” 的核心上帝元素就是乙醇。化学式 CH3CH2CH2OH 可以看出主要包含的是 CHO 这三种上帝元素，也是有机物最常见的标准组合。碳(C)是最重要的生命元素，它强大的四个外层小手能把各种生命元素以各种方式拉在一起，从而为生命的形成提供了可能，地球生命莫不如此，所以我们又称地球生命为碳基生命。

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文本

[5]

show_structure(url_from_openfiles('3836d617e27047ed9008c28348ec1af1/alcohol.sdf'), 'sdf')

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文本

尿

除了 CHO 之外，如果说接下来重要的生命元素，那无疑是氮(N)了，尿素的化学式是 CH4N2O，它比前面的酒精多一类 N，N 也是很多不管是臭鸡蛋还是尿液等带个人嗅觉非常糟糕体验的核心上帝元素，当然还包括各种形式的掠夺人生命的炸药。虽然下面是一个尿素分子，但它是硅基的(电子产品显示的，不是真的)，所以把玩它不会让人产生不好的心理感觉！

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文本

[6]

show_structure(url_from_openfiles('5aa7a6f31fa84effaf95769348f5094e/urea.sdf'), 'sdf')

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3. 是药还是毒

代码

文本

肉毒毒素

如果说最毒妇人心，那可是太冤枉妇人了。对于人来来说，最毒莫过于肉毒毒素蛋白了，肉毒毒素（botulinum toxin，BX）是肉毒杆菌产生的含有高分子蛋白的神经毒素，是已知在天然毒素和合成毒剂中毒性最强烈的生物毒素，它主要抑制神经末梢释放乙酰胆碱，引起肌肉松弛麻痹，特别是呼吸肌麻痹是致死的主要原因. 它的神奇之处是最早被用来用作战争中的生化武器，但现在你可以在各种医疗美容机构的墙壁上看到它的神奇广告。如果担心注射到脸上风险太大心理难以承受，可以好好把玩一下下图中的肉毒毒素，战略上藐视它然后让自己接受。

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[7]

show_pdb('3BTA')

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海洛因

海洛因来自阿片，阿片旧称或俗称为“鸦片”，即民间所说的“大烟”、“烟土”，源自罂粟类植物，该植物夏季开花，花瓣脱落后露出果实，称罂粟果。割开果实外壳，有白色汁液流出，在空气中氧化风干成棕褐色或黑色膏状物，即为生阿片，生阿片经简单加工便可制成大烟。

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[8]

show_structure(url_from_openfiles('0a89e3a1c666482aa78ff73ea629e68b/1S-5R-13R-14R-17R-14-acetyloxy-4-methyl-12-oxa-4-azapentacyclo-9-6-1-0-3D-structure-CT1001176627.sdf'), 'sdf')

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冰毒

甲基苯丙胺又名甲基安非他命、去氧麻黄素，是一种有机化合物，化学式为C10H15N，是一种强效的中枢神经系统兴奋剂，是冰毒的有效成分，被列为第一类精神药品。而它的兄弟苯丙胺（Amphetamine）是一种中枢兴奋药（苯乙胺类中枢兴奋药）及抗抑郁症药。因静脉注射具有成瘾性，而被列为毒品（苯丙胺类兴奋剂）。

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[9]

show_structure(url_from_openfiles('e2ec6fec26264152b6f594a565cfccc5/meth.sdf'), 'sdf')

代码

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4. 补一补 - 光滑的肌肤

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文本

玻尿酸

透明质酸，又名玻尿酸，hyaluronic acid的hyal-意思是像玻璃一样的、光亮透明的，而uronic acid指的是糖醛酸，与尿酸没有任何关系。具有较高临床价值的生化药物，广泛应用于各类眼科手术，如晶体植入、角膜移植和抗青光眼手术等。还可用于治疗关节炎和加速伤口愈合。将其用于化妆品中，能起到独特的保护皮肤作用，可保持皮肤滋润光滑、细腻柔嫩、富有弹性，具有防皱、抗皱、美容保健和恢复皮肤生理功能的作用。透明质酸原本就存在于皮肤内，能够帮助皮肤从体内及皮肤表层吸得水分，还能增强皮肤长时间的保水能力。当透明质酸吸收水分后，使得弹力纤维及胶原蛋白处在充满湿润的环境中，皮肤因此具有了弹性。但是，皮肤的透明质酸从25岁以后就开始流失，30岁时只剩下幼年期65%、60岁时只剩下25%，皮肤的水分也会跟着透明质酸而散失，失去弹性与光泽，长久下来便出现皱纹的老化现象。

分子式 (C14H21NO11)n 是D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的双糖单位糖胺聚糖, 其中右下角的 n 表示玻尿酸可以形成长短不一的链, 也就是高分子聚合物，长链能比较好的保护外层皮肤的水分，短链能深入皮肤能锁水，好的面膜拥有丰富的不同长度的玻尿酸链，可以全面锁水护理皮肤。下图展示的是最小一段玻尿酸，做面膜时一大堆长短不一的玻尿酸溶解在粘粘的脂类物质中贴脸上补水。

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[10]

show_structure(url_from_openfiles("4eede631c709477caf45ee5c775f044c/Synvisc-3D-structure-CT1078653305.sdf"), "sdf")

代码

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胶原蛋白

没有人不喜欢它, 国人花重金买阿胶，就是想补充胶原蛋白，不过吃蛋白的问题是会被胃消化，这是另一个话题了。胶原蛋白如此规律平滑的三维结构让他成为俊男靓女最最追求的光滑细嫩皮肤的终极爱好。难得见上一面，好好揉一揉 (下图滑动，放大，看看里边都有啥)吧！

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[11]

show_pdb("1K6F")

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维生素 C

维生素 C 泡腾片是非常常见的日常 “健康” 饮品了，他的故事起源于大航海时代，现在人们依然很喜欢它。

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[12]

show_structure(url_from_openfiles("91ab6424ac354648837d8d874da78e71/VC.sdf"), "sdf")

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维生素 B12

促进红细胞的发育和成熟，使肌体造血机能处于正常状态，预防恶性贫血；维护神经系统健康. 维生素B12可促进蛋白质的生物合成，缺乏时影响婴幼儿的生长发育。

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[13]

show_structure(url_from_openfiles('b69941f151c94e8f95711412cc64cf0b/B12_model.sdf'), 'sdf')

代码

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5. 口味 - 减肥路上的绊脚石

代码

文本

盐

食盐对于身体来说不可或缺，运动一圈汗液被吹散后摸摸头顶和脖子的那种感觉就是从身体溜出去的盐，咸口的还是甜口的那个咸就是氯化钠带给人的感觉。氯化纳不像一般的化合物分子，天然是晶体存在的，这里我们换一个看起来更酷炫的晶体方式可视化它。

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[14]

show_crystal_structure(url_from_openfiles('48297ca1a5b8471a8a228265d07f34f5/1000041.cif'), supercell="3,3,3")

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文本

果糖

果糖被称为 “不会醉的酒精”，组成了各种水果蜂蜜给人味蕾的风味享受。

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文本

[15]

show_structure(url_from_openfiles('30bf058f007b4fd7a42de43ef409620f/L-Fructose-3D-structure-CT1001338047.sdf'), 'sdf')

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葡萄糖

让我最印象深刻的葡萄糖来自于医院的吊瓶，在不需要吃饭的情况下直接注入葡萄糖能维持最基本的身体能量需求。

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文本

[16]

show_structure(url_from_openfiles('54e142836f0448e994d5f23d6a44ed86/D-Glucose-3D-structure-CT1078644515.sdf'), 'sdf')

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半乳糖

大多数人类有乳糖不耐的基因问题，乳糖是一个葡萄糖和一个半乳糖分子组成的双糖，消化后在身体分解开来。

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[17]

show_structure(url_from_openfiles('c847f5ef66c74c65b598e39dbe6eab59/D-Galactose-3D-structure-CT1078644631.sdf'), 'sdf')

代码

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阿斯巴甜

阿斯巴甜因其热量极低，又具有较高的甜度，可添加于饮料、药制品或无糖口香糖中作为糖替代品。作为一种广泛应用在可口可乐等众多产品中的甜味剂已经随着 2023年7月14号被世卫组织列为致癌因素而一度大火。

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[18]

show_structure(url_from_openfiles('794359faed9943b1bba884524ceded18/aspartame-3D-structure-CT1000887899.sdf'), 'sdf')

代码

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柠檬酸

柠檬酸是一种很弱的有机酸，它赋予了橘子，柠檬，橙子以及其他水果强烈的酸味，当然还有很多烤鱼的身体上！

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文本

[19]

show_structure(url_from_openfiles('1daa2aa3788e44239e6e163a71860ae0/citric-acid.sdf'), 'sdf')

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6. 气味 - 积木块飘到了我的鼻子里

之所以感受到气味是因为那家伙飘起来了，他飘在空中飞进了你的鼻子，并与你体内的生物分子结合触发了你的神经信号，有的信号让你赏心悦目，有的信号让你恶心难耐。

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龍涎香醇

龙涎香醇提取自抹香鲸的呕吐物 (也就是龙涎香)，只能说只要不是同类的排泄物大千世界的动物们还挺能坦然接受的。在香味剂这件事情上有太多看着过于荒诞的事实(如海狸肛门的海狸香)！放松身体好好闻闻下面这个分子吧！

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[20]

show_structure(url_from_openfiles("9c635b71e7f6463bb49a2e75b4bdc0bf/AMBREIN-3D-structure-CT1082739507.sdf"), "sdf")

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7. 花花绿绿 - 不同的积木有不同的衣服

眼睛之所以看到物体的独特颜色多数情况是因为物体不吸收一些特定的光，这在上帝积木的层面来看是因为不同的上帝积木组合只会吸收不同的光而反射他用不到的光。丰富的大千世界的不同分子由于这种选择性的吸收使得地球没有像月球和火星一般单调的让人绝望。解释这些上帝积木选择性吸收光的本质答案都在元素周期表以及更深入的电子轨道和能量故事中。

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靛蓝

自从牛仔裤被搞出来后，这扇门就再也没被关闭过，靛蓝就是牛仔蓝的核心。如果有一天全世界的人都被外星人关进了监狱，请把穿牛仔裤的和不穿牛仔裤的人分开关押！

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[21]

show_structure(url_from_openfiles("5dc3eb0c21154f039423dec4534b68c2/2-3-oxo-2-3-dihydro-1H-indol-2-ylidene-2-3-dihydro-1H-indol-3-one-3D-structure-CT1002167893.sdf"), "sdf")

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8. 美宝石，丑岩石

天然石头大都是一些混合物，因其上帝积木配方的不同，有的组合晶莹透亮人看着赏心悦目所以就叫它们宝石，有的组合粗制滥造让人看着很不舒服就叫它们岩石，当然一般人只会叫它们大石头和小石头 (看我们没文化多可怕！).

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[22]

show_pdb('1BKV')

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祖母绿

祖母绿(emerald)，属于宝石级绿柱石，传统上为枢要宝石之一，用于制作宗教仪式用品和皇室珠宝。在矿物学尼克尔-斯特伦茨分类中属于硅酸盐矿物。在缺乏分子宝石鉴定技术的年代，所有绿色宝石都被称为“祖母绿”。其主要化学成分为 Be3Al2(SiO3)6。

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[23]

show_crystal_structure(url_from_openfiles('db7aaf2d80b64b8484a58aa1b1067287/Be3Al2(SiO3)6-S.cif'), supercell='2,2,2')

代码

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结语

难以想象如果我高中上化学那会儿能以这样的视角看世界会是多么的有趣，上帝积木是这样的优雅而美丽，万事万物以这样神奇的方式被构建起来，而这仅仅是科学令人着迷的皮毛而已。小学五年级开始就被命题写长大后作什么职业，如果没记错我写过科学家和数学家，到后来成了泯然众人的 “大家”，现在开始投入到 AI for Science 的行业有点重回旧梦的熟悉感，希望藉由此篇 Notebook 唤起越来越多如我一般的 “大家” 对科学的热爱，激发更多人投入到科学赛道上来贡献自己的力量。

代码

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