普通生物學

生物性大分子+脂質

這個章節主要會介紹一些生物體內常見的分子，配合的章節為campbell第五章。

目錄

  1. 構成生物體之重要分子
  2. 聚合物的合成與分解
  3. 醣類
  4. 脂質
  5. 蛋白質
  6. 核酸
  7. 習題

構成生物體之重要分子

  1. Lipid (脂質)
  2. Carbohydrate (碳水化合物)
  3. Protein(蛋白質)
  4. Nucleic acid (核酸)
  5. 而在上述四種物質中，碳水化合物、蛋白質、核酸為macromolecule(大分子)，是屬於monomer(單體)所聚合而成的polymer(聚合物)
    註:mono在字首的意思是單個，Poly在字首指的是多個。

Polymer的合成與分解

  1. Dehydration Reaction (脫水反應)
    1. 兩個較短鍊的的單體，經由脫水聚合。
    2. 小分子+小分子->大分子+水
  2. Hydrolysis (水解)
    1. 聚合物加入水後，鍵結斷裂。
    2. 大分子+水->小分子+小分子

carbohydrate

  1. 可分成 monosaccharide (單醣)和 polysaccharide (多醣)，polysaccharide 由多個 monosaccharide 聚合而成。
  2. Monosaccharide
    1. 可依碳數或 carbonyl group (羰基，-C=O)位置不同而分類，後者之分類可分為 aldose (醛醣，羰基位於碳鏈末端) 和 ketose (酮醣，羰基位於碳鏈中間)兩種，下方圖片參考即可，不用記，圖片來源:2012books.lardbucket.org。
    2. monosaccharide 的通式為 (CH 2 O) n，這也是碳水化合物的由來。
    3. 雖然上述的結構為直鏈，但在水溶液下大多呈現環狀。
  3. Disaccharide
    1. disaccharide 為兩 monosaccharide 進行脫水反應而形成，其中兩兩所形成之共價鍵稱為glycosidic linkage (醣苷鍵)
    2. 麥芽糖的醣苷鍵為1-4鍵(1號C和4號C相接)
    3. 蔗糖的醣苷鍵為1-2鍵。
  4. Polysaccharide (多醣)
    1. 為醣類聚合物，常用於儲存和結構支持。polysaccharide 的功能和結構取決於 monomer的結構及其 glycosidic linkage 的位置。
    2. Starch (澱粉)
      1. 植物的儲存性多醣，幾乎均由葡萄糖聚合而成。
      2. 植物以顆粒形式儲存多餘的澱粉在chloroplast (葉綠體)中。
      3. 直鏈狀構造為 α-1,4 鍵結，分支部分則為 α-1,6 鍵結。
      4. 名詞比較
        1. Amylose:無支鏈的澱粉
        2. Amylopectin:有支鏈的澱粉
    3. Glycogen (肝醣)
      1. 為動物體內主要儲存性多醣，多位於肌肉細胞及肝臟中，水解肝醣可提供葡萄糖，鍵結形式和澱粉相似(α-1,4 和 α-1,6 )鍵結而成。
      2. 相較於澱粉，glycogen 的分枝較密集，使得儲存單醣密度高，單位體積儲存量高、溶解度比較高，而此分枝多的特性亦使其較為容易被酵素給分解、產生能量。
    4. Cellulose (纖維素)
      1. 植物體內細胞壁的主要構造，也是由葡萄糖聚合而成，但卻是以 β-1,4 linkage 鍵結。
      2. α-form 會使聚合物成螺旋狀，而 β 則使聚合物成直鏈，平行的直鏈間會因 hydroxyl group (-OH 基)而產生氫鍵，使αlinkages 水解的澱粉酵素無法水解βlinkages，故其不可消化纖維素。
        註: α- form：1 號碳位置在醣的環平面之下(與 2 號碳方向相同)，β- form：1 號碳位置在醣的環平面之下 (與 2 號碳方向相反)
    5. Chitin(幾丁質)
      1. 常見於 exoskeleton of arthropods(節肢動物外骨骼)、fungi(真菌)細胞壁與手術縫線。

Lipids(脂質)

  1. 特性
    1. 為hydrophobic(疏水性)，因為成分組幾乎為hydrocarbons(碳跟氫)，故鍵結形式為nonpolar covalent bonds(非極性共價鍵)
    2. 生物體內最重要的類別有fats(脂肪)、phospholipids(磷脂質)、steroids(膽固醇)
  2. Fats
    1. 脂肪由glycerol(甘油) 和fatty acids(脂肪酸)所形成。
    2. 三個脂肪酸配上甘油後，會成為triacylglycerol(甘油三脂) ，又可稱為triglyceride(三酸甘油脂)
    3. 共同組成脂肪的脂肪酸，其結構不一定要一樣。
    4. 脂肪酸的種類隨著碳數的不同、雙鍵位置的不同改變。
    5. 名詞比較
      1. Saturated fatty acids(飽和脂肪酸):脂肪酸內的碳-碳鍵結全部都是單鍵。
      2. Unsaturated fatty acids(非飽和脂肪酸):脂肪酸內的碳-碳鍵結有單鍵以外的形式(雙鍵)。
        1. 有些非飽和脂肪酸人體無法自行合成，此類非飽和脂肪酸稱之為essential fatty acids(必須脂肪酸)
      3. Hydrogenating(氫化)的植物油容易產生飽和脂肪酸和trans fats(反式脂肪)。
      4. 最主要功能為儲存能量，並儲存在adipose cells(脂肪細胞)
    6. Phospholipids(磷脂質)
      1. 由甘油、兩個脂肪酸、一個磷酸根所組成，其中，甘油分別和脂肪酸、磷酸根接在一起。
      2. cell membranes(細胞膜)的主要成分，並以雙層的形式排列，下方圖片取自lumen learning。
    7. Steroids(類固醇)
      1. 以碳為特徵的脂質，結構中有四個環。
      2. Cholesterol(膽固醇)
        1. 為steroids的其中一種。
        2. 功能為穩固細胞膜，為 other steriods 的 precursor(先驅物)
        3. 如果血液中太多膽固醇會導致 cardiovascular disease(心血管疾病)

Protein(蛋白質)

  1. 簡介
    1. 蛋白質有很多種結構，這也導致他的功能很多元。
    2. 蛋白質占了大部分細胞超過一半的乾重(dry mass)，各種蛋白質的功能包括:
      1. 催化(catalyze)
      2. 防禦(defense)
      3. 儲存(storage)
      4. 運輸(transport)
      5. 運動 (movement)
      6. 細胞間的聯絡(cellular communication)
      7. 支持結構(structural support)
    3. 人體有上萬種不同的蛋白質，隨著不同的功能，每種都有獨特的立體結構。
  2. Amino acid (胺基酸)
    1. 胺基酸為蛋白質的monomer(單體)。
    2. 所有蛋白質皆由 20 種胺基酸(amino acids)聚合而成。
      註:20種氨基酸名稱、結構先不用記，這屬於生物化學的範疇。
    3. 胺基酸是包含一個胺基(amino group)和一個羧基(carboxyl group)的有機分子。
    4. 構成蛋白質的胺基酸，均屬 α-胺基酸。
      註: α-胺基酸指的是胺基和羧基接在同一個碳上，而此位於中央的碳原子，稱為 α 碳(α carbon)。
    5. 根據不同的側鏈(side chain)，胺基酸擁有相異的性質，此側鏈亦稱為 R group。
  3. Polypeptides(多肽)
    1. 當兩個胺基酸經由脫水反應(dehydration reaction)後，會形成一個特殊的共價鍵結，肽鍵(peptide bonds)。
    2. 重複上述反應多次，即產生胺基酸的聚合物(polymers)—多肽，而蛋白質就是由一個或多個多肽(polypeptides)組成。
    3. 多肽含有數個自超過一千個單體(monomers)。
    4. 每種多肽都有特定的胺基酸線性序列(linear sequence，白話的說法就是排列方式)，且任何長度的多肽皆具一個胺基端(N-terminus)和羧基端(C-terminus)。
  4. 蛋白質功能
    1. 蛋白質是由一至多個多肽經過旋轉(coil)、摺疊(fold)所形成的特殊形狀分子。
    2. 各個多肽中的胺基酸序列則決定其立體結構，不同的結構使蛋白質具不同的作用方式。
    3. 蛋白質的功能通常取決於其辨識(recognize)及結合(bind)其他分子的能力。
  5. 蛋白質結構
    1. 蛋白質結構可分成四級，其中一到三級的結構是有只含一個多肽的蛋白質所形成，第四級結構指的是由超過一條多肽鏈組成的蛋白質。
    2. 一級結構(primary structure): 特定序列的鍵結胺基酸。
    3. 二級結構(secondary structure):
      1. 大部分蛋白質中的多肽鏈經過不斷的折疊及旋轉，形成二級結構。
      2. 此結構的成因為多肽骨架(backbone)中，氫原子與氧原子間因電負度差而形成氫鍵(hydrogen bonds)。
      3. 典型的二級結構分為 α 螺旋(α helix)和 β 摺板(β pleated sheet)。
    4. 三級結構(tertiary structure):
      1. 多肽鏈的形狀來自側鏈(R gropus)間的相互作用(interactions)，而非骨架中成分所造成的作用力。
      2. 這些相互作用包括:氫鍵、離子鍵(ionic bonds)、雙硫鍵(disulfide bridges)和疏水性作用(hydrophobic interactions)。
      3. 雙硫鍵因為作用力強，所以能夠加強蛋白質的結構。
    5. 四級結構(quaternary sturcture)
      1. 由兩條以上的多肽鏈所組成具功能的大分子(macromolecules)。
      2. 膠原蛋白(collagen) : 由三條相同的多肽鏈互相纏繞而成，使其足夠堅固以連接人體中許多部位。
      3. 血紅素(hemoglobin) :
        1. 由四條多肽鏈組成的氧合(oxygen-binding)蛋白。
        2. 其中有兩條稱作 α 亞基(α subunits)，另兩條稱作 β 亞基(β subunits)，兩種皆屬二級結構中的 α 螺旋。
        3. 每條多肽中都有一個非肽類的血基質(heme)，所以總共有四個heme，其中心為能夠與氧結合的亞鐵離子。

Nucleic acids(核酸)

  1. 概述
    1. 核酸可以儲存、傳送、幫忙表現遺傳訊息。
    2. 基因是有遺傳效應的 DNA 片段，每個 DNA 分子上有許多個基因
    3. 核酸是由一種叫做nucleotides(核甘酸)的單體，經聚合而成的聚合物。
    4. 核酸主要有兩類:Deoxyribonucleic acid (DNA) 和Ribonucleic acid (RNA)
  2. 核酸的角色
    1. DNA由自己來引導自己的複製
    2. 基因表現的過程為:DNA->RNA->蛋白質。
  3. 核酸的成分
    1. 誠如上述，核酸為核苷酸的聚合物，故有可稱之為polynucleotides(多核苷酸)
    2. 而每一個nucleotides(核甘酸)又含有一個nitrogenous base(含氮鹼基)、一個pentose sugar(五碳糖)以及一個或多個的phosphate groups(磷酸根)。
    3. 如果核苷酸缺少了phosphate groups(磷酸根)的部分，這樣的化合物又稱之為nucleoside(核苷)。
      即:核苷+磷酸根=核苷酸
    4. nitrogenous base(含氮鹼基)可分為兩種
      1. Pyrimidines(嘧啶)，含有一個六元環(六個碳所構成的環)，又可以再分成cytosine(胞嘧啶)、 thymine(胸腺嘧啶)、uracil(尿嘧啶)
      2. Purines(嘌呤)，含有一個六元環和五元環，又可以再分成adenine (腺嘌呤)和guanine(鳥糞嘌呤)。
    5. 五碳醣的比較
      1. 在DNA，五碳醣的成分是deoxyribose(去氧核醣)
      2. 在RNA，五碳醣的成分是ribose(核醣)
    6. 核苷酸的聚合
      1. 核苷酸經由連結形成polynucleotides(多核苷酸)
      2. 其中，連結核苷酸的鍵結為phosphodiester linkage(磷酸二酯鍵)，由磷酸根和nucleoside(核苷)上的醣所組成。
      3. DNA為一個雙股螺旋的形狀，同時兩股平行反向(假使一股是3’→5’，另一股就是5’→3’)
    7. DNA、RNA的結構
      1. RNA和DNA不同，為單股。
      2. 在DNA鹼基配對中，A和T會以兩個氫鍵的方式配對，G和C會以三個氫鍵的方式配對。
      3. 在RNA中，T會被U所取代。

延伸練習

我有從網路上找了大約10題的練習題，此部分的題目雖然是英文的，不過如果把文內的單字都背熟應該都看得懂，大家不用太擔心，有興趣的可以當作是個自我檢測，如果下面的題目你都能搞懂，代表你已經有抓到核心概念了。

  1. Humans and mice differ because
    A) their cells have different small organic molecules.
    B) their cells make different types of large biological molecules.
    C) their cells make different types of lipids.
    D) their cells have some differences in the sequence of nucleotides in their nucleic acids.
    E) their cells make different types of proteins.

Answer:  D

  1. How many molecules of water are needed to completely hydrolyze a polymer that is 11 monomers long?
    A) 12
    B) 11
    C) 10
    D) 9
    E) 8

Answer:  C

  1. Which of the following statements is true for the class of biological molecules known as lipids?
    A) They are insoluble in water.
    B) They are made from glycerol, fatty acids, and phosphate.
    C) They contain less energy than proteins and carbohydrates.
    D) They are made by dehydration reactions.
    E) They contain nitrogen.

Answer:  A

  1. Upon chemical analysis, a particular polypeptide was found to contain 100 amino acids. How many peptide bonds are present in this protein?
    A) 101
    B) 100
    C) 99
    D) 98
    E) 97

Answer:  C

  1. How many different kinds of polypeptides, each composed of 12 amino acids, could be synthesized using the 20 common amino acids?
    A) 412
    B) 1220
    C) 240
    D) 20
    E) 2012

Answer:  E

6.What maintains the secondary structure of a protein?
A) peptide bonds
B) hydrogen bonds between the amino group of one peptide bond and the carboxyl group of another peptide bond
C) disulfide bonds
D) hydrophobic interactions
E) hydrogen bonds between the R groups

Answer:  B

7.Which level of protein structure do the α helix and the β pleated sheet represent?
A) primary
B) secondary
C) tertiary
D) quaternary
E) primary, secondary, tertiary, and quaternary

Answer:  B

  1. The tertiary structure of a protein is the
    A) bonding together of several polypeptide chains by weak bonds.
    B) order in which amino acids are joined in a polypeptide chain.
    C) unique three-dimensional shape of the fully folded polypeptide.
    D) organization of a polypeptide chain into an α helix or β pleated sheet.
    E) overall protein structure resulting from the aggregation of two or more polypeptide subunits.

Answer:  C

  1. If a DNA sample were composed of 10% thymine, what would be the percentage of guanine?
    A) 10
    B) 20
    C) 40
    D) 80
    E) impossible to tell from the information given

Answer:  C

  1. Which of the following is not a monomer/polymer pairing?
    A) monosaccharide/polysaccharide
    B) amino acid/protein
    C) triglyceride/phospholipid bilayer
    D) deoxyribonucleotide/DNA
    E) ribonucleotide/RNA

Answer:  C