原子和分子
化合物的定義
由兩種以上的元素、以固定比例組成的純物質
Elements and Compounds
元素
-不能再被化學反應分割
-自然界中有92種
-約20–25%是生物體所需的essential elements，例如：人類需要25種，而植物只需要17種
-trace element只需要一點，例如：脊椎動物需要碘，作為甲狀腺產生的激素的「原料」，可以從食物中攝取
-有些具有毒性，例如砷會致病、致死，在某些國家，砷會自然地出現在水中，最終成為飲用水
-O、C、H、N佔了生命體的96%
*有些生物適應了在毒性環境下生長，例如serpentine plant群落（nonserpentine species經天擇演化而來）
化合物
-和組成其的元素，具有截然不同的性質→emergent properties
原子 保留元素性質的最小單位
原子的組成=中子+質子(帶正電)+電子(帶負電)
*質子和中子被包裝為原子核，因為質子帶正電，原子核也帶正電
*電子在原子核周圍形成像雲一樣的區域
質子和中子差不多重=1 dalton，而電子只有前兩者的1/2000
Atomic Number and Atomic Mass
下標 atomic number 質子的數目
上標 mass number= 質子數+中子數
atomic mass 原子的總重
Isotopes 質子數相同，中子數不同
-放射性同位素 會自發性發生衰變(decay) *可應用在生物研究
Radioactive Tracers 放射性同位素+具生物活性的分子→tracer
-視元素種類和吸收量而定，放射性元素可能造成危害
*用於醫療的劑量，是相對安全的
Radiometric Dating
-半衰期 親同位素衰變一半，所需的時間
-每個同位素都有其特徵的半衰期，不受溫度、壓力或其他環境因素所影響
-放射定年的方法 先測不同同位素的比例，再比較它們，在某生物體形成化石後，經過多少半衰期
energy 有多少潛力來造成改變，或是作功
位能
動能
能量的轉移是不連續的→電子殼層
Electron Distribution and Chemical Properties
價電子
價殼層
Electron Orbitals
軌域 有90%的機率找到電子
化學鍵的形成
電負度、極性、鍵級
強作用力
弱作用力 具有可逆性(優點)、對於分子的形狀有很大影響
分子形狀和功能
混成軌域
morphine具有和腦中的endorphin相似的結構，它可以mimic endorphin，結合在腦細胞表面的endorphin受體
化學反應，涉及鍵的斷裂和生成
水的特性
水 the Molecule that supports All of Life
-佔地表的1/3
*海水暖化跟冰層變薄，使得浮游植物(phytoplankton)大量生長，
氫鍵
*水分子上的O，具有兩個partial負的區域，也就是說，它可以和兩個鄰近的H結合
氫鍵的力量很弱，它會不斷地生成、斷裂、再生成
4個水的特徵
1.Cohesion 氫鍵將物質拉在一起，能夠抵抗重力，協助水和養分的運輸。在氫鍵的作用下，當水從葉片蒸發時，蒸發的水會拖拉著底部的水分，帶著它們往上跑
Adhesion 氫鍵使水分子吸附在細胞壁分子上，抵抗重力
表面張力 拉伸或打破液體表面的容易程度。也是氫鍵的影響，例如：蜘蛛在水上行走
2.溫度調節
水可以吸收空氣的熱，將其冷卻後，再釋放回空氣
原因是因為，水具有高比熱
*高比熱也是氫鍵的影響：因為要打斷氫鍵，必須吸收熱，而當氫鍵生成時，會有熱釋放出來。因為吸收的熱大多數都用在打斷氫鍵上了，所以釋放的熱當然會很少
*使得海洋的環境適合生長
-蒸發熱很高，可以調節全球氣候
evaporative cooling 因為最熱的分子，具有最高的動能，最容易以氣體形式逸散，所以蒸發後留下的液體，溫度會降低
3.冷卻時，體積會膨脹
-在冰的結晶中，冰分子之間的距離很寬，密度較小，所以會浮在水上。浮冰會變成屏障，隔絕上方的冷空氣
*因為結冰時，溫度太低，使得分子移動太慢，不足以斷開氫鍵
4.溶劑 與生命有關的分子可以溶在水中
水合層 一堆水分子圍繞在離子旁邊
親水性
疏水性
酸鹼
緩衝液
碳的特性the Backbone of Life
有機化學
-Miller的實驗說明生命中的有機物是從無機物合成而來
-C可以形成4個價鍵
碳氫化合物：單鍵、雙鍵、參鍵
異構物
結構異構物
順反異構物 具有雙鍵
鏡像異構物 中心具有不對稱的C原子
*在生物體中，S和R異構物，會造成截然不同的藥效
官能基
腺苷三磷酸(ATP)
-與水反應後會放出一個磷酸，變成ADP
-儲存著與水反應的潛能，一旦反應後，會釋放熱，供細胞使用
巨分子
聚合物的生成與分解
脫水生成，形成共價鍵 *其中一個單體提供-OH，另一個則提供-H。又稱polymerization
加水分解(水解)，斷鍵
醣類
單醣 CnH2nOn
-由carbonyl group+hydroxyl group
-依據carbonyl group的位置，分為aldose(醛糖)和ketose(酮糖)
aldose carbonyl在末端
triose: Glyceraldehyde(甘油醛)
pentose: Ribose(核糖)
hexose: 葡萄糖、半乳糖
ketose carbonyl在碳骨架中
triose: Dihydroxyacetone(二羥丙酮)
pentose: Ribulose(核酮糖)
hexose: 果糖
-依據碳骨架的長度，分為pentosehexose等
-依據不對稱C周圍的元素，可以分類
醣類的環化作用
5C、6C糖在水溶液中，會形成環狀
以葡萄糖為例，位於1位的碳，會和接在C5上的O接在一起
雙醣
兩分子單醣經由稱為glycosidic linkage(糖苷鍵結)的共價鍵，脫水合成雙醣
例子
maltose(麥芽糖) =葡萄糖+葡萄糖，由1–4鍵結形成
蔗糖=葡萄糖+果糖
乳糖=葡萄糖+半乳糖
*乳糖不耐: 患者缺乏可以分解乳糖的lactase，取而代之的是，腸內的細菌會分解乳糖，形成氣體
解決辦法是，攝取含有lactase的食物，或是攝取乳糖之前，先用lactase分解處理
多醣
數百數千分子單醣，經由glycosidic linkage形成
澱粉和纖維素都是1-4鍵結，兩者的不同在於，C1上的-OH，一個朝上，一個朝下
澱粉是alpha，-OH朝下
纖維素是beta，-OH朝上
*人體無法分解纖維素，消化期間，纖維素會磨損消化道，刺激其分泌黏液，以潤滑食物
脂質(不含有macromolecule或polymer)－與水不互溶
Fats，又稱為三酸甘油酯=丙三醇+3脂肪酸(含有16~18C的骨架)
*脂肪酸的C-H造成fat的疏水性
*根據雙鍵的有無，分為飽和跟不飽和
*幾乎所有天然存在、含雙鍵的fat，其雙鍵都是順式，順式會造成碳氫鏈的kink，並使分子無法排列緊密，也因此，不飽和的植物油呈現液態，而飽和fat，如動物油、奶油，呈現固體
Phospholipids (磷脂)=丙三醇+2脂肪酸，丙三醇上的第三個-OH，與磷酸基結合，使其帶有負電。兩端具有不同的性質，一端親水，一端疏水，在水中，磷脂會自動組合成雙層，疏水端被包在內部，而親水端在外面，所以可作為細胞膜的材料
*磷脂疏水端的兩個尾巴中，其中一個因為帶有順式雙鍵，所以會有kink
Steroids (類固醇) 有4個fused rings
蛋白質
分為球狀跟網狀
單體為胺基酸，每個胺基酸的不同，在於R group(又稱side chain)
*胺基酸中心的碳是alpha碳
*常見的胺基酸有20種，蛋白質中的所有胺基酸都是L-form
蛋白質的功能:
胺基酸→多肽鏈→蛋白質
當兩個胺基酸的carbonyl group被排在一起時，就可以進行脫水反應，形成的共價鍵又稱為肽鍵，反覆形成肽鍵，最終會形成多肽鏈。多肽鏈的其中一端是N端，另一端則是C端(帶有carbonyl group)
*僅僅是多肽鏈，是不能造成蛋白質的功能的。多肽鏈必須經過扭轉、摺疊、盤繞等處理，才會變成「有功能的」蛋白質，具有專一性，可以結合並識別其他物質
*胺基酸序列帶有蛋白質製造的藍圖，決定其該有的形狀
蛋白質的四級結構 *只有含有兩個以上多肽鏈的蛋白質，才會形成第四級結構
一級
線性的胺基酸鏈
根據其骨架和R基，決定二級和三級的結構
二級 多肽骨架原子之間的氫鍵，具有穩定的作用，藉由盤繞、摺疊
alpha helix，螺旋與螺旋(多肽骨架)之間有氫鍵
-每四個胺基酸形成一個氫鍵
beta pleated sheet
-多肽鏈side by side的排列，成為beta strand，strand跟strand之間有氫鍵
-球蛋白主要由beta sheet構成，例如transthyretin(甲狀腺素)
-部分網狀蛋白也由beta sheet構成，例如蜘蛛網
三級 side chain之間的作用力能夠穩定整個分子
-作用力如hydrophobic interaction
-當side chain被排得很近時，van der Waals作用力會派上用場
-極性側鏈之間的氫鍵
-帶正負電的側鏈之間的離子鍵
-雙硫橋:共價鍵，以兩個cysteine為單體，可進一步穩固結構
四級 兩個以上多肽鏈的關聯
例子 collagen是多肽鏈纏繞而成的triple helix，佔人體蛋白的40%
例子 血紅蛋白的alpha和beta subunit，主要的二級結構都是alpha螺旋，而每個subunit都有不是多肽的組成，稱為heme，heme上有鐵，可與氧氣結合
*denaturation:除了四級結構的形成，也與物化環境相關，例如:pH值、鹽度、溫度(過熱)等改變，會使得蛋白質中的鍵結被破壞，失去其自然的形狀，也失去生物活性
*環境改變的例子:蛋白質被從水溶液環境，轉移到非極性溶劑中，蛋白質會重新折疊，使得疏水端面向外面
*有些化學物，會干擾氫鍵、離子鍵和雙硫鍵的生成，也會改變蛋白質的形狀
*發高燒可能致死，是因為血中的蛋白在高溫下會denature
*多肽鏈的錯誤摺疊會致病，例如:cystic fibrosis(囊狀纖維化)、阿茲海默症、帕金森氏症和狂牛症，都是源於錯誤折疊的蛋白，持續累積的作用
例子:鐮刀型紅血球疾病
遺傳性疾病，起因是在血紅素一級結構的6號位，正常的胺基酸被替換成異常的(glutamic acid→valine)，使得紅血球不像正常的內凹盤狀，而是聚集在一起，變成鐮刀狀
*鐮狀細胞危象:當angular cells堵塞血管，阻礙血流，就可能致命
*hemoglobin=兩個alpha subunit+兩個beta subunit
*正常紅血球中，一級結構6號胺基酸是Glu，形成正常的beta subunit，最終形成正常的血紅蛋白，彼此不會結合，各自會攜帶氧氣
*鐮刀型紅血球中，一級結構6號胺基酸是Val，形成鐮刀型beta subunit，最終形成鐮刀型血紅蛋白，彼此會有疏水作用力，結合成網狀，攜氧的能力減弱
蛋白質結構的觀察:X射線晶體學
核酸
基因決定了蛋白質的一級結構，而基因由DNA組成，DNA則屬於核酸，以多核苷酸為單體
*在多核苷酸中，鄰近的核苷酸以磷酸二酯鍵結合，兩個核苷酸具有不同的性質，其中一端的5C有磷酸，另一端的3C有-OH，也因此稱為5端跟3端
*DNA雙股螺旋:兩個糖磷酸骨架以反向、平行排列
*鹼基對之間的氫鍵，會將兩個股拉在一起
*tRNA呈現L型
*DNA的骨架:糖+磷酸(含氮鹼基不算)
*基因是DNA上的片段
核酸有兩種:DNA和RNA
基因表現:DNA提供自己複製的藍圖、指導RNA的合成，並藉由RNA控制蛋白質的合成
DNA→mRNA→多肽鏈→蛋白質
*而真正執行基因表現的，則主要是蛋白質
*蛋白質在核醣體合成，真核細胞的核糖體，位於細胞質
核苷酸= 五碳糖+含氮鹼(基)+1~3個磷酸(在糖的5號碳上)
-最初用來製造多核苷酸的單體，含有3個磷酸，在聚合過程中，會失去2個磷酸，又稱為nucleoside monophosphate
-不含有磷酸核苷酸，稱為nucleoside(核苷)
-含氮鹼基=1~2個含氮的環
-含氮鹼基分為pyrimidine(嘧啶)和Purine(嘌呤)
嘧啶:六元環，包含C、T、U
嘌呤:六元環+五元環，包含A、G
*去氧核醣核苷酸和核糖核苷酸的差別在於，去氧核醣核苷酸環上的第2個碳，少了氧原子
基因體學和蛋白質體學的應用:
演化、考古、醫療、物種間交互作用、保育生物學
能量
ATP的運作原理
藉由energy coupling，用放熱放熱反應驅動吸熱反應，其關鍵在於不穩定的、磷酸化中間產物的生成
細胞有三種工作
1.Chemical work，例如物質合成
2.Transport work，例如幫浦
直接法:ATP將通道蛋白磷酸化，改變其形狀
3.Mechanical work，例如纖毛的鞭動、肌肉的收縮、染色體的移動
間接法:ATP以非共價鍵結合肌肉蛋白，隨後被水解，造成形狀的改變，讓肌肉蛋白得以沿著細胞骨架、向前移動
酵素的專一性源自其形狀，也就是胺基酸序列
*induced fit:受質進到酵素，酵素會改變形狀，使得其活化位包住受質
產生induced fit後，受質會被弱作用力(氫鍵或離子鍵)留在活化位，活化位會進一步地降低活化能、加速反應，接著，受質被轉換為產物，最後，產物會被釋出，空出活化位，讓下一個受質使用
酵素的活化位 酵素真正結合受質、發生催化的位置，像是pocket
Effects of Local Conditions on Enzyme Activity
酵素活性的調節可以幫助控制代謝
異構調節 調節位不同於活化位
細胞是有分區的
-例子:粒線體基質的酵素參與細胞呼吸的第二階段，內膜的酵素則參與呼吸作用的第三階段