生物分子

生物分子詞彙表
單體 - 構成長鏈的單個亞基，稱為聚合物 聚合物 - 由重複亞基（單體）組成的長鏈 單糖 - 碳水化合物的最小亞基（葡萄糖、半乳糖、果糖） 氨基酸 - 多肽的最小亞基；有20種不同的天然存在的氨基酸 核苷酸 - DNA和RNA的最小亞基 縮合反應 - 釋放水分子的反應，在此過程中，從單體形成更大的分子（聚合物） 水解反應 - 使用水將更大的分子分解成其更小的替代部分，斷裂化學鍵。

單體和聚合物

• 縮合反應
  • 將單體連線成更大的分子，釋放水
  • 單糖 → 二糖 → 多糖：形成糖苷鍵
  • 氨基酸 → 多肽：肽鍵
  • 甘油 + 脂肪酸 → 甘油三酯：酯鍵

碳水化合物

• 由單糖（碳水化合物的單體）組成
• 常見的單糖 - 葡萄糖、半乳糖、果糖
• 二糖
  • 由兩個單糖的縮合反應形成
  • 麥芽糖 → 葡萄糖 + 葡萄糖
  • 蔗糖 → 葡萄糖 + 果糖
  • 乳糖 → 葡萄糖 + 半乳糖

α-葡萄糖形式，最右側碳上的 -OH 基團指向下方

葡萄糖

兩種異構體

• α-葡萄糖：碳原子 1 上氫原子指向上方，羥基指向下方
• β-葡萄糖：碳原子 1 上氫原子和羥基翻轉

β-葡萄糖，顯示最右側 -OH 基團指向上方

縮略詞“ADDUD”和“BUDUD”可用於記憶 -OH 基團的指向方式。ADDUD - α-葡萄糖，下、下、上、下。BUDUD - β-葡萄糖，上、下、上、下。

多糖

• 由許多單糖縮合形成
  • 糖原 → α-葡萄糖縮合
  • 澱粉 → α-葡萄糖縮合
  • 纖維素 → β-葡萄糖縮合
• 糖原的結構
  • 動物體內的能量儲存
  • 高度分支的結構，捲曲 - 所以緊湊
  • 無法從細胞中擴散出去，因此保留在需要的地方，直到需要能量

• 纖維素的結構
  • 無分支的線性鏈
  • 用於植物細胞壁 - 為植物提供剛性

    

    澱粉、糖原和纖維素的結構。可以看出分子堆積在一起的方式，所有纖維素分子都平行且緊密堆積在一起。澱粉和糖原分子具有更分支的結構，導致堆積不那麼緊密

  • 纖維聚集在一起形成微纖維 - 氫鍵（大量的強度）
• 澱粉的結構
  • 形成顆粒 - 無法從形成它的細胞中移動出去 - 不必擴散很遠，因此可以相當快地獲得能量
  • 分支鏈，捲曲 - 緊湊

脂類

• 甘油三酯
  • 甘油 + 3 個脂肪酸尾部
  • 形成油、蠟、脂肪
  • 疏水性 - 不與水混合

甘油三酯的分子結構

• 磷脂
  • 形成細胞壁 - 磷脂雙層
  • 磷酸鹽 + 甘油 + 2 個脂肪酸尾部
  • 極性分子 - 磷酸頭部是親水的（喜水）// 脂肪酸尾部是疏水的（厭水）

磷脂的分子結構

• 脂肪酸
  • 飽和 - 所有碳原子都具有單鍵 - 具有可能的最大氫原子數量
  • 不飽和
    • 單不飽和 - 1 對碳原子具有雙鍵；去除 2 個氫原子，導致鏈發生扭結
    • 多不飽和 - 1 對以上的碳原子具有雙鍵；去除 2 個以上的氫原子，導致鏈發生多個扭結
    • 與不飽和脂肪酸相比，能量含量更低

多不飽和脂肪酸

蛋白質

• 由氨基酸組成

蛋白質（多肽）的單體 - 氨基酸的通用結構

• 胺基：NH2 羧基：COOH
• R 基團 - 使氨基酸獨特的側鏈
• 二肽 - 兩個氨基酸縮合
• 多肽 - 許多氨基酸縮合

• 蛋白質可以由多個多肽鏈組成

蛋白質關鍵詞
氨基酸 - 蛋白質是由其組成的單體 二肽 - 2 個氨基酸透過 1 個肽鍵連線在一起 多肽 - 許多氨基酸透過肽鍵連線在一起 一級結構]] - 蛋白質的第一個結構。氨基酸鏈 + 順序 二級結構 - 蛋白質的第二個結構。α-螺旋和β-摺疊 三級結構 - 蛋白質的第三個結構。α-螺旋和β-摺疊摺疊成 3D 結構 四級結構 - 將三級結構蛋白質連線在一起形成更大的分子 酶 - 一種能夠催化分子分解/形成的蛋白質分子 誘導契合模型 - 理論表明，當底物附著時，酶的活性位點會略微改變形狀 鎖鑰模型 - 理論表明，酶的活性位點是剛性的，並且永遠不會改變形狀

• 一級結構：氨基酸的順序 - 多肽鏈

• 二級結構：α-螺旋或β-摺疊 - 由 R 基團之間的氫鍵形成
• 三級結構：α-螺旋/β-摺疊的進一步捲曲 - 更緊湊
• 四級結構：將多個三級結構多肽鏈連線在一起
• 氫鍵 - 在四級結構中將多肽鏈連線在一起
• 離子鍵 - 將氨基酸連線成多肽鏈
• 二硫鍵 - R 基團之間牢固的鍵，將 α-螺旋/β-摺疊連線在一起

  

  蛋白質可以存在的四個結構

酶

• 降低它催化的反應的活化能
• 酶作用的鎖鑰模型
  • 底物完美地契合酶
  • 沒有解釋酶如何催化反應
• 酶作用的誘導契合模型
  • 酶活性位點略微改變形狀，以允許底物與之結合
  • 活性位點對底物施加壓力，導致鍵斷裂
  • 反應被催化，導致產物被釋放
• 酶只能讓 1 個底物與之契合 - 澱粉酶只能催化澱粉水解

• 酶濃度 - 較高的濃度會導致底物更快地分解。隨著底物濃度的降低，反應速率將達到平臺期，因為碰撞發生的可能性降低了
• 底物濃度 - 較高的底物濃度意味著酶與底物發生碰撞的可能性更高。反應速率增加，直到一定程度。一旦所有酶的活性位點都有底物，反應就無法繼續進行

  

  競爭性和非競爭性抑制劑

• 抑制劑濃度 - 較高濃度的競爭性抑制劑會導致反應減慢，因為更多的競爭性抑制劑會阻斷活性位點。非競爭性抑制劑也會產生影響，但是它不取決於濃度，因為它們不會阻斷活性位點

• pH - 超出酶的最佳 pH 值，活性位點會迅速變性。這會阻止反應被催化
• 溫度 - 低於最佳溫度，反應會減慢，因為引起碰撞的能量更少。高於最佳溫度 - 反應停止 - 酶變性

  

  酶在不同溫度下的活性

  

  酶在不同 pH 值下的活性

核酸

核酸詞彙表
DNA – 脫氧核糖核酸；構成所有活細胞遺傳物質的分子。雙鏈結構 RNA – 核糖核酸；用於將遺傳物質轉移到核糖體的分子；包含（一些）病毒的整個基因組，但並非全部。單鏈結構 核苷酸 – 構成 DNA 和 RNA 的單個單體 鹼基 – 胞嘧啶、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、尿嘧啶、腺嘌呤；互補於鹼基，僅允許 (A,T/U)、(G,C) 結合在一起（透過氫鍵） 半保留複製 – 該理論指出，在 DNA 複製過程中，一條鏈是新的，一條鏈是舊的。確保細胞之間遺傳的連續性，降低突變的可能性

DNA 的雙螺旋結構

• 生物體的遺傳物質
• 腺嘌呤（嘌呤）、胸腺嘧啶/尿嘧啶（嘧啶）、鳥嘌呤（嘌呤）、胞嘧啶（嘧啶）

  

  半保留複製：紫色鏈是原始鏈，橙色鏈是新鏈

• 半保留複製
  • DNA 解旋：DNA 解旋酶
  • 鹼基對在解旋的鏈之間移動
  • DNA 聚合酶用於將新的鹼基結合到舊鏈上
  • 形成 2 條 DNA 鏈，每條鏈都有 1 條舊鏈和 1 條新鏈
• 半保留複製的證明
  • DNA 複製，直到所有氮元素都是 ¹⁵N - 這更重，導致鏈在溶液中處於較低位置
  • 然後 DNA 在 ¹⁴N 中複製一代 - 這會建立一個雜合 DNA，其中 50% 為 ¹⁵N，50% 為 ¹⁴N
  • DNA 在 ¹⁴N 溶液中再複製一代 - 建立包含 25% ¹⁵N 和 75% ¹⁴N 的 DNA
  • 重複此過程，最終形成僅包含 ¹⁴N 的 DNA
  • 溶液可以進行離心，識別包含不同氮元素同位素的 DNA

ATP – 三磷酸腺苷

ATP，鹼基（腺苷）用紅色圈出

• 用於在細胞內轉移能量
• 由以下部分構成：腺嘌呤、3 個磷酸基團、核糖
• $ATP+H_{2}O\rightarrow ADP+P_{i}$ – ATP 上的縮合反應，形成 ADP 和一個磷酸基團；斷裂鍵釋放能量
• 低活化能，因此很容易釋放能量
• ATP 酶 - 催化 ATP 水解（ATP 分解為 ADP）的酶
• 光合磷酸化
• 光合作用：僅植物進行，利用光合成 ADP → ATP
• 氧化磷酸化
  • 利用呼吸合成 ADP → ATP；植物和動物
• 底物水平磷酸化
  • 當磷酸基團從供體轉移時；植物和動物
  • ATP 的用途
  • 代謝過程 - 提供能量，從亞基構建分子
  • 運動 - 肌肉收縮需要能量
    • 主動運輸 - 分子逆濃度梯度移動
    • 分泌 - ATP 需要形成溶酶體以包裹細胞產物
    • 分子活化 - ATP 水解中釋放的無機磷酸可以磷酸化其他分子

水

水分子圖，顯示更負和更正的端透過氫鍵相互作用

• 對所有生物體至關重要
• 極性分子
  • 水分子之間的氫鍵需要大量能量才能斷裂
  • 導致水具有高表面張力
• 溶劑
  • 由於水是極性的，其他極性分子能夠溶解在其中
  • 離子化合物溶解時會被水分子包圍
  • 允許氣體溶解 - CO2、O2、NH3...
• 高比熱容
  • 提高 1° 溫度需要大量能量 - 這是由於氫鍵的強度
  • 這意味著水起緩衝作用，減少溫度波動
• 高汽化潛熱
  • 將水蒸發（成蒸汽）需要大量能量
  • 非常適合冷卻生物體 - 出汗（動物）或蒸騰作用（植物）
• 分子之間的內聚力
  • 高表面張力意味著可以將水柱拉到容器（如木質部）中
• 代謝物
  • 用於縮合/水解反應，斷裂/形成鍵

無機離子

• 存在於細胞質/體液中的溶液中
• 一些離子濃度高，另一些離子濃度低
• 每個離子都有特定的作用
  • 鐵離子 血紅蛋白
  • 鈉離子 葡萄糖和氨基酸的協同運輸
  • 磷酸根離子 DNA 和 ATP 的組成部分