IB 生物/生命化學

主題 3 生命化學

化學元素和水

指出生物體中最常見的化學元素是碳、氫、氧和氮。

說明生物體需要多種其他元素，包括硫、鈣、磷、鐵和鈉。

說明上述每種元素的一種作用

氮：蛋白質所必需。(記住，氮包含在氨基酸結構中)對植物功能所需的酶至關重要。
鈣：強化骨骼和牙齒的礦物質使用鈣。在神經衝動的突觸傳遞和肌肉收縮中也很重要。調節植物細胞壁的構建。
磷：是 ATP 和 DNA 分子中磷酸基團的一部分。在植物中，它需要用於細胞繁殖和分裂。它是細胞膜的一部分。
鐵：存在於血紅蛋白的結構中，對紅血球的產生至關重要。它參與植物光合作用中涉及光能傳遞的化合物。
鈉：與神經衝動的傳播相關的主要離子。在某些植物中可以取代膜功能中的鉀。
硫：它是氨基酸的組成部分。

概述原子、離子、多肽之間的區別

原子是化學元素的單個粒子。當原子獲得或失去電子時，它就會變成離子。離子帶電，而原子不帶電。離子根據獲得或失去電子而帶負電或正電。另一方面，多肽鏈是由透過肽鍵連線的氨基酸鏈組成，氨基酸是透過離子的結合形成的分子。

概述水的特性對生物體的重要意義，包括透明度、內聚性、溶劑性質和熱性質。在相關情況下參考水分子極性和氫鍵。

水是透明的，這使得光線能夠過濾到水生環境中，因此水生植物可以吸收光線並進行光合作用。由於所有植物的祖先起源於海洋，水的透明度對我們所知的生活產生了不可估量的影響。
水也是內聚的，也就是說它由於水分子極性而相互結合。分子的正極氫側與另一個水分子的負極氧側結合。這種鍵叫做氫鍵。水也是粘附的，也就是說它會與周圍的其他物質結合。這種特性使水能夠在植物中逆重力運輸。水粘附在植物的木質部管中，並能夠由於其強大的內聚力而向上拉成長柱。
水的溶劑特性使分子能夠溶解在其中。這意味著水可以將礦物質向上運輸到植物的木質部管中，並將糖向上運輸到韌皮部管中。動物的血液主要由水組成，這使得氧氣、尿素和葡萄糖能夠在整個身體中運輸。水也是代謝反應的場所，因為反應可以在溶解的化合物之間發生。
水的極性也抑制了其分子運動。由於所有分子都連線在一起，因此它們不能像其他非極性分子那樣自由移動。因此，熱量（分子的動能）受到限制，因此水具有較高的比熱容（它必須吸收大量的能量才能改變狀態）。這意味著水可以作為溫度絕緣體，並且在各種生物體中都起著這種作用。
水的高汽化潛熱是由於水分子之間存在強氫鍵。當液態水汽化成氣態時，會釋放大量的熱量。

解釋水作為冷卻劑、運輸介質和棲息地的意義，從其特性方面來說明。

'冷卻劑：使我們能夠進行穩態。(我們出汗以讓自己降溫)。此外，水的汽化潛熱很高，使水分子能夠從身體中吸收大量能量，然後蒸發——因此，出汗的人會損失熱量。
運輸介質：消化，對幫助運輸血液也很重要。植物中的韌皮部利用內聚性和粘附性將溶解在水中的營養物質運輸。
棲息地：生物需要水；水的充足供應在選擇棲息地時至關重要。水的比熱容（將 1 克水的溫度提高 1 攝氏度所需的能量）和汽化潛熱（1 克液體轉化為氣態形式所吸收的能量）可以防止植物和動物過熱和死亡。

碳水化合物、脂類和蛋白質。

定義有機物

有機化合物是指存在於生物體中的含有碳的化合物。
當化合物含有碳但在環境中廣泛存在時（二氧化碳和氫），則被認為是無機的。

繪製一個廣義氨基酸的基本結構

廣義氨基酸。

繪製葡萄糖和核糖的環狀結構

葡萄糖。
核糖。

繪製甘油和廣義脂肪酸的結構 [1]點選連結檢視圖片

概述縮合反應和水解反應在單糖、二糖、多糖之間的關係中發揮的作用；脂肪酸、甘油和甘油酯；氨基酸、二肽和多肽。

在縮合反應中，兩個分子協同作用形成一個大分子以及水，因為該反應過程中會釋放水。因此，兩個氨基酸可以結合形成二肽，這將是一個縮合反應。單糖變成二糖也一樣，你懂的。
現在在水解反應中，水分子被用來將大分子分解成小分子。想想看——“hydro”的意思是水，“lysis”的意思是分解。因此，水被用來將二糖分解成單糖。

繪製一個廣義二肽的結構，顯示肽鍵 http://homepages.ius.edu/GKIRCHNE/peptide.jpg

列出單糖、二糖、多糖的三種示例

單糖：葡萄糖、果糖和核糖
二糖：麥芽糖（葡萄糖 + 葡萄糖）和蔗糖（葡萄糖 + 果糖），以及乳糖。
多糖：澱粉（由葡萄糖亞基組成）和糖原（由葡萄糖亞基組成，但與澱粉的連線方式不同）。(植物主要使用澱粉，人類主要使用糖原)以及纖維素。

說明動物中葡萄糖、乳糖和糖原的一種功能，以及植物中果糖、蔗糖和纖維素的一種功能。

動物
- 葡萄糖：被代謝以產生能量。
- 乳糖：為哺乳動物幼崽提供能量。
- 糖原：肌肉和肝臟中長期的能量儲存。
植物
- 果糖：使果實變甜，以便傳播種子
- 蔗糖：能量儲存
- 纖維素：細胞壁結構

說明脂類的三種功能

能量儲存：人類的脂肪。植物中的油。
熱量絕緣：皮膚下的一層脂肪可以減少熱量損失。
浮力：脂類的密度低於水。

討論碳水化合物和脂類在能量儲存中的用途。

脂類和碳水化合物非常適合在生物體中儲存能量。碳水化合物通常用於短期儲存能量，而脂類則用於長期儲存能量。
脂類的優點

每克含有更多的能量。因此，儲存起來更輕。
脂類不溶於水；不會干擾滲透作用。

碳水化合物的優點

更容易消化，因此更容易從中釋放能量。
碳水化合物溶於水，因此更容易運輸。

解釋蛋白質的四級結構
一級結構

透過肽鍵連線的氨基酸的線性序列。大約有 20 種不同的氨基酸。

二級結構

α-螺旋由氫鍵維持。螺旋構成角蛋白（皮膚、指甲、頭髮）。

β-摺疊片：扁平的鋸齒狀氨基酸鏈。這些片構成絲素蛋白（絲綢）。

兩種結構都是纖維狀的，形成結構蛋白

三級結構

多肽鏈摺疊成特定的形狀。這意味著三級蛋白質是球狀的（激素、酶、膜蛋白）。

四級結構

兩個或多個多肽鏈連線在一起（例如血紅蛋白）。

概述纖維蛋白和球狀蛋白的區別，並參考每種型別的蛋白質的兩個示例

纖維蛋白（如角蛋白、膠原蛋白）

鏈延伸
不溶性
對 pH/溫度變化有抵抗力
結構材料

球狀蛋白（如血紅蛋白、澱粉酶）

鏈摺疊
可溶性/膠體
易受 pH/溫度變化的影響
緊湊的圓形分子

酶

定義酶和活性部位

酶：用於催化化學反應的球狀蛋白質。
活性部位：酶表面發生催化的結合位點。

解釋酶-底物特異性

酶的活性位點形狀非常特定，具有非常精確的化學性質。活性位點與底物的形狀相匹配。其他分子不適合或沒有相同的化學性質。因此，該酶具有底物特異性。該酶是鎖，而底物是開啟鎖的鑰匙。

解釋溫度、pH 值和底物濃度對酶活性的影響

溫度、pH 值和底物濃度都會影響酶催化化學反應的速率。

底物濃度：在低底物濃度下，酶活性與底物濃度成正比，這是因為底物和酶之間發生隨機碰撞。因此，底物越多，反應速率越高。但是，在高底物濃度下，在某個點所有活性位點都被佔據，因此提高底物濃度不會有任何影響。

溫度：酶活性隨著溫度的升高而增加，通常每升高 10°C 酶活性就會翻倍。這是因為在較高溫度下，由於分子運動速度加快，底物與活性位點之間的碰撞頻率更高。但是，在高溫下，酶會被變性並停止工作。這是因為熱量會導致酶內部的振動，從而破壞維持結構所需的鍵。

pH 值：酶活性最快時有一個最佳值（大多數情況下為 pH 7），並且當 pH 值從其最佳值升高或降低時，酶活性就會降低。（酸和鹼會使酶變性）

定義變性

變性：蛋白質結構發生變化，導致其生物學特性喪失。這可能是由 pH 值或溫度引起的。

解釋乳糖酶在生產無乳糖牛奶中的應用
乳糖 - 牛奶中存在的糖。乳糖酶是從克魯維酵母和乳酸乳桿菌中獲得的，這是一種天然生長在牛奶中的酵母。可以使用乳糖酶（二糖）將乳糖轉化為葡萄糖和半乳糖。生物技術公司培養酵母並提取酶以生產無乳糖牛奶。

優勢：果膠酶使果汁更流暢，易於與果肉分離。

果糖在食品製造中被廣泛使用，因為它比葡萄糖甜得多。它由澱粉製成，通常存在於玉米中。需要澱粉酶將澱粉分解成葡萄糖。
酶來源：澱粉酶是從真菌中獲得的。
用途：用於將澱粉分解成葡萄糖，然後使用葡萄糖異構酶將其轉化為果糖。

DNA 結構

概述 DNA 核苷酸結構，包括糖（脫氧核糖）、鹼基和磷酸。

一個 DNA 由脫氧核糖、磷酸基團和氮鹼基（腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鳥嘌呤）組成。磷酸基團與脫氧核糖的碳原子共價結合，然後氮鹼基連線到脫氧核糖上。

說出 DNA 鹼基的四種名稱

腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶。

概述透過共價鍵將 DNA 核苷酸連線成單鏈的過程。

兩個 DNA 核苷酸可以透過一個核苷酸的糖和另一個核苷酸的磷酸之間的共價鍵連線在一起。可以新增更多核苷酸以形成單鏈。

解釋使用互補鹼基配對和氫鍵形成 DNA 雙螺旋的過程。

DNA 分子由兩條核苷酸鏈組成，然後纏繞在一起形成雙螺旋。這些是在兩條鏈的鹼基之間形成的。但是，它是透過互補鹼基配對形成的，因為腺嘌呤只與胸腺嘧啶形成氫鍵，胞嘧啶只與鳥嘌呤形成氫鍵。

繪製 DNA 分子結構的簡圖。

合適圖片的 URL：http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtTxtJml/Images3/dblhelx1.gif

DNA 複製

說明 DNA 複製是半保留的。

DNA 複製複製 DNA 以產生具有相同鹼基序列的新分子。它是半保留的，因為複製形成的每個新分子都使用一條新的鏈和一條舊的鏈，該舊的鏈從親本 DNA 分子中儲存下來。

從解開雙螺旋和解旋酶分離鏈開始，解釋 DNA 複製，然後由 DNA 聚合酶形成新的互補鏈。

階段 1：DNA 雙螺旋解開並被解旋酶分離成鏈，解旋酶破壞了將鏈連線在一起的氫鍵，並形成一個複製氣泡。
階段 2：單鏈作為新鏈的藍圖。遊離核苷酸大量存在。引物酶在新的鏈上放置引物，使 DNA 聚合酶 III 能夠在 5-碳到 3-碳方向上新增到鏈上。在解旋酶形成的複製氣泡內形成了多個稱為岡崎片段的小片段。然後去除 DNA 聚合酶 III，DNA 聚合酶 I 用相應的鹼基對替換引物。然後，連線酶將這些新的鹼基對與鏈的其餘部分結合起來。這些核苷酸的鹼基與親本鏈的鹼基形成氫鍵。核苷酸連線起來形成一條新鏈。
階段 3：子代 DNA 分子各自重新纏繞成雙螺旋。

兩個子代 DNA 分子在鹼基序列上彼此相同，並且與親本分子相同，這是由於互補鹼基配對（腺嘌呤與胸腺嘧啶配對，胞嘧啶與鳥嘌呤配對）。每個新鏈都與其形成的模板互補，並且與另一個模板相同。

解釋互補鹼基配對在儲存 DNA 鹼基序列中的重要性。

由於構成 DNA 的含氮鹼基只能與互補鹼基配對，因此任何兩條連線的 DNA 鏈都是互補的。這確保了舊的鹼基序列得到儲存。

轉錄和翻譯

比較 RNA 和 DNA 的結構

1. 鏈數。

DNA 有兩條鏈，形成雙螺旋。
RNA 有一條鏈。

2. 糖的種類。

DNA 有脫氧核糖。
RNA 有核糖。

3. 核苷酸。

DNA 有 A、C、G、T
RNA 有 A、C、G、U（尿嘧啶代替胸腺嘧啶）

概述 DNA 轉錄，包括 RNA 聚合酶形成與 DNA 鏈互補的 RNA 鏈的過程。

轉錄：透過製造 RNA 分子來複制基因的鹼基序列。

DNA 雙螺旋解開，兩條鏈分離。
RNA 聚合酶附著在 DNA 鏈的啟動子區域
RNA 聚合酶結合遊離 RNA 核苷酸以建立 mRNA，它是相應 DNA 鏈的複製模板。
mRNA 從 DNA 中分離。
DNA 鏈重新形成雙螺旋。

描述遺傳密碼，包括由三聯體和鹼基組成的密碼子。遺傳密碼是三聯體密碼 - 三個鹼基編碼一個氨基酸。三個鹼基的組合稱為密碼子。

解釋導致多肽形成的翻譯過程

在翻譯 mRNA 鏈之前，必須對其進行處理。在 mRNA 鏈的末端新增一個帽子和一個尾巴，以使 mRNA 鏈能夠離開細胞核。
鏈中存在內含子和外顯子片段。內含子透過引入剪接體而被移除。剪接體將內含子推出去並將外顯子結合在一起。
然後，mRNA 透過核孔進入細胞質。
核糖體（60s 和 40s）的兩個亞基在核糖體結合位點鎖定到 mRNA 上。
轉移 RNA (tRNA) 是三葉草形的分子，有一個特定的氨基酸附著在上面。
每個 tRNA 還具有三個鹼基，稱為反密碼子，它與 mRNA 結合。反密碼子決定 tRNA 攜帶的氨基酸。
tRNA 只能在核糖體存在的情況下與 mRNA 結合。在每個核糖體中，有兩個 tRNA 結合位點（氨醯 tRNA 結合位點或 A 位點和肽醯 tRNA 結合位點或 P 位點）和一個 tRNA 出口位點（E 位點）。
mRNA 被分成每組三個鹼基的密碼子。tRNA 上的反密碼子與 mRNA 上的互補密碼子結合。透過這樣做，它將氨基酸帶到適當的位置。
mRNA 在核糖體的亞基（小亞基和大亞基）之間移動。第一個 tRNA 分子與附著的起始氨基酸甲硫氨酸一起在 A 位點附著，並轉移到 P 位點。下一個 tRNA 結合到 mRNA，並含有氨基酸。
當兩個 tRNA 分子在核糖體上的 mRNA 上結合時，核糖體酶會在兩個氨基酸之間形成肽鍵。
第一個 tRNA 從其氨基酸上脫落，並在滑入出口位點後從核糖體上脫落。
核糖體移動一個密碼子的距離，一個新的 tRNA 結合進來，帶來另一個氨基酸來加入多肽鏈。
任何 mRNA 上翻譯的第一個密碼子始終是 AUG。這稱為起始密碼子，它設定 mRNA 的閱讀框架。
還有三個密碼子會發出 mRNA 結束和翻譯停止的訊號。它們是終止密碼子 UAG、UAA 和 UGA。
多個核糖體可以同時翻譯相同的 mRNA。這稱為多核糖體。

定義與遺傳密碼相關的術語“簡併”和“通用”

簡併：具有多個鹼基三聯體來編碼一個氨基酸。
通用：存在於所有生物中。

討論一個基因和一個多肽之間的關係

多肽是氨基酸的長鏈。
氨基酸必須以精確的順序連線起來才能形成多肽。
基因以編碼形式儲存製造多肽所需的資訊。
基因中鹼基的順序編碼多肽中氨基酸的順序。
基因中的資訊在製造多肽的過程中被解碼。
這個過程分為兩個階段，稱為轉錄和翻譯。

細胞呼吸

定義細胞呼吸

細胞呼吸：細胞內有機物中以 ATP 形式控制釋放能量。

在細胞呼吸中，細胞質中的葡萄糖被分解成丙酮酸，產生少量 ATP。

葡萄糖是一種有時用於細胞呼吸的有機化合物。化學反應將葡萄糖分解成一種稱為丙酮酸的更簡單的化合物。利用從葡萄糖釋放的能量，產生少量 ATP（2 個 ATP）。

在無氧細胞呼吸中，丙酮酸在細胞質中轉化為乳酸或乙醇二氧化碳，不再產生 ATP。

乳酸發酵：在糖酵解過程中，葡萄糖被轉化為兩個丙酮酸。由於沒有氧氣，克雷布斯迴圈無法進行，因此電子傳遞鏈的過程也被停止。細胞質中積累了過多的丙酮酸，我們需要將其清除。因此，它被轉化為可以從細胞中去除的廢物 - 乳酸。沒有 ATP 產生。
酒精發酵：由於沒有氧氣，丙酮酸被轉化為乙醇/酒精，二氧化碳作為副產品產生。這就是單細胞生物克服缺氧的方式。

在有氧呼吸中，丙酮酸線上粒體中分解成二氧化碳和水，產生大量的 ATP如果存在氧氣，丙酮酸會被線粒體吸收。然後丙酮酸分解成二氧化碳和水。產生大量的 ATP。

注意：如何記住它們的區別！“有氧”聽起來很健康，所以會有好的結果！“無氧”聽起來像“非有氧”，聽起來不健康！很容易記住，對吧？還有，想想做有氧運動，同樣很健康，會讓你呼吸很多！

光合作用

說明光合作用涉及將光能轉化為化學能。

光合作用涉及能量轉換。光能，通常是陽光，被轉化為化學能。

說明太陽發出的白光是由一系列波長組成的。

陽光被稱為白光，但實際上是由一系列波長組成的，包括紅色、藍色和綠色。

說明葉綠素是主要的光合色素。

葉綠素的結構使其能夠比其他顏色更好地吸收某些波長的顏色。

概述葉綠素對紅光、藍光和綠光的吸收差異。

紅光和藍光比綠光吸收得多。無法被吸收的綠光被反射，使植物（以及葉綠素色素）呈現綠色。

說明光能用於分解水分子（光解作用）以產生氧氣和氫氣，併產生 ATP。

葉綠素吸收的部分能量用於產生 ATP。
葉綠素吸收的部分能量用於分解水分子。這被稱為水的光解作用。
水的光解作用導致氧氣和氫氣的形成。氧氣作為廢物被釋放。

說明 ATP 和氫氣（來自水的光解作用）用於固定二氧化碳以製造有機分子。

二氧化碳被吸收用於光合作用。
其中的碳被用來製造各種有機物質。
氣體中的碳轉化為固體化合物中的碳被稱為碳固定。
碳固定涉及使用來自光解作用的氫氣和來自 ATP 的能量。

解釋光合作用速率可以透過氧氣產量或二氧化碳吸收量直接測量，也可以透過生物量增加間接測量。

二氧化碳吸收量：由於二氧化碳在光合作用的光獨立反應中很重要，因此植物對二氧化碳的消耗可以作為一種方法來確定用於碳固定的 ATP 和電子載體的速率。
氧氣產量：水生植物在進行光合作用時會釋放氧氣泡。例如，這些氣泡被收集起來，它們的體積可以被測量。
生物量增加：如果在不同的時間收穫一批植物並測定它們的生物量，那麼可以透過生物量的增加來確定光合作用速率。

概述溫度、光照強度和二氧化碳濃度對光合作用速率的影響。:

光照 - 在低中光照強度下，速率與光照強度成正比。在高光照強度下，速率達到平臺期。
二氧化碳 - 在非常低的 CO2 濃度下沒有光合作用。在低到相當高的 CO2 濃度下，速率與 CO2 濃度呈正相關。在非常高的 CO2 濃度下，速率達到平臺期。
溫度 - 隨著溫度的升高，速率越來越陡峭地增加。如果溫度升高 10¤C，速率大致增加一倍。當它達到最大值時，據說它處於最佳溫度，大約為 40¤C。超過最佳溫度，速率迅速下降，然後停止。這是因為過度熱量破壞了負責催化化學反應的酶。