生命的化學

第 1 章 · 生命的化學

讓生命運作的分子

生物由少數幾種原子構成,排列成少數幾類大分子,而這一切都浸在水中。

圖中是液態水。每個分子由一個氧(紅色)和兩個氫(白色)組成。藍色連線是氫鍵:一個分子的氫與另一個分子的氧之間的微弱吸引力。分子翻滾時,氫鍵不斷形成又斷裂。

這些氫鍵解釋了為什麼水會彼此黏附、也會黏附在表面上,以及為什麼水不易隨溫度改變。

本章先從水談起,接著是生命的元素,再來是把小分子接成大分子的反應。最後介紹生物大分子的四大類:醣類、脂質、核酸與蛋白質。在每一類中,各部分的排列順序與形狀,決定了分子的功能。

1.1 · 水是極性分子

並以氫鍵相互連結

氧對共用電子的吸引力比氫強。這種不均等的共用使水成為極性分子,而極性造就了氫鍵。

水中每個 O–H 鍵都是共價鍵:兩個原子共用一對電子。氧的電負度較大(鮑林標度為 3.44,氫為 2.2),所以共用電子多半靠近氧。這個鍵是極性共價鍵。

結果是氧帶部分負電荷(δ−),每個氫帶部分正電荷(δ+)。分子呈彎曲形,夾角為 104.5°,電荷無法互相抵消,因此水是極性分子。

氫鍵是 δ+ 的氫與另一個分子(或同一個大分子的另一部分)中 δ− 的原子(氧或氮)之間的吸引力。它比共價鍵弱得多。每個水分子最多可與四個鄰近分子形成氫鍵;在液態中,氫鍵只維持不到一奈秒,隨即重新形成。

分子大小相近,沸點卻相差很大。水的沸點比甲烷高 261.5 °C,因為沸騰時必須破壞水的氫鍵。氫鍵也把 DNA 的兩條股鏈連在一起,並幫助蛋白質摺疊。

1.1 · 內聚力與附著力

水拉著水,也拉著表面

相鄰水分子之間的氫鍵,使水具有內聚力、附著力和表面張力。

內聚力是水黏附水:氫鍵把分子結合在一起。附著力是水黏附在其他極性或帶電的表面上,例如玻璃或植物細胞壁。表面張力是表面上的內聚力:最上層的分子被向內、向側面拉,使表面像一層拉緊的薄膜,能撐住水黽。

圖中有三支玻璃管立在水中。附著力把水沿玻璃往上拉,使水面彎曲(彎月面);內聚力則把其餘的水柱拉著跟上。管子越細,每克水接觸的管壁就越多,水爬得越高:

半徑減半,高度加倍。這種上升現象稱為毛細作用。

在植物中。水從葉片蒸發,木質部中的水柱隨之被往上拉。水柱靠內聚力連在一起,又靠附著力黏在木質部管壁上,所以樹不需要幫浦,就能把水送到數十公尺高。

1.1 · 水能儲存熱

高比熱、高汽化熱

熱必須先打斷氫鍵,才能讓水分子加速運動。所以水升溫緩慢,而且蒸發時會帶走大量的熱。

比熱是使 1 g 物質升高 1 °C 所需的能量。水的比熱為 4.18 J/(g·°C),在液體中算很高。圖中,功率相同的 50 W 加熱器分別對 100 g 的水和 100 g 的乙醇加熱 120 s,起始溫度皆為 20 °C:

例題詳解。每種液體獲得 50 W × 120 s = 6000 J 的熱。對水而言,ΔT = q/(mc) = 6000/(100 × 4.18) = 14.4 °C。同樣的熱使乙醇升溫 24.6 °C。

高比熱讓生物體、湖泊或海岸在周圍空氣溫度起伏時,仍能維持穩定的溫度,這是維持恆定性的一部分。

汽化熱是使 1 g 液體蒸發所需的能量。水在體溫下的汽化熱為 2.41 kJ/g(乙醇為 0.84 kJ/g)。逸出的分子會把這些熱帶走,這就是蒸發冷卻。若一位 70 kg 的人蒸發 100 g 的汗水,會帶走 100 × 2.41 = 241 kJ,足以讓身體降溫約 1.0 °C。

1.2 · 生命的元素

從環境取得的原子,組成新的分子

生物體以攝取的原子合成自己的分子。碳、氫、氧構成大多數生物分子的絕大部分;氮、磷、硫則只出現在某些類別中。

* 磷存在於磷脂質,也就是細胞膜的脂質(其頭部通常也含氮);脂肪和類固醇只含 C、H、O。

• 氮存在於蛋白質(每個胺基酸都有胺基)和核酸(每個鹼基都有)。
• 磷存在於核酸(每個核苷酸的磷酸基)和磷脂質。蛋白質和醣類不含磷。
• 硫存在於蛋白質(兩種胺基酸的 R 基),核酸則不含硫。

這個差異可以當作工具。放射性硫示蹤劑會標記細胞的蛋白質,不會標記 DNA;放射性磷則會標記 DNA 和 RNA,不會標記蛋白質。

這些原子來自環境:植物從 CO₂ 取得碳,從水取得氫和氧,從土壤中的離子取得氮、磷和硫。動物則從食物中攝取。以質量計,人體是 65% O, 18.5% C, 9.5% H, 3.3% N。

1.3 · 聚合物的合成與分解

脫水合成與水解

大型生物分子是聚合物:由小型次單元,即單體,以共價鍵連成的長鏈。每個鍵的形成都要移除一個水分子,而鍵的斷裂則要加入一個水分子。

脫水合成。從一個單體移除羥基(–OH),從另一個單體移除氫。兩個單體以共價鍵相連,OH 與 H 一起離開,形成一個H₂O。以這種方式連接許多單體,稱為聚合反應。

水解(「水分解」)則是相反的過程。水加到兩個單體之間的鍵上:H 接到一個單體,OH 接到另一個,共價鍵因而斷裂。消化就是水解。

圖中把同一段影片正向播放(脫去水)與倒著播放(加入水)。由 n 個單體組成的鏈有 n − 1 個鍵,所以形成時釋出 n − 1 個水分子,分解時要吸收 n − 1 個。

例題詳解。葡萄糖的莫耳質量為 180.16 g/mol;水為 18.02。兩個葡萄糖相連:2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol。圖中由 6 個組成的鏈:6 × 180.16 − 5 × 18.02 = 990.86 g/mol。

細胞利用酵素加速這兩種反應。合成聚合物需要能量;水解則釋出能量。

1.4 · 醣類

單醣與多醣長鏈

單醣是葡萄糖、果糖等簡單的糖,為醣類的單體。共價鍵把它們連成多醣,也就是可能呈直鏈或分支的複雜醣類。

兩個單醣組成雙醣(蔗糖、乳糖、麥芽糖);數百到數千個單醣則組成多醣。醣類只由 C、H、O 組成。

形狀決定功能:

圖中兩條鏈在每一步,每個延長的末端都加上一個糖。直鏈只有一個末端。分支鏈的每個分支都有一個末端,所以在相同時間內增加的糖多得多,酵素移除糖的速度也一樣快。這就是高度分支的肝醣成為動物急需能量時所動用的儲存形式的原因。

單體連接方式的細微改變,就會使分子不同:人類能消化澱粉,但沒有任何人體酵素能水解纖維素。

1.5 · 飽和脂肪與不飽和脂肪

尾部的彎折如何使脂肪熔化

脂質大多是非極性的疏水性分子:不與水互溶。脂質的功能取決於各部分如何組合。

許多脂質由脂肪酸構成:一端帶有羧基的長烴鏈。脂肪(三酸甘油酯)是三個脂肪酸經脫水合成與甘油相連而成。

飽和脂肪酸的碳與碳之間只有單鍵:它盡可能結合最多的氫,鏈是直的。不飽和脂肪酸至少有一個碳–碳雙鍵,使鏈出現彎折。雙鍵越多,不飽和程度越高。

直鏈能緊密堆疊,並沿整條鏈互相吸引,所以飽和脂肪在室溫下是固態(奶油、豬油)。彎折的鏈無法緊密堆疊,所以不飽和脂肪是液態(橄欖油)。四種含 18 個碳的脂肪酸:

脂質越不飽和,在同一溫度下就越呈液態。富含不飽和尾部的細胞膜在低溫下仍能保持流動。

1.5 · 脂質的功能

儲存能量、傳遞訊號、構成細胞膜

脂肪、類固醇和磷脂質都是脂質,各自有不同的功用。

脂肪儲存能量並支持細胞功能;在哺乳動物的皮下,脂肪也有隔熱作用。每克脂肪約產生 37 kJ,是每克醣類 17 kJ 的兩倍以上。要儲存 1000 kJ,需要 27 g 的脂肪,但需要 59 g 的醣類。

類固醇是由四個稠合碳環構成的脂質。許多類固醇是荷爾蒙(睪固酮、雌激素、皮質醇),調節生長發育、能量代謝和恆定性。

膽固醇是一種類固醇,位於動物細胞膜的尾部之間(圖中藍色部分),使細胞膜結構穩定。

磷脂質有兩條脂肪酸尾部和一個帶磷酸基的頭部。頭部是極性的親水性;尾部是非極性的疏水性。兩端性質兼具的分子稱為兩性分子。

在水中,磷脂質會聚集成脂雙層:兩層膜,頭部朝向兩側的水,尾部藏在中間。每個細胞的細胞膜及其胞器的膜,都是這樣的雙層結構。小型非極性分子可以穿過其內部;離子和大型極性分子則不能。

1.6 · 核酸

由核苷酸組成的一條股鏈,兩端不相同

DNA 和 RNA 以一串稱為核苷酸的單體序列來儲存生物資訊。

每個核苷酸都有三個部分:

• 一個五碳糖:DNA 中是去氧核糖,RNA 中是核糖;
• 一個磷酸基;
• 一個含氮鹼基:DNA 中有腺嘌呤 (A)、鳥糞嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C) 和胸腺嘧啶 (T),RNA 中則是尿嘧啶 (U) 取代胸腺嘧啶。

共價鍵把一個核苷酸的磷酸與下一個核苷酸的糖連起來,形成糖–磷酸骨架,鹼基則向外伸出。鹼基沿著骨架的排列順序,就是遺傳資訊。

股鏈是有方向的。糖上的碳原子有編號,兩端並不相同:5′ 端(讀作「五撇」)在糖的 5′ 碳上有一個游離的磷酸;3′ 端在糖的 3′ 碳上有一個游離的羥基。

合成核酸時,每個新的核苷酸都接在延長中股鏈的 3′ 端,如圖所示。因此股鏈總是朝 5′ → 3′ 方向延長,序列也依此方向書寫:5′-ATGCCGTA-3′。

1.6 · 雙螺旋

反向平行的股鏈,配對的鹼基

DNA 是兩條纏繞成雙螺旋的股鏈,方向相反,並以鹼基之間的氫鍵相連。

這兩條股鏈是反向平行的:一條沿螺旋向上為 5′ → 3′,另一條向下為 5′ → 3′。糖–磷酸骨架在外側,鹼基在中間配對。

配對有專一性。腺嘌呤與胸腺嘧啶配對(A–T),以兩個氫鍵相連;鳥糞嘌呤與胞嘧啶配對(G–C),以三個氫鍵相連。因此每條股鏈都決定了另一條的序列:它們互為互補。在 RNA 中,腺嘌呤與尿嘧啶配對(A–U)。

因為 A 總是與 T 配對、G 總是與 C 配對,雙股 DNA 中 A 與 T 的量相等,G 與 C 的量也相等。Chargaff 測量了人類 DNA:

範例。若一份 DNA 樣本中 A 佔 30%,則 T 也佔 30%;其餘 40% 是 G 和 C,各佔一半,即各 20%。

圖中的 12 個鹼基對,ATGCGCATTAGC,其中 G–C 佔 50.0%,由 30 個氫鍵相連。G–C 對越多,氫鍵就越多,分開兩條股鏈所需的溫度也越高。

1.7 · 蛋白質:胺基酸長鏈

肽鍵與 R 基

蛋白質是由一條或多條胺基酸長鏈組成,胺基酸之間以共價的肽鍵相連。一條鏈稱為多肽。

每個胺基酸都有一個中心碳,連接四個基團:一個氫、一個胺基(–NH₂)、一個羧基(–COOH),以及一個可變的 R 基(側鏈)。二十種胺基酸的差別只在 R 基。

肽鍵是由一個胺基酸的羧基與下一個胺基酸的胺基經脫水合成而形成,同時釋出一個H₂O。這條鏈有一個 N 端(游離的胺基)和一個 C 端(游離的羧基),並在 C 端延長,如圖所示。

依化學性質,R 基可分為三類:

R 基之間如何交互作用,決定了蛋白質各區域的形狀,也就決定了它的功能。

範例。一條有 300 個胺基酸的多肽有 299 個肽鍵;若殘基平均約 110 道爾頓,則其質量約為 300 × 110 = 33 kDa。

1.7 · 蛋白質結構的四個層級

一級、二級、三級、四級

胺基酸的序列決定鏈如何摺疊,而摺疊後的形狀決定蛋白質的功能。

一級結構是胺基酸的序列,由肽鍵維繫。它決定了上面所有的層級。

二級結構是局部的摺疊,由骨架原子(而非 R 基)之間的氫鍵維繫:有稱為 α 螺旋的螺旋圈,以及摺疊的 β 摺板。

三級結構是整條鏈的三維形狀,由 R 基之間的交互作用維繫:氫鍵、疏水作用(非極性 R 基聚集在內部,遠離水)、帶電 R 基之間的離子鍵,以及兩個半胱胺酸之間的共價雙硫鍵(圖中的紅色)。

四級結構是一個蛋白質中兩條或多條多肽的排列方式。血紅素有四條:兩條各有 141 個胺基酸的 α 鏈,以及兩條各有 146 個的 β 鏈。

四個層級共同賦予蛋白質功能。高溫、極端 pH 或某些化學物質會破壞較高層級的弱鍵,使蛋白質展開而失去功能:這稱為變性。一級結構的肽鍵則會保留。

改變一個胺基酸,摺疊方式就可能改變。在鐮刀型細胞的血紅素中,一個帶電的 R 基被非極性的 R 基取代,蛋白質因此會黏在相鄰的分子上。