生命科学概论The Chemistry of Life

1、生命科學概論The Chemistry of Life鄭先祐 製作Life Science 20101原子、元素、分子和化合物宇宙所有的東西都是由元素(elements)組成。元素是最簡單而無法用化學的方法再切割的基本物質。原子(atoms)，是元素的最小的不可分割的顆粒。自然界有92種元素，以及約有17種其它合成的元素。兩個或已上的原子組成分子。化合物是兩個或以上的元素組成。Life Science 20102CHNOPSCHNOPS這是六種元素名稱的組合。這六種組成高達99%的生命物質。Carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, phosphorus, and

2、sulfur碳、氫、氮、氧、磷、硫 Life Science 20103原子的構造原子(atom)的假想構造。原子的中央有一個原子核(nucleus)，是由質子(protons)和中子(neutrons)組成。其外圍有電子(electrons)環繞。質子帶正電，中子不帶電，電子是負電。質子和中子，各有1原子單位重；電子重量極輕(約是1/1835)。(Table 3.1)Life Science 20104Isotopes (同位素)同種元素的質子數一樣，但是中子數卻有可能不同。質子數同，但中子數不同，這就是這種元素的同位素。氧元素有8個質子，一般有8個中子，但有些氧元素有9個，或10個，或更多

3、個中子。這些都稱為氧元素的同位素。同位素的化學性質一樣，但其中有些有輻射線(radioactive)。Life Science 20105電子(electrons) 和其行為電子於不同的軌道(orbital)，有不同的能量。(Fig.3.4)氧化(oxidation)，元素的電子減少。這些電子，一般是被氧元素搶走的。還原(reduction)，元素的電子再得回來。2H2 + O2 2H2O (Fig.3.5)Life Science 20106Fig. 3.4 電子可以從低位階上升至高位階，然後再下降至低位階。Life Science 20107Fig. 3.5 On May 6, 1937,

4、 Germany sought to impress the world with its technological achievements, so ti sent the hydrogen-filled zeppelin Hindenburg across the Atlantic to the United States. The hydrogen, perhaps encouraged by a spark, explosively joined with oxygen (to make water). Thirty six people died on the approach t

5、o Lakehurst, New Jersey. Miraculously, 61 people survived.Life Science 20108原子的特質原子的外層電子，若是填滿，則此原子就會inert(惰性)。如：Fig.3.6 Helium(氦)和neon(氖) 都是惰性原子。Life Science 20109原子的特質Fig.3.7 氧原子是活性的，因為其外層只有6個電子。還差兩個電子。Life Science 201010Fig.3.8 鈉原子是活性的，因為其外層只有1個電子。這會傾向於丟掉這個電子。Table 3.3 生命體的元素 原子的特質Life Science 201

6、011Chemical Bonding (化學鍵)離子鍵 (ionic bonds) 如Na+Cl- (Fig.3-9)Life Science 201012離子鍵如Na+Cl- (Fig.3-9)因為水分子有極性，可以將Na+Cl- 分開(Fig.3-10)Life Science 201013covalent bonds(共生鍵)原子的外層電子，彼此分享。Fig.3.11 如 H2O Life Science 201014氫鍵(hydrogen bonds) (Fig / p.37)Life Science 201015Chemical reactions (化學反應)分子與分子間，相互作

7、用產生另外的分子(s)。Energy of activation (活化能)：促使分子反應所需的能量。Enzymes (酵素)：催化劑，可以使分子反應的活化能下降。酵素通常是蛋白質，有active site，其內有 functional groups。(Fig.3.12)Life Science 201016Fig. 3.12 How an enzyme is believed to work.Life Science 201017The molecules of LifeThe magic of carbon碳原子有6個質子和6個電子。內層有2個，剩下4個電子在外層。為要填滿，那就要丟掉這4

8、個，或是再得到4個電子。Fig.3.13 CH4Fig.3.15 ethylene , acetylene , butanep.42，碳亦可形成環狀。(5C 或 6C)Life Science 201018Fig. 3.13 Methane(CH4) is the simplest hydrocarbon.Fig. 3.14 Methane is a common compound of “swamp gas”, which rises from mud.Life Science 201019Fig. 3.15 some of the simpler carbon chains.Life Sc

9、ience 201020Fig. 3.16 Among the longest hydrocarbons are those found in crude oil. Refinement generally involves shortening these huge molecules.Life Science 201021Essay 3.1 Acids and basesAcids (酸) are recognized by their sour taste.An acid is any substance that donated positive hydrogen ions (H+)

10、to a solution.Acids can be considered proton donors.Life Science 201022Bases (鹼) and bufferBases taste bitter and flat.They reduce the amount of H+ in solution.Bases are proton acceptors.OH- is a powerful base.Buffers, acid-base pairs that serve to join with or soak up small amounts of excess acid o

11、r base ions.Life Science 201023Essay 3.1 酸與鹼Life Science 201024水在形成大型生命分子上的角色大型分子是由許多分子單位串連而成。每個分子單位稱為：monomer串連而成的大型分子，則稱為：polymerThe monomers are joined together by dehydration. (脫去原子，形成水分子)若是加水，則是將polymer 分解開，稱為 hydrolysis (水解)。 Fig.3.17 Glucose + fructose sucrose + 水Life Science 201025Fig. 3.17

12、Sucrose is a double sugar composed of both glucose and fructose. Glucose + fructose sucrose + 水Life Science 201026碳水化合物(carbohydrates)Carbohydrates：是 (CH2O)n組成的化合物。一般泛稱 sugars。單一個醣分子稱為：monosaccharide兩個連在一起：disaccharide多個醣分子串連：polysaccharideglycogen (肝醣)： 鍵串連葡萄醣 (多分枝)starch (澱粉)： 鍵串連葡萄醣 (分枝較少)cellulo

13、se (纖維)：鍵串連葡萄醣chin (幾丁質)： 鍵串連葡萄醣(內含有N)Life Science 201027Fig. 3.18 Glucose and fructose are important simple sugars.Life Science 201028Fig. 3.19 環頸雉，如同所有的動物，是以肝醣的型式貯存葡萄糖。Life Science 201029Fig. 3.19 Plants store their glucose in starch granules.Life Science 201030Fig. 3.20 Glycogen and starch. glyco

14、gen (肝醣)： 鍵串連葡萄醣 (多分枝) starch (澱粉)： 鍵串連葡萄醣 (分枝較少) cellulose (纖維)：鍵串連葡萄醣Life Science 201031Fig. 3.21 The hard skin of this cricket is made of a carbohydrate chitin.chitin (幾丁質)： 鍵串連葡萄醣(內含有N)Life Science 201032脂肪(Lipids)Lipids也是 C, H, O組成，但O的量較少，且一般不溶於水。俗稱是：Fats。 每個脂肪分子是由 glycerol (甘油) 和fatty acids (脂

15、肪酸) 組成。甘油是3個碳的分子，也有3個OH group。每個OH都可以接上脂肪酸。脂防酸分子的碳都加滿氫原子，稱為 saturated (飽合)脂肪酸。 unsaturatedFig. 3.22Life Science 201033Fig. 3.23 A fat molecules is composed of a glycerol molecule joined to fatty acids.Life Science 201034Fig. 3.24 Saturated and unsaturated fats.Life Science 201035脂肪類的分子動物脂肪酸，通常是飽合的，於

16、常溫是固體。 (ref. Fig.3.24 / p.47)植物的脂肪酸，通常是非飽合，室溫下是液体，因此俗稱為oils(油)。Waxes(蠟質)：是由長鍊的飽合脂肪酸組成，外加長鍊的醛分子或環狀碳分子。Phosholipids(磷脂)：甘油的第3個碳加上有P的分子。Steroids(固醇類)：是由6C和5C環分子組成 (Fig.3.25) cholesterol (膽固醇) testosterone (睪丸固醇) (essay 3.2/p.49) 健康問題Life Science 201036Fig. 3.25 Two steroids. All steroids are composed o

17、f four basic interlocking rings, but a variety of side groups may be attached to those rings.膽固醇睪丸固醇Life Science 201037Essay 3.2 類固醇：冠軍者的藥物Life Science 201038Essay 3.2 類固醇：冠軍者的藥物1988年漢城奧林匹克運動大會，加拿大籍的 Ben Johnson 破百公尺賽跑紀錄，拿到冠軍。但3天後，Johnson的尿液被檢驗出含有微量的 stanozolol (合成的類固醇)。因而，被取消冠軍。類固醇於1950s，蘇聯的舉重選手即使用

18、，以增加肌肉的發展。類固醇可以讓肌肉在運動後，快速恢復，因此可以忍受嚴厲的訓練。Life Science 201039類固醇的健康問題醫學研究發現類固醇有許多嚴重的副作用，包括：肝癌、心臟病和腎臟傷害。另外，也會造成男性化(masculinization) ，對女性特別顯著。另一方面，於男性，過量的類固醇也會造成本體的雄性荷爾蒙停產，而變成有大breasts和萎縮的testes。類固醇於運動員，被禁用。Life Science 201040蛋白質的構造蛋白質是大型分子，由許多個氨基酸分子(Fig.3.26)串連而成。Life Science 201041氨基酸氨基酸分子，主體有2個group：

19、amino group (NH2) 和 acid group (COOH)Life Science 201042多達300個氨基酸分子串連在一起，通稱為：polypeptides ，也就是俗稱蛋白質。Peptides，是比蛋白質小的分子。多個peptides形成 polypeptide。Fig. 3.27 The carboxyl group of one amino acid can joint with the amine group of the next amino acid by each contributing to the formation of water.Life Sci

20、ence 201043蛋白質的構造(Fig.3.28)氨基酸串連的排列決定蛋白質的一次結構(primary structure)。二次(secondary)結構是因為串連的氨基酸，相互有氫鍵的吸引而形成。三次(tertiary)結構是串連的氨基酸鍊轉彎環繞而成。多個三次結構體結合，就成四次(quaternary)結構。如：血紅素 (4個組成)Life Science 201044Fig. 3.28 Levels of protein structure (1) Proteins can be described first according to their primary structure.Life Science 201045Fig. 3.28 (2) Their secondary structure describes how this long molecule spirals or folds along its length.Life