生物大分子簡介
緒論 1. 細胞為生物的基本構造, 細胞內所含的主要物質為水與含碳的有機化合物 2. 細胞內主要的有機化合物有醣類 脂質 蛋白質與核酸等生物大分子 2. 重要的生物大分子各有其特殊的官能基 特性與構形, 決定了各類生物大分子所扮演的功能
醣類 1. 醣類的定義含多元醇 (-OH) 的醛類或酮類, 或經水解後產生此類化合物的衍生物 2. 大部分的醣類具有分子式 (CH 2 O)n, (n 3) 俗稱碳水化合物 3. 醣類在生物界的分布很廣, 主要的功能如表一 4. 醣類可分為單醣, 寡醣與多醣三大類
表一醣類的生物功能 生物功能燃料分子儲存功能結構功能辨識功能其它 例子葡萄糖澱粉與肝糖纖維寡糖代謝中間產物
單醣 1. 單糖的分類醛醣, 酮醣三碳醣, 四碳醣, 五碳醣, 六碳醣, 七碳醣 - 磷酸化 2. 常見的單糖六碳醣中有葡萄糖, 半乳糖, 果糖與甘露糖五碳醣中有核糖與去氧核糖
醛糖 三碳醣 酮糖 六碳醣 五碳醣
3. 許多單醣分子在水溶液中的構造 以葡萄糖為例 - 可在開鏈式與環式結構間快速互變, 因此在鹼性的 CuSO 4 溶液中, 其醛基或酮基仍具有反應性, 可將 Cu +2 還原成 Cu +, 故一般單醣為還原糖 4. 葡萄糖的立體構形葡萄糖的結構為六元環, 以實際的立體構形表示時有船形或椅形兩種葡萄糖的椅形構形是所有六碳醣中最穩定的構形, 因此自然界中葡萄糖的含量最多
開鏈式構造 葡萄糖 果糖 環式構造
氧化亞銅沉澱 菲林反應 (Fehling s reaction) 葡萄糖氧化酶 血糖或糖尿的測定
椅形 軸位取代基 平位取代基 船形 葡萄糖的立體構造
雙醣與寡醣 1. 雙醣由兩個單醣分子以糖苷鍵結合而成 2. 常見的雙醣有麥芽糖 乳糖與蔗糖, 除蔗糖外均為還原糖 2. 麥芽糖由兩個葡萄糖分子以 α(1 4) 糖苷鍵結合為澱粉的組成單元 3. 乳糖是半乳糖與葡萄糖以 β(1 4) 糖苷鍵結合為乳汁中主要的糖成分 4. 蔗糖由葡萄糖及果糖以 α(1 2) 糖苷鍵連接構成甘蔗與甜菜中含量最多, 是一般食用的糖
還原端 非還原端 乳糖 麥芽糖 蔗糖 ( 非還原糖 ) 常見的雙醣
5. 寡醣通常連接於其他成分形成醣蛋白 醣脂或肽聚醣 6. 寡醣分子通常以不同種類的單醣或單醣衍生物連接而成單醣衍生物 - 醣酸 醣胺 醣酯 去氧醣 - 醣醇 7. 寡醣的多元功能
醣酸 唾液酸 醣胺 醣酯 各種單醣衍生物 (1)
唾液酸 寡醣可作為蛋白質降解的指標 - 偵測醣蛋白上的糖成分 - 肝細胞膜上的 asialoglycoprotein receptor 偵測無唾液酸的蛋白質 唾液酸 唾液酸
醣醇 去氧醣 代糖成分 其他 由植物提煉出可作為強心劑 各種單醣衍生物 (2)
肽聚醣的構造 NAG NAM 革蘭氏陽性菌 革蘭氏陰性菌
多醣 1. 自然界存在的高分子量多醣, 依功能可分為儲存性多醣與結構性多醣 2. 儲存性多醣以植物的澱粉與動物的肝醣為代表兩者均由葡萄糖組成, 又稱聚葡萄糖 3. 澱粉可分直鏈澱粉與支鏈澱粉直鏈澱粉由葡萄糖分子以 α(1 4) 糖苷鍵連接而成 - 為長形直鏈化合物, 形成螺旋狀的立體構造與碘液反應時呈藍色支鏈澱粉含支鏈, 主鏈中的葡萄糖分子以糖苷鍵 α(1 4) 連接, 但支鏈為 α(1 6) 鍵結, 與碘液反應時呈紫紅色
同種類的單醣分子 纖維素 肝糖 不同種類的單醣分子
非還原端 還原端 直鏈澱粉 直鏈澱粉 支鏈澱粉
澱粉中的葡萄糖分子以 α(1 4) 糖苷鍵連接 氫鍵 直鏈澱粉的螺旋狀立體構造, 與碘液反應時呈藍色
4. 肝糖的結構與支鏈澱粉類似, 與碘液作用時亦呈紫紅色 5. 植物 酵母 細菌等亦含有由不同單醣分子 ( 如阿拉伯糖 甘露糖等 ) 所組成的儲存性多醣 6. 結構性多醣中的纖維素, 是植物細胞壁的主要成分也是自然界含量最多的化合物 7. 纖維素也是聚葡萄糖, 但組成的葡萄糖分子間以糖苷鍵 β(1 4) 連接, 人體無法消化利用 8. 纖維素的構造較為展延, 適合擔任結構支撐與保護的角色 9. 甲殼動物外骨骼的幾丁質與動物細胞膜外或細胞間質的黏多醣也是由不同單醣衍生物構成的結構性多醣, 其醣分子間的鍵結多為 β(1 4) 的形式
纖維素中的葡萄糖分子以 β(1 4) 糖苷鍵連接 氫鍵 氫鍵 氫鍵 纖維素的結構較為展延
N- 乙醯葡萄糖胺 甲殼動物外骨骼的幾丁質也是組成的糖分子以 β(1 4) 的鍵結形式連接
醣蛋白 1. 醣蛋白一種以共價鍵與醣分子結合的複合蛋白種類繁多, 分佈廣, 具有多種重要的生理功能所含的醣成份包括各種不同的單糖或單糖衍生物 2. 動物體內, 醣蛋白多存於細胞表面或分泌到細胞外如受體蛋白, 抗體, 激素與水解酵素等 3. 醣成分的功能雖未確立, 但一般認為可能會影響蛋白質的構形 安定性與生物活性, 和胚胎的發育分化, 或細胞的辨識等有關
絲胺酸 (-OH) 天門冬醯胺 (-NH 2 ) 醣蛋白中寡醣與蛋白質連接的方式
低密度脂蛋白受體
蛋白醣 1. 結締組織中的主要聚合物如軟骨醣與肝質醣屬於蛋白醣, 此類成份在各組織細胞間質的基液中分佈極廣, 如在軟骨組織中軟骨醣的含量即可達乾重 40% 之多 2. 有些蛋白醣參與細胞內外的 溝通
軟骨素肝質 ( 肝素 ) 玻尿酸 蛋白醣常見的糖 皮膚素 角質素
不同種類的蛋白醣
肝質 蛋白醣 軟骨素 纖維結合素 膠原蛋白纖維 玻尿酸 角質素 軟骨素
細胞外基質 纖維結合素 軟骨素 肝質 細胞骨架
脂質 1. 脂質不溶於水但溶於有機溶劑其化學成分極不相同但依其功能可歸類如表二 2. 脂質可和醣類或蛋白質結合而形成醣脂質與脂蛋白 3. 脂質分類的方法不同, 依其化學結構可分為含脂肪酸成分的複脂 ( 即可皂化的脂質 ) 與不含脂肪酸的單脂 4. 最常用於純化與分析各類脂質的技術有薄層層析法與氣相層析法等
表二脂質的生物功能 生物功能結構功能運輸功能保護功能儲存功能調節管制功能其它 例子細胞膜的磷脂類血液中的脂蛋白 白蛋白組織器官周圍的三酸甘油脂脂肪組織中的三酸甘油脂膽固醇衍生的激素參與代謝反應的脂溶性維生素
脂肪酸 1. 生物體僅含微量的未酯化游離脂肪酸, 大部分的脂肪酸均是複脂的成分 2. 脂肪酸的區別在於碳鏈的長短與雙鍵的數目及位置, 表三為自然界常見的脂肪酸 3. 生物體中含量最多的是含偶數碳的直鏈脂肪酸棕櫚酸與硬脂酸是最常見的飽和脂肪酸油酸是最常見的不飽和脂肪酸 4. 不飽和脂肪酸的熔點低於相同碳數的飽和脂肪酸雙鍵愈多, 熔點愈低雙鍵的組態為順式 (cis) - 反式脂
表三常見的脂肪酸 常用名稱 結構式 符號 飽和脂肪酸棕櫚酸 CH 3 (CH 2 ) 14 COOH 16:0 硬脂酸 CH 3 (CH 2 ) 16 COOH 18:0 不飽和脂肪酸油酸 CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH 18:1, 9 亞麻油酸 CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 2 (CH 2 ) 6 COOH 18:2, 9,12 次亞麻油酸 CH 3 CH 2 (CH=CHCH 2 ) 3 (CH 2 ) 6 COOH 18:3, 9,12,15 花生四烯酸 CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 4 CH 2 CH 2 COOH 20:4, 5,8,11,14
脂肪酸的構造 不飽和脂肪酸雙鍵組態的影響 飽和脂肪酸 不飽和脂肪酸
商業上植物油經氫化作用會產生反式脂肪酸
5. 脂肪酸的命名通常以含 -COOH 的碳為第 1 個碳原子之後的碳原子依序為 α β 及 γ 碳原子等最後一個含甲基的碳原子稱為 ω 碳原子 6. ω-6 脂肪酸如亞麻油酸 (18:2, 9,12 ) 與花生四烯酸 (20:4, 5,8,11,14 ) 7. ω-3 脂肪酸如次亞麻油酸 (18:3, 9,12,15 ) EPA (20:5, 5,8,11,14,17 ) 與 DHA (22:6, 4,7,10,13,16,19 )
三酸甘油脂 1. 三酸甘油脂 ( 酯 ) 俗稱中性脂, 是動植物體儲存脂質的主要成分, 也是自然界含量最多的脂質 2. 在室溫下為固體的一般稱為脂肪, 為液體者稱為油 3. 三酸甘油脂中, 與甘油酯化的脂肪酸種類與位置可有不同的組合, 因此三酸甘油脂的種類很多
三酸甘油脂的構造 甘油 脂肪酸
三種食物脂質的脂肪酸組成
甘油磷脂類 1. 甘油磷脂含有磷酸基的甘油脂, 為細胞膜結構的主要成分 2. 甘油磷脂分子的構造長鏈涇基組成的非極性尾部構造連接於磷酸基的極性頭部構造為兩性脂類, 此特性是甘油磷脂形成脂雙層結構的分子基礎 3. 甘油磷脂的分類依其極性的頭部分子構造 大小與帶電荷情形加以區分
磷脂質的共同結構 脂肪酸 甘油 非極性尾部構造 極性頭部構造
各類磷脂質 卵磷脂
神經脂類與固醇類 1. 神經脂類由神經胺醇為基本結構所衍生的神經胺醇脂可分神經磷脂類與神經醣脂類 2. 膽固醇主要的動物固醇未酯化的膽固醇是人與動物細胞膜的重要成分, 可調節細胞膜的流動性 3. 血中膽固醇的濃度與動脈硬化等心血管疾病有關
脂肪酸 神經胺醇 神經醯胺 神經胺醇脂由神經胺醇衍生
各類神經脂質 神經醯胺
膽固醇的衍生物 睪固酮 雌二醇 黃體素 膽固醇的結構 可體松 礦物質類固醇 去氧膽酸 皮質類固醇 ( 固醇類消炎藥 ) 膽酸
4. 膽固醇的代謝產物或衍生物具有重要的生理功能 7- 去氫膽固醇是維生素 D 的先驅物膽汁中的膽鹽具促進脂肪乳化與吸收等多項生理功能膽固醇經酵素作用可合成多種固醇類激素 - 影響能量代謝, 礦物質吸收與第二性徵及生殖功能等
蠟與異戊二烯類化合物 1. 蠟長鏈脂肪酸與長鏈一元醇或固醇所形成的固態酯類為皮膚 羽毛 樹葉 果實與昆蟲外殼保護覆被的成分 2. 異戊二烯類化合物由數個異戊二烯單體構成, 又稱萜類植物含有多種帖類, 是各種芳香性揮發油的主要成分 3. 脂溶性維生素 A E 與 K 等亦為異戊二烯類化合物, 與生物的視覺反應 骨骼結構的維持與血液凝固等有關
蠟的組成 蜂蠟的主要成分 -triacontanoylpalmitate
異戊二烯 葉醇 異戊二烯類化合物 維生素 A 茄紅素 鮫鯊烯 羊毛固醇
Q10 其他異戊二烯類化合物
花生四烯酸衍生物 1. 前列腺素 血栓素與白三烯素統稱二十酸物質為花生四烯酸經多種酵素作用而衍生的重要活性物質 2. 前列腺素種類多, 具不同的生理活性大致均有降低血壓與收縮平滑肌的功能 3. 血栓素具促進凝血的活性 4. 白三烯素能促進白血球的活動與聚集
花生四烯酸 非固醇類消炎藥 白三烯素 前列腺素 血栓素 二十酸物質
蛋白質 1. 蛋白質是細胞的主要成份, 約佔總乾重的一半以上蛋白質的重要性可由其所擔任的多種功能得知 ( 表四 ) 2. 蛋白質由 20 種胺基酸構成每種胺基酸的側鏈構造不同 - 有的帶電荷 - 有的為疏水的非極性 - 有的不帶電但具有極性
雙硫鍵 牛胰臟分泌的 RNase 由 124 個胺基酸組成, 含有 4 個雙硫鍵
表四蛋白質的生物功能 生物功能催化功能結構功能運動功能運輸功能防禦保護功能儲存功能調節管制功能其它 例子酵素角蛋白, 膠原蛋白肌紅蛋白, 肌動蛋白血紅素, 肌紅蛋白抗體, 補體, 凝血因子牛奶中的酪蛋白胰島素, 生長激素細菌毒素, 蛇毒蛋白
蛋白質的功能 催化 (~20%) 調節 (14%) 運輸 (5%) 儲存收縮運動結構 (5%) 訊息傳遞保護其他 (5%) 未知功能 (>40%)
側鏈為疏水, 非極性 側鏈為芳香族, 疏水 側鏈帶正電荷 側鏈帶負電荷 側鏈不帶電但具極性 組成蛋白質的 20 種胺基酸構造
3. 蛋白質的分類依其外觀形狀與溶解度 - 可分為球狀蛋白 纖維狀蛋白與膜蛋白大部分功能性蛋白為球狀蛋白依組成分 - 可分為簡單蛋白與複合蛋白
纖維狀蛋白與球狀蛋白 1. 纖維狀蛋白外觀為纖維狀或長條狀擔任結構 支撐或保護的角色 - 如皮膚 韌帶 軟骨 頭髮與蠶絲等所含的蛋白質成分 2. 球狀蛋白外觀為球形擔任功能性角色立體結構緊密, 水分子不易進入, 但外部極性或親水性胺基酸的側鏈可與水接觸或與其他分子產生交互作用
蛋白質的分類 纖維狀蛋白 ( 膠原蛋白 ) 膜蛋白 ( 細菌視紫素 ) 球狀蛋白 ( 肌紅蛋白 )
膜蛋白 1. 膜蛋白在水溶液中的溶解度極低有些鑲嵌於細胞的各種膜構造中, 有些僅附著於膜上 2. 大多數膜蛋白為球狀構造, 在膜構造中形成通道, 控制物質的進出 3. 有些膜蛋白參與外界訊號的傳遞與能量的產生等 4. 由於位於膜構造的環境, 因此膜蛋白的外部多為非極性的胺基酸側鏈
酵素 1. 酵素是已知蛋白質種類中最重要的生物系統中幾乎所有的化學反應 ( 新陳代謝 ) 皆由酵素催化唯有酵素 ( 生物催化劑 ) 的存在, 生命才得以發生與延續
核酸 1. 核酸是由 4 種核苷酸組成的巨大分子聚合物, 正如蛋白質是由 20 種胺基酸組成的巨大分子 2. 核苷酸由含氮鹼基, 五碳醣與磷酸所構成 3. 核酸除了是遺傳物質的儲存形式與參與遺傳訊息的傳遞外, 其組成份尚參與其他重要的代謝反應 ( 表五 )
核酸 (DNA 與 RNA) 為聚核苷酸鏈
嘌呤 核苷酸的構造 嘧啶
為何是五碳醣? G U 互變異構作用是自發突變的基礎?
DNA 與 RNA 間化學組成不同的重要性 (1) RNA DNA
DNA 與 RNA 間化學組成不同的重要性 (2) Deamination 反應 T C U
表五核苷酸與核酸的生物功能 生物功能遺傳物質參與代謝能量傳遞輔酵素的成分訊號分子 例子 DNA 與 RNA 的組成分 GTP 參與蛋白質合成 CTP 參與脂類合成 UTP 參與醣類合成 ATP 參與各需能的合成反應 ATP 為細胞的能量貨幣 ATP 為 NADH 與 FADH 2 的先驅物 camp, cgmp
camp 與 cgmp 的構造
去氧核糖核酸 (DNA) 1. 1868 年 Miescher 開始研究 DNA 2. 直到 1950 年代初期才解出 DNA 的正確結構 3. DNA 分子非常巨大, 不易完整的分離出原核細胞通常僅含一染色體真核細胞含有多條染色體且多半與組織蛋白結合 4. DNA 含有 damp dcmp dcmp 與 dtmp 等 4 種核苷酸各核苷酸間以 3,5 - 磷酸雙酯鍵相連核苷酸中含氮鹼基擔任攜帶遺傳訊息的角色, 五碳糖與磷酸則是 DNA 的結構主體
4. DNA 的構造由 Watson 與 Crick 依據 X 光繞射的研究結果於 1953 年提出, 兩人因此貢獻同獲 1962 年諾貝爾生理及醫學獎 DNA 分子為兩股方向相反的聚核苷酸鏈 - 相互纏繞成的右旋的雙股螺旋, 去氧核糖與磷酸基暴露在外, 攜帶遺傳訊息的鹼基包埋於分子內部, 雙股之間以互補鹼基間的氫鍵相連 (A 與 T 而 G 與 C 配對 ) -Watson 與 Crick 所發現的雙螺旋 DNA 目前稱為 B-DNA 5. 1979 年以人工合成, 具嘌呤嘧啶交替出現 ( 如 GCGCGC) 的核苷酸鏈以左旋的雙股螺旋存在, 稱為 Z-DNA, 一般認為其與基因表現的調控有關
Watson 與 Crick
DNA 的兩股以互補鹼基間的氫鍵相連
Watson 與 Crick 的雙螺旋 DNA (B-DNA)
5. DNA 的一級 二級 三級與四級構造鹼基序列雙股螺旋超螺旋染色體
DNA 超螺旋構造 染色體構造
核糖核酸 (RNA) 1. RNA 分子為單股聚核苷酸鏈, 與 DNA 分子不同 2. RNA 主要有 mrna,rrna 與 trna 三類 mrna 分子為單股構造,rRNA 與 trna 分子內則有不同程度的鹼基配對形成 3. 所有 mrna 的核苷酸只含 A U G C 四種鹼基, 擔任傳遞 DNA 遺傳訊息至蛋白質的角色每一 mrna 分子攜帶一種或數種蛋白質的遺傳密碼, 因此細胞內 mrna 分子的種類最多, 要分離特定的 mrna 分子極為困難
大腸桿菌細胞內的主要 RNA 種類
DNA 複製 轉錄 轉譯 -mrna -trna - Ribosome
4. trna 在蛋白質合成過程中負責攜帶對應於密碼的胺基酸每種胺基酸可有一種或數種 trna 與之相對應 trna 分子的形狀類似苜蓿葉, 有四個具特殊功能的部位 - 胺基酸接合部位 -mrna( 密碼 ) 接合部位 - 核糖體接合部位 - 相關酵素的接合部位 5. rrna 佔 RNA 總重量的 65%, 是核糖體的主要成分之一 6. 近年的研究中發現幾種具有催化功能的 RNA, 打破過去認為生物催化劑都是蛋白質的觀念
Acceptor stem 苜蓿葉 TΨC loop 倒 L 型 D loop Variable loop Anticodon loop trna( 酵母 ) 的二級與三級構造
原核生物 真核生物 核糖體的構造與組成
rrna 的二級與三級構造 真細菌 古細菌 大腸稈菌 16S rrna 酵母
質體 1. 大部分原核細胞與少部分真核細胞, 除染色體外尚含有環狀的小 DNA 分子, 稱為質體 2. 質體經常帶有對抗生素或重金屬產生抗性的基因, 是臨床醫學的一大問題, 但此類質體經改造後可以人工方式嵌入外來基因, 將外來基因隨質體一併送入細胞內被表現, 此類質體稱為基因載體, 對遺傳工程的研究貢獻良多
抗生素抗性基因 1 抗生素抗性基因 2 複製起點 早其被普遍使用的選殖載體 pbr322 的限制酶切割圖
以限制酶切割基因載體 與特定外來 DNA 片段接合