目 錄
CHAPTER
1
緒論
張基隆
1
第一節
生物化學的研究領域
5
第二節
生物化學與醫學發展
8
第三節
常見的生物化學技術原理與應用 DNA 分析
10
北方點墨法── RNA 分析 西方點墨法──蛋白質分析 蛋白質的純化與鑑定 單株抗體
26
基因工程
27
16 16
19
生物的無性複製──桃莉羊的複製
CHAPTER
2
水、細胞及生物分子 第一節
水
39
水分子結構
39
水分子功能
40
滲透壓 第二節
第三節
細胞
45 47
細胞的種類
47
細胞的組成
50
生物分子 核酸
58
蛋白質
63
醣類
65
脂質
67
10
58
胡祐甄
37
30
CHAPTER
3
胺基酸與蛋白質 第一節
第二節
黃姿菁
71
組成蛋白質的分子──胺基酸 胺基酸的結構
74
胺基酸的分類
79
胺基酸的縮寫
81
蛋白質的結構
81
蛋白質的一級結構
81
蛋白質的二級結構
83
蛋白質的三級結構
87
蛋白質的四級結構
88
第三節
胺基酸的分解代謝
90
第四節
蛋白質合成
74
98
蛋白質合成工廠
98
參與蛋白質合成之重要關鍵分子
99
胺基酸的活化與蛋白質合成方向
100
反密碼子與密碼子之間的配對 蛋白質合成的開始
104
105
蛋白質合成三階段：起始、延長、 終止
CHAPTER
4
醣類
105
謝寶萱
113
第一節
醣類的分類
115
第二節
醣類的架構
116
單醣的架構
116
雙醣的架構
123
多醣的架構
124
第三節
醣類修飾後的產物
133
第四節
醣類代謝
137
醣解作用
139
丙酮酸代謝 第五節
CHAPTER
5
150
檸檬酸循環與氧化磷酸化 檸檬酸循環
153
氧化磷酸化
164
第六節
五碳醣磷酸代謝路徑
第七節
醣質新生
185
第八節
肝醣代謝
192
脂質
胡祐甄
第一節
脂質生物功能
第二節
脂肪酸的結構與命名
第三節
脂質代謝
153
179
207 209 210
213
脂質的運送
213
脂肪酸代謝──能量 ATP 生成 脂肪酸代謝──脂質合成
228
脂肪酸代謝──酮體合成
236
脂肪酸代謝──膽固醇合成 第四節
生物膜的結構和功能 生物膜的組成
245
膜脂質的結構
247
膜蛋白的種類
248
CHAPTER
6
核酸化學 第一節
249
250
鄭筱翎
核酸的組成
240
245
細胞膜的流體鑲嵌模型 細胞膜的運輸系統
223
257 259
核酸包含 DNA 和 RNA
259
核苷酸是核酸的組成單體
262
核苷酸聚合成為去氧核糖核酸和核糖 核酸 第二節
263
DNA 的結構與功能 DNA 的結構
264
265
有些 DNA 分子是環狀且超螺旋 單股核酸可形成精巧的結構 DNA 儲存遺傳訊息的譯碼
274
274 275
DNA 序列作為模板並藉聚合酶催化 DNA 複製 第三節
277
RNA 的結構與功能 RNA 的結構
278
278
許多類型的 RNA 在基因表現過程中 扮演重要角色
279
所有 RNA 都由 RNA 聚合酶製造
282
RNA 聚合酶依 DNA 模板的密碼指令 來合成 RNA
283
轉錄開始於啟動區並結束於終止區
283
轉移 RNA 可作為合成蛋白質的接合器 第四節
DNA 的複製、修復與重組 DNA 的複製
286
DNA 的修復
298
DNA 的重組
303
第五節
RNA 的轉錄、加工與修飾 RNA 的轉錄
305
RNA 的加工與修飾
索引 英文索引
I-1
中文索引
I-7
316
286
305
285
CHAPTER
4
醣 類 Carbohydrates
114
生物化學概論
1.瞭解醛醣與酮醣的結構差異，區分不對稱碳與差位異構物的醣類。 2.瞭解兩種特定的單醣可以經由糖苷鍵鏈結在一起形成獨特的雙醣分子。 3.瞭解同聚醣（如肝醣、澱粉）與異聚醣（如胜肽聚醣、葡萄糖胺聚醣）的 醣分子組合及鍵結型式，並瞭解這些多醣在生理功能的重要性。 4.瞭解寡醣分子可以修飾蛋白質、脂質形成醣蛋白或是醣脂質，並瞭解特殊 的醣化作用影響細胞的訊息傳遞及誘發免疫反應的重要過程。 5.瞭解醣解作用分為兩大階段，第一階段是準備期，主要是使葡萄糖磷酸化； 第二階段是收成期，產生 ATP 及 NADH。 6.瞭解丙酮酸去氫酶複合體（pyruvate dehydrogenase complex）催化丙酮 酸成乙醯輔酶 A，啟動檸檬酸循環。 7.瞭解五碳醣磷酸代謝路徑分為氧化階段產生核糖 5-磷酸與 NADPH；非氧化 階段則是將核糖 5-磷酸再生成葡萄糖 6-磷酸。 8.瞭解醣質新生的重要性及逆向醣解作用的過程。 9.瞭解肝醣合成與分解酵素催化反應。
第一節
醣類的分類
第二節
醣類的架構 單醣的架構 雙醣的架構 多醣的架構
第三節
醣類修飾後的產物
第四節
醣類代謝 醣解作用 丙酮酸代謝
第五節
檸檬酸循環與氧化磷酸化 檸檬酸循環 氧化磷酸化
第六節
五碳醣磷酸代謝路徑
第七節
醣質新生
第八節
肝醣代謝
CHAPTER
4 醣類
第一節
醣類的分類 Classif ication of Carbohydrates
醣類為一種含多羥基（hydroxyl group）的醛類或酮類所組合成的碳水化 合物，依其水解產物可分為單醣、雙醣、寡醣與多醣，分別說明於下： 單醣（monosaccharides）：為 不 能 再 水 解 的 簡 單 碳 水 化 合 物 ， 通 式 為 Cn(H2O)n，四個碳以上的單醣常會形成環狀結構。六碳醣是自然界最豐 富也是生理上最重要的單醣，並以 D-葡萄糖（D-glucose）（圖 4-1）為單 醣的代表性結構。 雙醣（disaccharides）： 由 2 個 單 醣 分 子 所結合的醣分子，這 2 個單醣 分子以糖苷鍵（glycosidic bond）共價鏈結在一起，如乳糖（lactose）是由 六碳環的葡萄糖與半乳糖結合而成，存在於乳汁當中，詳細介紹請參閱本 章第二節。 寡醣（oligosaccharides）：是由 3 個或是 3 ～ 20 個單醣分子所組成，在 人體的細胞中，寡醣不會單獨存在，而是以和脂質或是蛋白質結合形式存 在細胞中。 多醣（polysaccharides）：由 20 個以上的單醣分子所聚集在一起的大分 子，單醣分子間也是由糖苷鍵鏈結形成，但是其鏈結的型式不同，會衍生 出非常多種不同生物功能的多醣分子，如纖維素（cellulose）為多個直鏈 D-葡萄糖組成；澱粉（starch）的支鏈由多個 D-葡萄糖組成，詳細介紹請 參閱本章第二節。
圖 4-1
D-葡萄糖（D-glucose）結構，為六個碳環狀構型
115
116
生物化學概論
第二節
醣類的架構 Structure of Carbohydrates
一 單醣的架構 單醣的碳骨架為單鏈無分支的形式組成，碳原子與氧原子結合形成雙鏈 結的羰基（carbonyl group），而其他碳原子與氫原子結合形成單鏈結的羥基 （hydroxyl group），當單醣的羰基出現在碳鏈的末端則將此單醣稱為醛醣 （aldose）；而 羰 基 出 現 在 碳 鏈 的 其 他 位 置（非 末 端 處）則 稱 為 酮 醣 （ketose）。3 個碳所組成的三碳醣為最簡單的單醣分子，如甘油醛（醛三 醣，glyceraldehyde）與 雙 羥 基 丙 酮（酮 三 醣，dihydroxyacetone）（圖 4-2），由圖 4-2 中可得知甘油醛具有一個醛基，故稱為醛醣，而雙羥基丙 酮帶有一個酮基，又稱為酮醣。如單醣中含有 4、5、6、7 個碳原子分別稱 為 四 碳 醣、五 碳 醣、六 碳 醣、七碳醣，在這些碳鏈中 有許多羥基參與組成，如屬 於六碳醣的葡萄糖就含有 5 個羥基，在中間的碳原子鏈 結這些羥基形成鏡像中心 （chiral center）或是對掌 中心，也造就自然界上有許 多 醣 類 的 立 體 異 構 物
圖 4-2
三碳醣分子結構：甘油醛（醛三醣）與 雙羥基丙酮（酮三醣）
（stereoisomer）。
醛醣的構造 以最小的醛醣──甘油醛（glyceraldehyde）為例。甘油醛有一個不對稱 碳原子（asymmetric carbon），因此具有光學活性（optically active）並形 成兩種立體異構物，即 D 型式甘油醛與 L 型式甘油醛（圖 4-3），以常見的 Fisher 投影式（Fisher projection formulas）表示，在水平方向為不對稱碳原子 所結合的原子位於前方；垂直方向則是結合於不對稱碳原子的後方，此法可 以清楚簡單的呈現碳分子結構。此外，羥基在不對稱碳原子的右方時，定 義為 D 型式甘油醛（D-glyceraldehyde）；當在左邊時定義為 L 型式甘油醛
CHAPTER
4 醣類
圖 4-3
甘油醛呈現三種立體異構物表示方式（黑色處為醛基位置，而距離醛 基最遠端的不對稱碳中心以灰色表示）。 Fisher 投影式：在水平方向 為不對稱碳原子所結合的原子位於前方；垂直方向則是結合於不對稱碳 原子的後方；透視分子式：實線鍵結面的原子代表此方向結構朝前方， 虛線鍵結面的原子代表遠離不對稱碳原子的後方； 球和棒模式：最能 看出立體結構，如同鏡面一樣呈現彼此相對應的位置
（L-glyceraldehyde），D 型式與 L 型式的立體異構物是不對稱碳原子空間排 列的絕對組態，一般而言，當醣分子有 n 個不對稱碳原子存在時，就會形成 2n 個立體異構物，如六碳醛醣（葡萄糖），有 4 個不對稱碳原子，則會出現 24=16 個立體異構物，包括 8 個 D-葡萄糖及 8 個 L-葡萄糖，而自然界中醣分 子多以 D 型式的異構物存在。例如圖 4-4 以 Fisher 投影式呈現 3 ～ 6 醛醣的 分子結構圖，其中五碳醛醣分子 D-核糖（D-ribose）為組成核糖核酸的醣分 子，D-核糖和 D-阿拉伯糖（D-arabinose）只有在 2 號碳的位置組成相反，其 他碳分子的空間結構是相同的，這種結構稱為差位異構物（epimers）（註）， 又如同 D-半乳糖（D-galactose）和 D-太洛糖（D-talose）也是在 2 號碳的位 置組成相反的差位異構物，而 D-葡萄糖與 D-半乳糖是在 4 號碳的位置組成 相反的差位異構物。
註：兩立體異構物間僅一個不對稱碳中心的位向不同者，稱之為差位異構物（epimers）。
117
118
生物化學概論
圖 4-4
3 ～ 6 個碳原子所組成的醛醣（黑色處為醛基位置，灰色處為不對稱碳中心）。 D-甘油醛（D-glyceraldehyde）為最小的醛醣代表，並衍生出不同碳數的醛醣 分子
酮醣的構造 雙羥基丙酮（dihydroxyacetone）帶有一個酮基，是最簡單的酮醣，圖 4-5 是 3 ～ 6 酮醣的分子結構圖，在命名上酮醣比醛糖多加入「ul」的字母， 可用來和醛醣區分，非常重要的是酮醣比醛醣少一個不對稱碳中心，D-核酮 糖（D-ribulose）和 D-木酮糖（D-xylulose）只有在 3 號碳的位置組成相反，
CHAPTER
4 醣類
圖 4-5
3 ～ 6 個碳原子所組成的酮醣（黑色處為酮基位置，灰色處為不對稱碳中心）。 D-雙羥基丙酮（D-dihydroxyacetone）為最小的酮醣代表，並衍生出不同碳數 的酮醣分子
其他碳分子的空間結構是相同的，是為差位異構物（epimers）的關係，而 D-阿洛酮糖（D-psicose）和 D-果糖（D-fructose）也是在 3 號碳的位置組成 相反，故此兩種酮醣是差位異構物，在自然界中 D-果糖是最豐富的六碳酮醣。
119
120 生物化學概論
環狀結構──吡喃醣、呋喃醣 在圖 4-4 與圖 4-5 中以常見的用直鏈方式呈現 3 ～ 6 個碳原子所組成的 醛醣與酮醣分子，然而，在水溶液中 4 個碳以上的單醣常會形成環狀結構， 此環狀結構是因為羰基和羥基的氧原子形成共價鍵，如同圖 4-6 醛類（或是 酮類）和醇類結合形成半縮醛（hemiacetal）〔或是半縮酮（hemiketal）〕， 此種結構式在能量學上是較為穩定的形式。
圖 4-6
半縮醛（hemiacetal）或是半縮酮（hemiketal）是由醛類 （或是酮類）和醇類結合形成的環化物
以六碳醛醣（D-葡萄糖）為例來說明半縮醛的形成，在圖 4-7 開鏈式的 D-葡萄糖其 1 號碳的醛基會和 5 號碳的羥基形成半縮醛，由於此結構和吡喃 （pyran）類似，故環型六碳醛醣又稱吡喃醣（pyranose），由於碳原子的排列 組態不同，形成 α 與 β 兩種異構物，此異構物型式稱為反構物（anomers） ，這兩種反構物可以互相轉換，稱為變旋作用（mutarotation），且具有相 同的光學性質，不需任何催化劑在常溫下靜置數小時後即可達成平衡，如 D-葡萄糖在平衡狀態下，比例約為 α-D-葡萄糖占 1/3，β-D-葡萄糖占 2/3，而 開鏈式 D-葡萄糖則非常微少。
CHAPTER
4 醣類
類似的情形也出現在圖 4-8 開鏈式的 D-果糖，其中 2 號碳的酮基會和 5 號碳的羥基形成半縮酮，此結構和
喃（furan）類似，又稱為呋喃醣（fur-
anose）。
圖 4-7
環型六碳醛醣（吡喃醣）的形成。5 號碳的羥基會去攻擊 1 號碳的醛基形 成半縮醛，並產生 α 與 β 兩種異構物
圖 4-8
D-果糖（呋喃醣）的形成。5 號碳的羥基會去攻擊 2 號碳的酮基形成半縮 酮，並產生 α 與 β 兩種異構物（此圖只呈現 α 異構物型式）
121
122 生物化學概論
因為環型六碳吡喃醣並非平面結構，所以可以用哈瓦氏透視分子式 （Haworth perspective formulas）來呈現立體化學結構，在圖 4-9 中六碳吡喃 醣分別有椅形（chair form）及船形（boat form）的兩種空間排列組態，由於 椅形結構上的氫原子排列在垂直於平面的方向，產生較小的立體空間障礙， 相較於船形結構原子排列上有較大的立體空間障礙，所以六碳吡喃醣的結構 以椅形構型為主。
圖 4-9
環型六碳吡喃醣的哈瓦氏透視分子式（a 代表與垂直於平面的 方向，e 代表與平行於平面的方向）。a 為氫原子時立體障礙較 小，故椅形結構為六碳吡喃醣的主要結構
醣類化學反應 Chemical Reaction of Carbohydrate 單醣分子在開鏈式的構形中會展現醛基，故可以和氧化劑反應，如銅離 子或是鐵離子，此時葡萄糖會和銅離子（cupric ion）反應成葡萄糖酸（gluconic acid）及亞銅離子（cuprous ion），當葡萄糖和其他醣類可以還原銅離 子或是鐵離子時， 我們將此類醣分子稱為還原醣（reducing sugar），而此 銅離子溶液又稱為斐林溶液（Fehling's solution），可以提供還原醣的定量分 析，相對地，無法進行斐林反應的醣分子則稱為非還原醣。
CHAPTER
4 醣類
二 雙醣的架構 雙醣分子是由 2 個單醣分子經糖苷鍵（glycosidic bond）鏈結在一起的 醣類，糖苷鍵是一個醣分子的羥基和另一個醣分子的半縮醛進行脫水作用形 成，又稱為 O-糖苷鍵，在自然界中最豐富的雙醣為蔗糖、乳糖與麥芽糖， 說明如下（圖 4-10）。 蔗糖（sucrose）：為植物行光合作用的重要中間產物，由葡萄糖的 1 號 碳和果糖 2 號碳經由糖苷鍵結合形成，而此糖的構形則是 α 構形的葡萄糖 結合 β 構形的果糖，並命名為 α-D-葡萄糖（1→2）-β-D-果糖。 乳糖（lactose）：大量存在牛乳中，為半乳糖 1 號碳和葡萄糖的 4 號碳經 β-1,4-糖苷鍵結合在一起，其中的葡萄糖形式在其半縮醛端具有游離的碳 原子，可以進行斐林反應，故乳糖為還原性雙醣。 麥芽糖（maltose）：由 2 個葡萄糖分子經 α-1,4-糖苷鍵鏈結形成，可以經 由麥芽糖酶（maltase）分解成 2 個葡萄糖。
圖 4-10
雙醣──蔗糖、乳糖與麥芽糖，可以觀察到由不同的糖苷鍵將兩種單醣 結合在一起，並呈現碳原子 α 或 β 空間組態
123