基礎生物化學 一、水的性質 ※水是生物體中含量最多的分子，下為其特性： 1.水分子具有極性，會與有極性的分子形成氫鍵。 2.水分子間形成氫鍵，因而造成水的比熱、沸點高，及具有表 面張力、內聚力。 3.水有支撐作用 4.水的酸鹼緩衝作用，純水會輕微解離為 H+與 OH-，游離 H+的 可調節水的 pH 值 5.水的比熱很大（帶走熱量） 極性的形成是由於形成鍵結的原子之間電子的不平均分佈，而 分佈的情況是在於鍵結原子的陰電性。 ＃陰電性（電負度）:原子在形成化學鍵時對成鍵電子的吸引 力。F:4.0 O:3.5 H:2.1 ※ pH 值與 Henderson-Hasselbalch 方程式 任何一個化學反應的平衡取決於其平衡常數 Km，對一個一般的化學反應 A + B ↔ C + D ，其平衡常數可 以用平衡時反應物及產物的濃度表示為 K eq =
[C][D] 。 [A][B]
平衡時，水的解離程度很小，在 25℃，純水的每 10-7 個分子只有一個是解離的，水的反應常數是 K eq =
[H ][OH ]。水的 25℃的濃度是 55.5M，因此將 55.5M 帶入平衡常數得到 55.5M× K +
-
[H 2 O]
eq
=H+OH-=Kw
（離子積常數），Keq 大小由導電度 1.8×10-16M 帶入得知H+2=H+OH-=Kw，H+=OH-=10-7M。 Kw 為 pH 值的基本原理，代表濃度在 1.0M H+與 1.0M OH-之間的任意水溶液 H+濃度的簡便方法， pH=log
[ ]
1 = -log H + ，數值大於 7 為鹼性；數值小於 7 者酸性，弱酸及弱鹼都有緩衝作用，他們的滴 + H
[ ]
定曲線可以由 Henderson-Hasselbalch 方程式來描述。 Henderson-Hasselbalch 方程式可以用下面的方式推導
[H ][A ] ，首先解H 得 [H ] = K [HA] ，之後兩邊取負對數得 pH=pK -log [HA] ，將-log [HA] 倒數 [A ] [A ] [HA] [A ] [A ] 並變號得 pH=pK +log Ka =
+
-
+
+
a
-
a
-
-
-
a
[HA]
二、基礎化學 ※異構物 分子的組態常因為鍵結不同的關係而有不同的異構物。結構異構物（structural isomer）為分子鍵結的不同 所形成的異構物，如下左圖的正丁烷及 2-甲基丙烷；幾何異構物（geometric isomer）則為取代基團因在 不可轉動的雙鍵上而形成不同排列的異構物，如下右圖的順 2-丁烯及反 2-丁烯，而有些異構物是在立體 結構上的不同，其碳鏈中具有不對稱碳，及對掌中心（chiral center），有 n 個對掌中心存在則有 2n 個立 體異構物，有些彼此滿足鏡像，稱為鏡像異構物（enantiomer）若一對立體異構物不滿足鏡像則稱為非 鏡像異構物（diastereomer）
在生物的交互作用中（酵素與受質結合、抗體與抗原間）是具有立體專一性的，因此我們必須對這些化 學物質加以命名，因此在鏡像異構物中，生化學家使用 RS 系統，在與碳連接的每一個基團都被賦予先 後順序：OCH2>OH>NH2>COOH>CHO> CH2OH> CH3>H，由優先次序低的基團朝向遠離觀察者的方向，觀 察對掌原子，若優先順序以順時針方式減少為 R 型，逆時針方式為 S 型。
※官能基 官能基在生物的反應上十分重要，時常為反應主要發生的位置，右 表為常見之官能基 ※化學鍵 化學鍵是一個分子原子與原子之間的作用力，共價鍵時常發現於分 子化合物之中，形成鍵結方式為共用電子，例如氯化氫（HCl），二 氧化矽及石墨為網狀共價晶體，網狀共價晶體的熔點較一般分子晶 體高；離子鍵為陽離子與陰離子的結合，鍵能較分子化合物高，常 見於非金屬及金屬原子之間的鍵結，例如氯化鈉（NaCl） ，離子化合 物的液態及水溶液態均可導電，離子化合物的熔點較分子化合物 高，離子化合物均是電解質；金屬鍵是金屬與金屬之間的鍵結，鍵 結建立於不動之金屬陽離子與自由電子形成之電子海；氫鍵是常見於氫與其他非金屬的微弱鍵結，可分 為分子間：水與水之間及分子內：DNA 鹼基對之間；凡得瓦力是短距離形成短暫的分子間作用力。 三、醣化學 碳水化合物是生物中最常見的分子，依大小可以分為三種：單醣、多糖、寡糖。單醣可以依其官能基的 不同分為醛醣及酮醣；寡糖通常為 3-10 單醣組合而成，雙糖是另一類由兩個單醣組合而成的醣類；多唐 則是數以百計甚至是數以千計的單醣組合而成，它們的構型可能是直鏈或是支鏈。 ※ 單醣與雙醣 單醣是無色的結晶體，易溶於水，單醣中若羰基在碳鏈的尾端，此醣為醛醣（aldose） ；若此單醣的羰基 在其他位置，此醣為酮醣（ketose） 。單醣中最簡單的為兩種三探糖：甘油醛及雙羫丙酮。除了雙羫丙酮 外，其他的醣類均有一個或多個不對稱中心，一類為 D 型；一類為 L 型，我們通常利用費雪投射分子式 表示這些異構物，一般來說擁有 n 個對掌中就會有 2n 個異構物。
單醣除了以直鏈形式存在外，還會以環狀的形式存在，以六碳糖來說，根據環化的方式可分為六員環的 吡喃醣（pyrannoses）與五員環的夫喃醣（furanoses） 。哈瓦氏透視分子式最常用觀察醣類的環狀結構，由 哈瓦氏透視分子式可見六碳糖不是平面型，而是椅型。六碳糖除了常見的 α,β 葡萄糖外，在葡萄糖的 取代基上乙醯化或是加一個胺基或是去氧均是常見的六碳糖。
雙糖通常為兩個單醣脫水形成，寡糖則是由多個單醣脫水而成。
※多醣 在自然中常見之多醣類通常為多醣類，可以依其組成分為同多醣：只由一種醣類組成，如澱粉及肝醣； 及異多糖：由 2 種以上的多醣組成，如肽聚醣。
在植物及動物細胞中，最重要的儲存性醣類為肝醣及澱粉，澱粉通常為直鏈之澱粉，是由多個 α 葡萄 糖以 α-1,4-醣苷鍵的方式連接；肝醣又名支鏈澱粉，與澱粉一樣均為多個 α 葡萄糖以 α-1,4-醣苷鍵的 方式連接，但平均 8-12 個 α 葡萄糖就會出現一次以 α-1,6-醣苷鍵連接的支鏈。纖維素及幾丁質是結構 性的同多醣，纖維素是由多個 β 葡萄糖以 β-1,4-醣苷鍵連結而成的，纖維素是植物細胞壁的主要成分， 幾丁質是以 β 鍵結連接多個 N-乙醯胺葡萄糖組成的線性多醣，主要組成節肢動物的外骨骼。玻尿酸、 硫酸軟骨素硫酸角質素均為細胞外基質的組成成分，肝素則為的天然抗凝血物質。 四、脂質化學 脂質是一類不溶於水的化合物，其組成是由醇類及有機酸類脫水聚合而成，脂肪是由甘油（丙三醇）及 脂肪酸脫水聚合而成，脂肪酸可由其碳鏈中是否有雙鍵分為不飽和脂肪酸及飽和脂肪酸，不飽和脂肪酸 為具有雙鍵的脂肪酸，在常溫下為液 態；飽和脂肪酸不具有雙鍵，在常溫 下為固態。
三酸甘油脂為生物中常見之脂肪，功能為儲存能量或是隔離溫度之用；臘為另一形式的脂肪，功能為能 量儲存及防水的功能。甘油磷脂質為細胞膜的主要組成物質，鞘脂類為鞘胺醇的衍生物，為重要的生物 辨識分子，不含甘油而含鞘胺醇的磷脂皆稱為鞘磷脂；中性鞘醣脂又稱腦苷脂，是神經醯胺與單醣分子 以醣苷鍵結合而成；酸性鞘醣脂為最複雜的一類甘油鞘脂又稱神經節苷脂，由神經醯胺與結構複雜的寡 糖組成，神經節苷脂對細胞間的訊息傳導有重要作用，固醇類為細胞膜中保持細胞膜流 動性的結構性脂類，固醇類可以藉由斷側鏈的方式形成各種激素。 五、胺基酸化學 蛋白質是組成生物體主要的分子，而胺基酸為其單體，蛋白質中胺基酸之間的鍵結成為 肽鍵，是由兩個胺基酸脫水聚合而成，常見的胺基酸約有 20 種，這些胺基酸都有共同的 特點，它們具有一個胺基及一個羧基接在特定的碳上，這個碳稱為 α 碳。胺基酸及醣類 均有左旋 L-及右旋 D-的異構物，自然界的胺基酸多是左旋的，DL 系統與 RS 系統是不同的異構式表示 方式。胺基酸可以依其官能基的特性分為極性、芳香族、帶正電（鹼性） 、帶負電（酸性） ，一些非典型 的胺基酸也出現在自然界中，例如像尿素循環中的鳥胺酸，胺基酸因其具有羧基及氨基，故可以因環境 的 pH 值改變其帶電性，因此可以當作緩衝分子。