生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

細胞與分子 Cell and Molecule  投影片  C1 - C2 - C3

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第三節 討論細胞內的分子,其中最大量的就是水分子;水分子是化學酸鹼度的根本,因為水分子會解離成 H+ 及 OH- 兩種離子,而 H+ 的濃度即為 pH 的定義。我們將重新看水分子的構造,可能會與你以前所知道的水分子,不太一樣。

中間一節 3.2 雖然標明是『細胞的組成分子』,但只是在做一文字整理,並不詳細說明,重要的是要引出第三小節 3.3;各種生物分子之間的聯繫或作用力,都是以次於共價鍵力量的『二級鍵』所引導;請一定要明瞭這些力量的生成原因,及其作用的方式與功能。

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週期表上,可挑出地球上最豐富的幾種原子 – 碳、氫、氧、氮。因為它們的原子量都不大,容易在宇宙生成,因此方便取得應用。另外,兩個較小原子之間的鍵結,原子核的間距較短,會有較強的鍵能,所生成的化合物比較穩固。因此很自然地,地球上的生物便採取了這種以碳氫氧氮為主的組合系統,也是有機化學的主要探討對象。

碳、氮、氧扣除內層的兩個電子後,其外層電子依序是 4, 5, 6,分布在一個 2s 軌道與三個 p 軌道上繞行,依據量子力學的計算,這四個軌道可以平均起來,重新分配成四個相同的混成軌道,稱為 sp3;基本上碳氮氧都可以看作是這種混成軌道,把上述的 4, 5, 6 個外層電子依序放到四個軌道中,因此碳原子每個軌道都含單一電子,氮有一個軌道含有飽和的兩個電子,氧原子則有兩個飽和。若把上面含單一電子的軌道以氫原子填滿,碳可接四個氫,便是 CH4,氮接三個氫成為 NH3,氧接兩個成為 H2O,這些物質可能是早期地球上最豐富的物質。

上面的 sp3 混成軌道並非特例,許多較大的原子也會產生類似的混成,例如比碳大的同行原子矽,也是以 sp3 的混成方式組成氧化矽晶體,並可用電子顯微鏡觀察到,請見本小節的最後一張圖片 (C3-16)。

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除了 與氫原子結合外,碳也可以與其他原子結合,其中若與其他碳原子結合,在所形成的碳長鏈上,再接上其他原子,便可組成多采多姿的各種有機化合物。碳的這種組合特性極為驚人,因為碳有四個含有單一電子的『半空』sp3 軌道,每個軌道都可以接上另一個原子,如此四個方向連綿不斷,可長可短,可簡單可複雜。有機化學便是研究以碳為主角的各種化合物,及其種種反應。

除了碳之外,氮與氧的角色也很重要。當氮或氧原子接到碳的長鏈上去,配合以氫去填滿原子軌道,便可以組成種種官能基。例如,在兩個碳的分子鏈上 (C-C),加上一個氧原子 (C-C-O-),這個氧原子必須再接一個氫 (因為氧有兩個單原子的空軌道),成為 C-C-OH 便得醇基,寫成 CH3-CH2-OH 就是乙醇。如此,若接上氮原子形成 –NH2 的胺基,或者較複雜的 –COOH 酸基。 有一類分子也是以碳原子為中心,碳的四個鍵結分別接上胺基、酸基、氫以及一個任意基團,因為同時含有胺基及酸基,因此稱為胺基酸,可說是建構生物體的基本磚塊。

當兩個原子接在一起時,雙方各出一個電子,形成共用兩個電子的共價鍵。但是,兩個原子核對這兩個共用電子的吸引力並不相同,使得電子在分子上的分佈不很均勻,經常偏向某個原子,就是分子具有『極性』的原因。原子之間,對電子為何有不同的吸引力? 這是因為它們的原子核中,帶正電的質子數目不同所致;例如氧原子在週期表的右側,含有八個質子,因此它比只含有六個質子的碳原子,更能吸引電子 (陰電性很高)。

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一直 談碳原子的重要性,對氧原子有點不公平,因為氧原子與兩個氫組成的水分子,可說是無所不在、無處不入的重要生命分子。 大家不要再以簡單的 H2O 來看水分子,因為水分子的性質,不只是表面的這三個英文及數字而已;而其立體構形,也不只是長得像米老鼠頭型的三個連環泡泡。

不要忘記氧原子也是用 sp3 混成軌道,其外層電子數為 6,因此有兩個軌道是飽和的,電子分配為 2-2-1-1,後面兩個單電子軌道則分別接一氫原子,成為氧化二氫 (H2O)。 這兩個已經飽和的軌道稱為 lone pair electrons (lp),經常被忽視,忘記了它們在水分子性質上的重大影響與貢獻。 這兩對 lp 佔據了水分子相當大的體積,約有一半都被 lp 電子所佔據,形成帶有極強負電的一端。

另一方面,氧與氫的陰電性相差甚大,其共價電子幾乎都被氧原子搶去,兩個氫原子幾乎是以質子裸露在外,因此形成帶有正電的一端。如此的兩個正負極端,使水分子具有很強的極性。可把水分子看成具有四隻腳的模型:兩隻較大,帶負電;兩隻較小,帶正電;兩兩則互相垂直。這樣的分子形態,使得水分子具有極強的『介電常數』,很容易介入一對正負離子之間,並分隔這一對離子,就是『水合作用』的基礎。

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水分子 因為其電子的不均勻分配,具有很強的極性,因此也有很強的介電常數,幾乎是自然界中,介電常數最大的生物分子。比較許多有機分子,可發現越是對稱的分子,或者比較飽和的分子,其介電常數越小,都可以用電子分佈的均勻程度來說明。

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因此,在水溶液中,因為水分子的強大介電能力,使得兩個正負基團之間,無法順利形成離子鍵。若此水溶液中含有鹽類,例如 NaCl,則加劇此一現象:鹽類離子被水合作用溶離出來,所溶出的離子被上述正負基團所吸引,更加阻礙其離子鍵的形成。

右上圖提出一個陷阱:既然鹽類離子 (Na+, Cl-) 會大量被吸附到上述的兩個相對正負基團 (-COO-, -NH3+),則這些離子可聚集成更大的正負聚落,因此可以產生更強的吸引力。 答案當然是錯,但問題在哪裡?

在細胞的水溶液環境中,蛋白質分子間經常要進行專一性的辨認,很多情況都要靠離子鍵的形成,但是如何去避免水分子的干擾? 主要是因蛋白質可以形成固定的構形,此構形使得兩分子間的正負電結合,是處在一個凹陷的口袋中進行;在此種分子形狀的限定下,水分子或離子無法自由進入,穩定的離子鍵便得以形成。

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但是 高中課本常說,離子鍵的能量大約與共價鍵差不多。這是在真空中的測量結果,若在水溶液中,離子鍵只有 3 kcal/mole 鍵能。另一個受到水分子影響的是氫鍵 (見下圖),因為氫鍵是利用氫質子與負電基團間產生的吸引力,水分子很容易介入。

凡得瓦爾力幾乎不受水分子影響,是因為凡得瓦爾力是非極性分子之間,所誘導的短暫微弱吸引力所形成,既然是非極性分子間的把戲,那就不會受到極性分子的影響。

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既然 名為氫鍵,當然一定有氫原子涉入。當氫原子與高陰電性的原子 (例如 N) 組成基團 時 (-N-H),氫的電子會被搶走,露出質子的正電荷;若附近有另一個帶有較強負電性的原子 (:O=),則正負電荷之間會形成類似離子鍵的鍵結 (–N-H…O=),就稱為氫鍵。 如此說來,氫鍵也是離子鍵的一種? 那倒也沒錯,只是一定要以氫原子當作正電荷的來源,而且比真正的離子鍵弱。

上述 –N-H…O= 氫鍵的連線中,若這幾個原子在同一直線,則所形成的氫鍵將是最強的;若因為立體構造的限制,使得三者連線有轉折點,則氫鍵鍵能減弱。這些強強弱弱的氫鍵,在生物的分子構造中,扮演非常重要的角色,以後我們將會提到。其重要性,可能超過你的想像,它決定了生命的複製,組成了活性分子的主要運作力量,甚至是生命泉源的水分子中的主要成份 (下圖)。

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本圖由『時新出版社』重繪

一杯 水中的億萬個水分子,其實都互相以氫鍵連結著,只是這種鍵結非常弱,隨時在斷裂,但也隨時在形成著,只要一般室溫的能量,就可以打斷 (因此在室溫下,水是可流動的液體)。但是,當室溫漸漸下降並接近零度,此時外來能量無法再破壞氫鍵,水分子便以氫鍵搭成一個晶格狀構造,就是凝結成冰的現象。

因此,當我們喝下一杯水,可以想像喝入億萬個氫鍵,會不會覺得活力十足? (因此『能量水』是真的! 哈~哈~)

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本圖由『時新出版社』重繪

水分子 所形成的動態晶格構造,雖然不是固定的,但也有相當的排它性,通常若不能與水產生氫鍵的分子,都會被排斥 (例如非極性的一些飽和碳氫化合物)。若硬是把非極性分子溶入水中,這些非極性分子便會互相聚集在一起,產生另一類吸引力量,稱為疏水鍵。 雖然疏水鍵可說是被水排斥所產生的,但也有積極的吸引力量,因為非極性分子之間,也可以凡得瓦爾力互相吸引。

疏水鍵在生物的水溶性環境中,也扮演很重要的角色。例如細胞膜就是利用脂質的非極性尾巴,兩兩相吸聚合成薄膜。水溶性蛋白質的中央部份,是一個堅實的疏水性核心,使得蛋白質的正確立體構形得以維持。核酸的鹼基對之間,是以疏水性引力,維持 DNA 的雙螺旋構造,以維護遺傳密碼的安全貯藏,不致外露在水溶性環境中,遭受破壞。

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本圖由『時新出版社』重繪

水分子 間的晶格,是一種動態的氫鍵結構,氫鍵可以說是在各水分子間『流動』著,因此一般室溫下的水是液態的。 但是若水溶液中有非極性的分子溶在其中,則一部份水分子會『凝結』在這些非極性分子的外圍,連結成類似籠子的構造 (水籠),把疏水性分子隔離在裡面。

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若要 分類自然界中的所有分子,可以大略分成極性及非極性兩大類。

極性分子上的電子分佈不均勻,導致分子上某些部份的電子密度較大,因而產生偶極性,偶極會有暫時性的微弱正負電荷產生;因此兩個極性分子相遇,可利用其偶極性的微弱正負電荷互相吸引,會產生微弱的親和力。

反之,非極性的分子上,其電子密度分佈較為均勻,因此不容易有偶極產生,事實上非極性分子上不會帶有明顯電荷。非極性的分子,比較喜歡與非極性的分子接近,除了形成凡得瓦爾力之外,也可看作因為無法與極性分子形成氫鍵,被極性分子排斥所造成的。

為何極性分子上的電子密度分佈會較不均勻? 若分子內的任何兩個原子之間,其間的陰電性相差太大,例如 氫 (陰電性 2.1) 與氧 (3.5),則氫原子上的電子會被氧原子所吸引,使得氫氧附近的電子分佈不均勻 (因此 –OH 是個極性基團)。 反之,碳 (2.5) 與氫 (2.1) 之間的陰電性相差較小,因此飽和碳氫化合物都是屬於極性較小的非極性分子 (如 –CH3)。 陰電性是描述一個原子搶電子的能力,陰電性大者容易搶奪其相鄰原子的電子。這與其原子構造有關,在週期表右方的原子,因為其原子核內的質子數相對上越來越多,正電荷較大,因此吸引電子的能力也較大。

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同一 分子內的原子之間是以共價鍵連接,而蛋白質分子之間,很多是靠一些次於共價鍵的微弱二級鍵,作為聯繫兩個分子的力量。 二級鍵的形成,事實上都與電子有關。 離子鍵是正電基團與負電基團間的吸引力;氫鍵是氫的電子被奪而露出質子,與附近原子上的電子產生吸引力;凡得瓦爾力是兩原子間,瞬間電子分佈不均所形成的微弱引力。

二級鍵的能量都很弱,約只有共價鍵的百分之一到千分之一;因此,兩分子間若要以二級鍵形成有效的鍵結,就要增加其總鍵數。二級鍵的好處是,不用費太大的能量就可打斷,因此適合可逆性的分子間作用模式。

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二級鍵 這種微弱的吸引力,對生物分子間的專一性辨識反應,佔有極重要角色。但是因為二級鍵實在太弱了,因此要靠數量來達成足夠的吸引力量,才能有生理意義。

若兩個蛋白質分子之間,要靠二級鍵進行專一性的吸引與結合,則此二分子的結合面之間,其構形要有互補的關係,有點像兩個互補的積木一樣契合。因此兩個結合面間,必須形成無數二級鍵之結合點,以便共同組成足夠份量的吸引力。

為何要以二級鍵作為分子間的結合力量? 主要是因為由二級鍵所造成的吸引力,是一種可逆的過程,也就是說兩個分子在結合之後,可以在某調控條件下,隨時把兩者分開,因而終止因結合所誘導的生理現象。 (結合 → on, 分開 → off)

想像一個柔軟又可自由運動的人體,若全身都是由共價鍵所組成,則此人體每次動作,一定要先打斷一大堆共價鍵,然後在動作完成後,再形成另一堆共價鍵。這種過程勢必耗費極大能量,不切實際。是故細胞內許多大小分子之間的結合,多不是以共價鍵為之,而是使用較弱但數目較多的二級鍵:但是,要形成有效的鍵結,二級鍵必須以量取勝。

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魔鬼氈 可說明兩分子間,以二級鍵作為結合力量的最好例子。

魔鬼氈由兩種不同的表面所構成,其一佈滿小鉤鉤,另一佈滿很多小圈圈;小鉤鉤隨意地去鉤小圈圈,若能鉤上,就形成一個連結點。單一連結點的力量非常小,但若能夠有整面的小鉤與小圈,則其所形成的力量,就足夠讓小朋友穿鞋子不用綁鞋帶。

聽說魔鬼氈的想法是師法植物的種子,有些種子會產生許多小鉤,當人類或者動物經過這些植物的聚落時,就會被種子鉤上,帶到其他地方,然後被拍打後掉下來發芽。

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非常 令人驚訝的照片,居然把 sp3 軌道照了出來,雖然不是碳原子,而是較大一些的矽原子氧化物。當然不可能非常清楚,但是氧化矽的四面體構造可以辨認。原子的電子軌域,是以方程式計算出來的理論,以前的量子化學科學家從沒看過 sp 軌道,乃至混成的 sp3

1999 年又有人以 X-ray 繞射法,解出 Cu2O 晶體中,銅原子的 d 軌道,的確如以前所計算的,有一個大啞鈴,中間加上幾個小啞鈴軌道。

請參考 Nature (1999) 401:49-52 (News & View)。

本網頁最近修訂日期: 2008/02/10