C01

生物化學基礎 (Biochemistry Basics) 總目錄

莊榮輝上課部份包括以上三個基本主題，以及應用這些基礎的 酵素。我們將由生命起源開始，探討最早的分子如何產生，接著又如何演變成生命形式。這可能是一個令人驚嘆的旅程，也可能改變你我的人生觀點。 細胞與分子 一節，可以說是整個生物化學的鳥瞰，對瞭解我們的前世今生，以及探討生命是什麼，有極大的催化作用。另外，以此為基礎，將繼續進入酵素的部份，介紹酵素的基本概念；同時，也有一章簡單介紹 基本核酸 的構造與形質，以便讓同學能夠很快進入分子生物學相關的課題。

我上課的方式，是以幻燈片為主，是依照講義的進度講解，不一定與課本一致，但會儘量提出課堂幻燈片與課本的關連，課後請隨時閱讀課本的內容，以便有更完整的概念。回家後請立刻找出並閱讀相關部份，同時回想上課中幻燈片的內容，儘快寫下自己的心得，這樣的學習才能夠扎實。 課本的題目最好每題都要做過，有興趣更深入的同學，可以再看較進階的課本，建議看 Stryer 的 Biochemistry (5th ed)。本課程的參考書全部列在 Reference 裡，有很多連結，可以進去看看，有些可能會令你相當震撼。

我把所有的投影片都印給同學，並且在每章前面表列出幻燈片的來源並稍加說明文字，有興趣的同學除了可詳細閱讀該頁的圖片與文字外，更鼓勵去找出原來的書籍來閱讀；用 PowerPoint 做的幻燈片都寫有詳細說明文字。 雖然如此，請大家一定要每堂準時來上課聽講，因為上課是一種整體觀念的發揮與攝取，所得到的觀念與你自己看書完全不一樣；可以說是在短短兩個小時內，馬上增加數成的生化功力，是非常重要而有效的。 前一天最好早一點睡覺，早一點來學校，課前喝一杯咖啡，甚或是懸樑刺股，任何有助上課效果的方法都可一試。

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C02

第一章 細胞與分子 (目錄)

這是第一部份的三個主題，都是非常基本的問題與現象。首先以分子的角度說明生命如何開始，產生最原始的細胞；接著跳到今日世界的細胞形式，但不詳細說明；最後看到細胞內的主要成份，水分子與酸鹼度的關係，以及影響生化現象最重要的二級鍵。

生命的源起一節描述如何由大爆炸開始，基本粒子聚集成原子，原子再組成小分子，小分子如何自行組合成大分子，這些巨分子居然會自行複製自己，開始攝取環境的物質來繁衍自己，進而獨霸環境。最早的巨分子可能是 RNA，它以複製分子的機制，形成地球最原始生命的開端 (但還不是生命形式)。

若干分子聚合成最早形式的簡單細胞，經過 漫長 (？) 的演化，細胞越來越複雜，有了細胞核等胞器，功能更為強大，並且集合若干細胞變成多細胞生物，開始有了形象。 這整個細胞的演化過程，我們只大略帶過，但從生物化學的觀點，重點說明三種巨分子在生命演化上的角色。

最後要說明水在這個生物化學世界上的巨大影響，水幾乎無所不在地參與了所有的生化反應，決定了溶液的酸鹼度，組成細胞的大部分。同時各種分子之間的結合，是以一類非常細膩的結合力量來達成，這些力量都極微弱，但卻是構成生命活動的最主要力量。

有關酸鹼度的原理及計算法，各位在分析化學應該已有學過，在下一章胺基酸會再提到。 課本及講義的習題，請儘量做過並與同學討論，建議三五好友組成生化討論會，一起研究上課的內容及問題解答。

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C03

Selfish Gene 自私的基因

Richard Dawkins 的巨著 The Selfish Gene 引起了相當的震撼，因為他明白地指出，人類或萬物只不過是基因利用來繁衍基因自己的一種工具而已；以生物或演化的角度看來，事實上確是如此。基因的所有行為及思考，都是以其自身的傳遞為第一優先。這個概念使得人對自己存在的意義，產生極大的懷疑與恐慌。

更令人驚訝的是，本以為基因繁衍的是 DNA 這種分子，我們出生、成長、及結婚生子、死亡等過程，全在傳遞我們細胞核中的那長條 DNA 分子。但在發現地球上最早的分子可能是 RNA 而非 DNA 後，大家又對所要傳遞的東西是否真的是 DNA，開始感到懷疑。因為假如 RNA 真的是最早的傳遞分子，為何會被 DNA 篡位？

因此，生物所要傳遞的，也許不只是物質上的 DNA 或 RNA 分子，而是其上面的分子序列；也就是說，是 DNA 或 RNA 都不重要，重要的是上面所攜帶的信息。若物質的 DNA 是以一種叫基因 gene 的單位來傳遞，那麼上述這種信息傳遞，也好像可有一種單位，Dawkins 創造了一個新名詞叫做 meme。 Meme 寄生在基因中，以基因為『肉身』把自己一直傳遞下去，而此肉身可以是早期的 RNA，也可以是現在的 DNA。 Meme 的概念事實上無所不在，例如我們到處散佈教條、傳播觀念，我們都要別人聽自己的想法，否定別人的想法，這是微觀的 meme 的鉅觀表現。

各位若有興趣，天下已有本書的翻譯本『自私的基因』 ，可以一讀。

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C04

生命源起整理  (本圖與講義 圖 2 相同)

本圖由最開始的大爆炸，經過原子、分子的形成，到巨分子的產生，以及原始細胞的出現，做一個全面的整理。巨分子的出現，是一件重要的事，而核酸及蛋白質分別負擔兩種不同的任務，核酸是信息的傳遞，以便能夠正確地繁衍下去；蛋白質則依核酸上面的信息製造出來，可以執行有利於核酸繁衍的種種生物功能。 此二者的共同合作，加上一個由脂質所組成的細胞膜，造就了最原始形態的細胞。

到目前沒有任何直接證據可以完全支持以上的說法，通常都是以間接觀察到的現象，去回推地球生命的開端；因此有關生命的起源一直是個很大的爭議，也無法重複生命誕生的實驗。可能的辦法就是時光倒流，回到數十億年前去看早期地球，不過這純屬想像。另一較為可能的方法是，去外星界找一個類似地球的初生行星，觀察它如何產生生命，如何演化，可是這目前也是無法做到。

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C05

第二節 細胞的生物化學觀點

各位同學大多學習過細胞的構造，生化也離不開細胞，因此生化課本不得不再討論一次細胞的各種胞器與功能；但不同的是，這次請完全以 分子的角度 來觀察一個細胞，可以說是細胞的生物化學觀點。事實上，整本生化課本，也是在討論細胞中各種大小分子的構造與行為而已。

以如此角度，可以討論的課題很多，我們提出以上五個較有趣的主題，作為大家的參考。 但現在只能集中在最後一個主題：生物的巨分子，是由基本的小分子單位所連接而成的。細胞內的三大巨分子，均是如此；而其組成並非凌亂地接成長串即可，而是有一定的序列，此序列即造就了生命的基本運作機制。以下將討論這種序列的重要性。

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C06

有規則的序列

在自然界中，雖然物質是趨向最大亂度，但生命卻是以消耗能量來保持其秩序性。就像人類的文字有其排列意義，一棟房屋有其建築藍圖，生命的巨分子也有其排列法則；這種有規則的序列，是生命的最基本條件。事實上，這個序列也是基因所要傳遞的 meme 的根本。

從大爆炸開始，一直都在進行著組合的遊戲：基本粒子組成質子、中子，後者組成各種形形色色的原子，原子組成小分子，小分子再組成巨分子。巨分子因為能夠複製，開始有了繁衍自己的能力；但並非所有的巨分子都能夠有效地複製自己，複製能力差的就要被淘汰。因此，好的序列可以有好的複製能力，也就會成為優勝者。演化的巨大力量，在早期地球的分子世界已經殘酷地開始運作。

若你能瞭解上圖的意義，知道細胞的運作與巨分子的次序都是如此井井有條，那為何我們的生活環境卻是亂七八糟？

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C07

細胞內的三種巨分子

細胞內有三大類巨分子，都是由特定的單位小分子所組成的，回想自從大爆炸開始，整個宇宙都在做組合的遊戲。巨分子核酸由核苷酸單位組成，蛋白質由胺基酸，多糖類由單糖組成；有關它們的詳細構造及性質，會在以後的課程中一一介紹，在此則說明三者的差異。

核酸及蛋白質分子中，其序列的變異性都相當大，而多糖類則較單調；因此前兩種分子，不是帶有信息，就是賦有生物功能，而多糖類則主要只作為能量的貯存之用，或是構造性的生物體建築材料。

以遺傳信息而言，核酸最為神奇，因為它不只可以貯藏，而且還可以複製其所含的遺傳密碼。而核酸所用的基本字母，居然只有四個，然後任取三個字母為一組單字，可以轉譯為胺基酸，進而連接而成蛋白質。這就是生命運轉最重要的一條大道，F. Crick 稱之為 Central Dogma。

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C08

人體細胞核內約有三萬基因

人類的染色體總共約有三萬種基因，存放在 23 條染色體中；這 23 條染色體分別由精子與卵子而來，故一般的體細胞內總共有 46 條染色體。 如此，每一對染色體有兩個相似的染色體，含有對應的基因，互相稱為 同源染色體。 染色體平時是一長條核酸，散佈在細胞核中運作；當細胞準備分裂時，此長條染色體先複製成為兩條，並捲繞成為我們所熟知的染色體模樣 (如上圖 X 型)。

若把細胞核比擬做電腦磁片或光碟，則其中所含的檔案共有三萬個，分別存在 23 個子目錄中。 這 23 個子目錄，每一個都有一個相對應的子目錄，兩者所含的檔案類似，檔名也相同，但內容可能有點不一樣，有時候只會使用其中的一個檔案 (顯性基因)。而這兩套子目錄，是分別由兩個不同的來源 (精子及卵子) 所得到的。

一般體細胞分裂前，46 個子目錄先複製所含的檔案 (上圖右側 X 形染色體)，每個 X 形染色體再由中心分裂成兩半 (X  →  >  +  <  圖中沒有畫出來)，其中的一半移到另一磁片；新的磁片也將含有 46 個子目錄，與原先的磁片沒什麼不同 (因為是複製的)，所以體細胞分裂後，子細胞與原先的細胞相同。 但產生精子或卵子時，在所有檔案複製後，相對應的子目錄之間，會先互換其檔案及其內容；然後上述的每一對對應染色體 (同源染色體)，只能選取其中之一，因此新磁片中的染色體只有 23 條 (只有精子或卵子是如此，稱為減數分裂)。

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C09

DNA → RNA → Protein

地球上的生物，小至病毒、細菌，大至人類、鯨魚、杉木，所有生物的基本運作，都基於 Central Dogma。 因此當動物吃了植物，把植物的核酸、蛋白質、糖類等巨分子分解成小分子，即可馬上被動物吸收利用；而當動物死後，也會被細菌等微細生物分解吸收；事實上在這個大循環裡，誰都沒有佔到太大的便宜。

另外引發了一個問題，就是假如真有外星生命，那構成此外星生命的分子形式將是如何？ 也就是說，他們是否也是以 Central Dogma 來進行生命機制？ 是否也使用 A, T, C, G 四種鹽基？ 也是利用我們所用的二十種胺基酸？ 這些問題目前根本無法明確回答。 但是推論外星人可能使用相同或類似的原子，相信是較為確定的，因為整個宇宙都由週期表上面的原子所構成；但它們所使用原子的種類與組成，則可能與人類有差異，因為不同的星球可能有不同比例的蘊藏元素。

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C10

A T C G

從另一觀點看，不管是病毒或鯨魚或是人類，都是使用相同的四種核苷酸、二十種胺基酸、若干種主要單糖類。各種生命形式間，都是可以互通的；因此各生物間只有複雜與簡單之分，而無所謂善惡，因為能夠歷練演化過程而存活至今者，都是相當奇妙的。

而生物間的相互殘食，也可看成是一種互相依賴的關係，不見得只是無意義的消滅對方；就整個地球看來，並不會因某一物種的壯大或消滅，而有所增減。甚至表面上敵對的雙方，真正卻可能互相有所依賴。例如病毒一向寄生並危害人類，但若人類把所有的病毒一舉消滅，則人類可能在短期內也會漸漸滅亡。因為某些病毒可能刺激人類的免疫系統，幫助誘發人類對環境的抵抗力。

你的人身，也是各種奇妙生命活動的組合，其中蘊藏著所有人類偉大發現的根本原理。一般人並不確知細胞如何運作，但他身上所有的細胞，卻是孜孜不倦地工作著；該呼吸的呼吸，該心跳的心跳，二十四小時維護你的舒適生活，毫無怨言。 因此，我們應該好好感謝身上所有的細胞，並且努力且有意義地活著。

我常常覺得，我們身體上的細胞本能地工作著 (有彼良能)，而我們卻不知道它們的存在與貢獻 (無此良知)。

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C11

第三節 細胞分子

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，前者的濃度即為 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』，但只是在做一回顧整理，並無詳細說明，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，以及其作用的方式與功用。

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C12

Like dissolves like 近朱者赤

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，常常造成分子上某些部份的電子密度較大，因而產生偶極性，偶極會有暫時性的正負電荷產生；因此兩個極性分子相遇，可利用其偶極性的正負電荷互相吸引，會有較大的親和力。

反之，非極性的分子上，其電子密度分佈較為均勻，因此不會有偶極產生，事實上非極性分子上不會帶有任何電荷。非極性的分子，比較喜歡與非極性的分子接近，可以看作因為無法與極性分子接近，被極性分子排斥所造成的非極性間的相互吸引力量。

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。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分子。

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。這是與其原子構造有關，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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C13

各種二級鍵的能量也不同

同一分子內的原子間是以共價鍵連接，而分子與分子之間，則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，與附近的氧或氮原子上的電子產生吸引力；凡得瓦爾力是兩原子間，電子分佈不均所形成的微弱正負引力。

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，因此適合可逆性的作用模式。

想像一個柔軟又可運動的人體，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。

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C14

凡得瓦爾力如何形成

凡得瓦爾力是分子間微弱且短暫的吸引力，多發生在非極性的分子間；雖然極性分子之間也有凡得瓦爾吸引力，但其重要性不若其它二級鍵。

繞在原子最外圍的電子依一定的軌道運轉，而此電子在軌道球體上的分佈通常是均勻的。當兩個原子漸漸接近時，這兩個原子上的電子會相互影響其分佈情形；若其中一個原子的電子分佈，短暫地發生不均勻現象，則會導致暫時的偶極性 (d⁺．d^-)，而這短暫的偶極性馬上誘導另一個原子上的電子，也產生分佈不均的現象，但接觸面的偶極剛好相反 (d⁺．d^-)_a ... (d⁺．d^-)_b。 這兩個相反的偶極，便可以產生極微弱且短暫的吸引力，即稱為凡得瓦爾力。

凡得瓦爾力的存在太短暫，因此很容易就散掉；為了達致最大的凡得瓦爾力，兩個原子核之間，要保持在一最適距離；太近則因電子相斥而減弱，太遠則電子間的吸引力又不夠。這個最適距離，即為該原子的凡得瓦爾半徑。

又因為凡得瓦爾力實在很弱，因此要集合數十個凡得瓦爾力才能發揮作用。兩個巨分子間的接面，若其上的對應原子們，每一對都能保持在凡得瓦爾半徑上，則此二巨分子便可產生相當強的親和力量；這只有當兩個巨分子間的接觸面，剛好成為積木般的互補形狀時，才能達成。這種巨分子間的親和力，造就了非常多的細胞生理特性與功能，極為重要。

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