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Macromolecules

Macromolecules 是一種大分子,通常由很多小單位重複的組成,這些小單位叫作 monomers。這些 macromolecules 大多是用 dehydration synthesis reactions 來組合而成,而有時會需要 hydrolysis reaction 來拆解。常見的 macromolecules 包括 carbohydrates、lipids、nucleic acids 和 proteins,且每個 macromolecule 都有提供不同功能的特性與結構。

Introduction

  • 人類是由一堆 large biological molecules 組合而成
  • 更可以將人類看成由 4 major types of large biological molecules 組成
    • carbohydrates (such as sugars)
    • lipids (such as fats)
    • proteins
    • nucleic acids (such as DNA and RNA)
  • 這些 large biological molecules 在生物中處理非常多的工作
    • carbohydrates : store fuel, energy
    • lipids : key structure components of cell membranes
    • nucleic acids : store, transfer hereditary information (instruction for making proteins)
    • proteins : 最多功能性
      • structural support
      • carry out specific jobs in a cell, such as catalyzing metabolic reactions, receive or transfer signals

Monomers and polymers

  • 這些大多數的 large biological molecules 都是 polymers (視為 necklaces, series of beads)
  • Polymers 又是由很多小單位重複的組成,這些小單位叫作 monomers (視為 beads)
  • Carbohydrates, nucleic acids, proteins 這三類通常在自然中為 long polymers
    • 這三種又會被稱作 macromolecules (marco- : big, large, huge)
  • Lipids 則是四個裡面最小的,甚至不會是一個 polymer
    • 有的時候 lipids 不會被考慮在 macromolecules 中
    • 但很多時候還是會稱這四個 large biological molecules 為 "macromolecule" (more loosely)
備註

只要記得 lipids 也是 large biological molecules 的一員,但只是他不常形成 polymers

Dehydration synthesis

  • 這些 large biological molecules 通常透過 dehydration synthesis reaction 聚集起來
    • 也就是 monomers 之間會透過 covalent bond 起來,且過程中會釋放水分子
    • 這也是為什麼叫作 dehydration
Dehydration Synthesis
Dehydration Synthesis
  • 例如上圖的 dehydration synthesis reaction
    • 可以看到 2 個 sugar glucose 組合成 1 個 sugar maltose + 水分子
    • 其中一個 glucose 損失一個 H,另一個損失一個 OH group
    • 失去的兩個東西 (H 和 OH) 用 covalent bond 的形式組合成水分子
  • 其他的 monomers 也用這個方式合成,最後就形成越來越長的 polymer
  • polymers 雖然單純重複 monomer 組成,但可以有非常多的 shape, composition
    • composition, sequence 的不同會影響 function
    • carbohydrates, nucleic acids, proteins 都能有非常多不同類型的 monomers
      • 例如 DNA 有 4 種 nucleotide monomers
      • proteins 有 20 種 amino acid monomers
  • 單一種類的 monomer 也可以組成不同的 polymers (當然就擁有不同 properties)
    • 例如 starch, glycogen, cellulose 都是由 glucose monomers 組成的 carbohydrates
    • 但都有不同的 bonding 和 branching patterns

Hydrolysis

  • polymers 有時需要被轉換回 monomers
    • 例如身體會回收 molecule 來重新 build 其他的 molecule
  • polymers 會透過 hydrolysis reaction分解成 monomers
    • 也就是原本組合 monomers 的 bond 會被水分子斷開
  • 在 hydrolysis reaction 當中,原本的組成分子會被一分為二
    • 其中一個 molecule 得到 hydrogen atom (H)(\text{H})
    • 另一個 molecule 則得到 hydroxyl (-OH)(\text{-OH}) group
    • H 和 -OH 兩者都是從 dehydration synthesis 產生的水分子而來
    • 所以 hydrolysis 其實就是 dehydration synthesis 的逆反應
  • 這些被轉換回的 monomer 可以重組成新的 polymer
    • 例如下圖中水分子把 maltose 拆成 2 個 glucose monomers
    • 這是原先上圖那個 dehydration synthesis 的 reverse
Hydrolysis Reaction
Hydrolysis Reaction
  • Dehydration synthesis reactions 需要能量來組合 molecules
  • Hydrolysis reactions 則是把 molecules 拆解並釋放能量
  • Carbohydrates, proteins, nucleic acids 就是透過這些 reactions 不斷建立又拆解,儘管他們的 monomers 都是不同的
備註
  • 在 cell 中的 nucleic acids 實際是不會用 dehydration synthesis 來合成
  • 有些種類的 lipids 也會使用 dehydration synthesis 來合成,儘管 lipids 不是 polymers

Enzymes

  • 身體中的 enzymes 通常會加速 (catalyze) dehydration synthesis 和 hydrolysis 兩種反應
  • 而破壞 bond 的 enzymes 通常命名的結尾會有 -ase
    • 例如 maltase enzyme 用來分解 maltose
    • lipases 用來分解 lipids
    • peptidases 用來分解 proteins
  • enzymes 可以分解任何 large biological molecules
    • 將物質釋放成 small building blocks 供身體吸收及使用

Carbohydrates

  • 一些 carbohydrates 以 sugar 型態現身,提供吃的人 fuel source
  • 一些 carbohydrates 則是 fiber 型態,例如 cellulose polymers 提供細胞壁結構
  • 大多 carbohydrates 是 starch 型態,是一連串連結的 glucose molecules (儲存能量)
    • 當吃下薯條時,我們消化道的 enzymes 就是在這串 glucose 上將他們切斷成一個一個的 sugar,讓 cell 可以使用

Monosaccharides

  • monosaccharide (mono- = one, sacchar- = sugar) 是單醣
    • 最常見的是 glucose
    • formula 是 (CH2O)n(\text{CH}_2\text{O})_n,通常有 3 到 7 個 carbon atoms
    • monosaccharide 中的 oxygen atom 會出現在兩個地方
      • hydroxyl (OH)(\text{OH}) group
      • carbonyl (C=O)(\text{C}=\text{O}) group,這個 group 的位置會改變糖的種類
        • 若 carbonyl 包在 aldehyde group (在最後 chain),那這個糖就是 aldose (醛糖)
        • 若 carbonyl 被包在兩個 C 中間 (不在最後 chain),就會形成 ketone group,而成為 ketose (酮糖)
      • 另外糖的名字還可以依照 carbon 數量命名,例如 trioses (3 carbons)、pentoses (5 carbons)、hexoses (6 carbons)
Monosaccharides
Monosaccharides

Glucose

  • glucose 是 monosaccharide 重要的一員,有 6 個 carbon 寫作 C6H12O6\text{C}_6\text{H}_12\text{O}_6
    • 另外常見的 monosaccharides 還有 galactose (半乳糖), fructose (果糖)
    • 但它們三個的 formula 都一模一樣 (C6H12O6\text{C}_6\text{H}_12\text{O}_6)
    • 所以他們是 isomers
Monosaccharide Isomers
Monosaccharide Isomers
  • Fructose 和 glucose 是 structural isomer
  • Galactose 和 glucose 則是 stereoisomers
  • 這些小細節都足夠告訴 enzymes 來取得正確要使用的糖來進行 chemical reactions

Ring forms of sugars

  • 除了上面三種 linear chain 的糖,其他還有很多 ring-shaped 的糖
    • 有些 5, 6 carbons 的糖可以存在 linear 以及 ring-shaped
  • 這些型態都能達到 equilibrium,但 ring 才是最好達到的型態 (特別是在水中)
    • glucose 有 99% 都是以 6 carbon ring form 存在 solution 中
  • Glucose 在 6 個 carbon ring 還會有兩種型態
    • alpha form
      • 當 carbonyl 轉成 hydroxyl group 在 ring 之上時 (跟 CH2OH\text{CH}_2\text{OH} 同邊)
    • beta form
      • 同樣當 carbonyl 轉成 hydroxyl 並在 ring 之下時
Ring Glucose Two Forms
Ring Glucose Two Forms

Disaccharides

  • disaccharide (di- = two) 是雙醣
    • 是兩個 monosaccharides 透過 dehydration synthesis (condensation reaction) 結合在一起的
    • 其中一邊的 hydroxyl group 和另一邊的 hydrogen 結合
    • 釋放出水分子後形成了 glycosidic linkage (covalent bond)
  • 例如下方是一個 glucose 和 fructose 兩個 monomers 組合的情況
    • 透過 dehydration 形成 sucrose (table sugar,蔗糖)
Glucose and Fructose Combine to Form Sucrose
Glucose and Fructose Combine to Form Sucrose
  • 結合時 monosaccharide 中 carbon 的位置非常重要
    • 我們從離 carbonyl group 最近的 carbon 開始從 1 標號碼
    • 可以看到 glucose 的 1 carbon 和 fructose 的 2 carbon 連結在一起
    • 這個 bond 就是一個 1-2 glycosidic linkage
  • 常見的 disaccharide 有 lactose (乳糖), maltose (麥芽糖), sucrose (蔗糖)
    • lactose = glucose + galactose
    • maltose = 2 * glucose
    • sucrose = glucose + fructose
Main Disaccharides
Main Disaccharides

Polysaccharides

  • 大量的 monosaccharides 透過 glycosidic bond 連結起來就是 polysaccharides (多醣)
    • chain 可以是 branched 或是 unbranched
    • 可以包含各種類型的 monosaccharides
    • 常見的 polysaccharides 有
      • Starch (澱粉), glycogen (肝糖), cellulose (纖維素), chitin (甲殼素)
      • 都是對生物非常重要的多醣

Storage polysaccharides

Plants
  • Starch 是植物中糖的 stored form
    • 由 2 個 polysaccharides (amylose + amylopectin) 組成
      • 2 個都是由 glucose 組成的 polymers
    • 植物透過光合作用產生大量的 glucose 來維生
      • 還沒使用到的 glucose 就會轉成 starch 形式儲存在 roots 或 seeds
        • 在 seed 中的 starch 提供胚胎養分,或是成為動物的食物
        • 動物再透過 digestive enzymes 來分解 starch 成為 glucose monomers 吸收
  • 在 starch 中,glocose monomers 都是 alpha form
    • hydroxyl group of carbon 1 sticking down below the ring
  • 而且 connect 的方式多為 1-4 glycosidic linkage
    • 舉例來說
      • Amylose 由 linear chain 的 glucose 組成,連接方式是 1-4 glycosidic linkage
      • Amylopectin 是 branched polysaccharide,連接方式大部分是 1-4 glycosidic linkage,有一些是 1-6 linkage 在 branch 處
Humans
  • Glycogen 是人類中糖的 stored form
    • 跟植物一樣,也是由 glucose monomers 組成的 polymer
    • 甚至比 amylopectin 還要多 branches
  • 通常 glycogen 儲存於 liver, muscle cells
    • 當血液中的 glucose level 下降
      • glycogen 就會透過 hydrolysis 分解,然後釋放 glucose 到血液中

Structural polysaccharides

  • polysaccharides 除了當作能量來源,另一個重要用途就是作為 structure
    • 例如 Cellulose 用於植物的 cell walls,負責包圍細胞
      • 樹和紙都是由 cellulose 組成
      • cellulose 由大量的 glucose monomers 透過 unbranched chains 由 1-4 glycosidic bonds 組成
Cellulose Structure
Cellulose Structure
  • cellulose 中的 glucose 則是 beta form
    • 可以看到上圖每一個 glucose 都和鄰居成上下顛倒的情況
    • 這讓 cellulose 的形狀是 long, straight, non-helical chains
  • 這些 chain clusters 中每個的 hydroxyl group 再透過 hydrogen bonds 連結
    • 所有的特性讓 cellulose 非常 rigid,且有高度 tensile,適合作為細胞壁
  • cellulose 中的 beta glycosidic linkages 是人類的 digestive enzymes 所無法分解的東西 (所以人類無法消化 cellulose)
    • 但是有一些草食動物,例如 cow, koala, buffalo, horse
    • 體內有一些特別的 microbes 幫助他們處理 cellulose
    • 這些 microbes 生存在動物的消化道,把 cellulose 分解成 glucose monomers 供動物使用
Chitin
  • 某些昆蟲有 hard external skeleton 稱作 exoskeleton (外骨骼)
    • 是為了保護他們較脆弱的內部身體而存在
    • 這些 exoskeleton 由 macromolecule chitin 組成
    • 結構跟 cellulose 很像,但是 glucose 和 nitrogen-contained 的 functional group 組合在一起

Lipids

  • 我們都以為 fat 是對身體很不好的東西,但實際上是生物中非常重要的角色
    • 近年的研究甚至發現 sugar 可能比 fat 帶來更多的健康問題
  • Fat 由 1 個衣架形狀的 molecule 稱作 glycerol (丙三醇又稱甘油)
    • 和 3 個 long hydrocarbon tails (fatty acids,脂肪酸) 組合在一起
  • Fats 只是 Lipid 的一種
    • 因為 lipids 多由 hydrocarbon chains 所組成,所以是特別不會溶於水的 molecules (hydrophobic, nonpolar)
    • Lipids 可以有多種功用,例如 :
      • store energy (long-term)
      • insulation (cell membranes)
      • water-repellent (on leaves)
      • building blocks for hormones (testosterone)
    • 甚至有很多維他命是 fat-soluble,表示他們只能跟 fat molecules 作用,才被人體吸收
    • 以下我們先針對幾種常見的 lipids 來介紹
      • fats, oils, waxes, phospholipids (磷脂), steroids (類固醇)

Fats and Oils

  • Fat molecule 包含兩大部分
    • glycerol backbone
      • 包含 3 個 hydroxyl (OH) groups
    • three fatty acid tails
      • 每個由 12 至 18 個 carbon 組成 hydrocarbon 分別連結至 hydroxyl group
      • 還是有少如 4 個 carbon 或多如 36 個 carbon
Triglyceride Form
Triglyceride Form
  • glycerol 的 hydroxyl 將會與 fatty acids 的 carboxyl 進行 dehydration synthesis 合成
  • 所以 glycerol backbone 會以 ester linkage 和 3 個 fatty acid tails 連結起來
    • ester linkage : oxygen atom next to a carbonyl (C=O)(\text{C}=\text{O}) group
  • 所形成的 fat molecules 可以稱作 triglycerides (三酸甘油酯)
    • triglycerides 可能會有 3 個完全相同的 fatty acid tails
    • 也可能會有 3 個完全不同的 fatty acid tails (diff length, diff patterns of double bonds)
  • Triglycerides 又可以稱作 triacylglycerols
  • Triglycerides 主要儲存於一些特別的 fat cells,稱作 adipocytes (脂肪細胞)
    • adipocytes 會組成常見的 adipose tissue
  • 有些不存在 fat 的 fatty acids 自己在人體中游移,這些也可當作 lipids

Saturated and unsaturated fatty acids

  • 3 個 fatty acid chains 可以有不同的長度,而裡面的架構又會改變 degree of unsaturation
    • 當 carbon 之間都是 single bond 的時候,這個 fatty acid 是 saturated
      • 指的是跟 hydrogen 互相飽和 (saturated)
      • 所有 hydrogen 都盡可能 attach 到 carbon skeleton
    • 當 carbon 之間有出現 double bond 的時候,這個 fatty acid 就是 unsaturated
      • 如果又只有一個 double bond,那就是 monounsaturated
      • 如果有多個 double bond,那就是 polyunsaturated
      • 這些 double bond 又可以有 cistrans configuration
        • Cis configuration
          • Bond 兩邊的 hydrogens 在同一側
          • 使得 fatty acid 產生 kink, bend
        • Trans configuration
          • Bond 兩邊的 hydrogens 在不同側
          • 使得 fatty acid 是 linear
Fatty Acid Unsaturated
Fatty Acid Unsaturated
  • Saturated fatty acid tails 是直的,所以該 fat molecules 能夠非常緊密的包在一起
    • Pack tightly against one another
    • 所以在室溫時會是固體 (high melting point)
    • 例如一些 butter 就是 saturated fats
  • Cis-unsaturated fatty acid tails 則是彎的,這讓 fat molecules 無法緊密包在一起
    • 所以在室溫時會是液體 (low melting point)
    • 例如一些常見的 oils 就是 cis-unsaturated fats

Trans fats

  • 上面我們少講了 trans-unsaturated fatty acid tails (或稱 trans fat, 反式脂肪)
    • Trans fats 在自然界非常稀有,但卻被工業中使用 partial hydrogenation 方式大量生產
      • hydrogenation 意思是氫化,也就是灌入 hydrogen gas
      • 通常會灌入 cis-unsaturated fats
      • 試著讓那些 double bond 變回 single bond,也就是嘗試得到 saturated 的特性 (室溫固態)
      • 但是卻出現一些副作用,例如 cis double bonds 變成 trans double bonds
      • 常見的 trans fats 在室溫中是固體,例如大部分的 shortening, creamer
  • 看起來 partial hydrogenation 和 trans fat 表面上帶來的好處有
    • 用 oil-like prices 就得到 butter-like substance
  • 但實際上 trans fats 對人體有非常不好的影響
    • 與 coronary heart disease 有非常大的正關聯性

Omega fatty acids

  • omega-3, omega-6 fatty acids 也是值得一提的 fatty acids
  • 這兩種 fatty acids 又有非常多種形態
    • 但 omega-3 主要架構是 alpha-linolenic acid (ALA)
    • 而 omega-6 主要架構是 linoleic acid (LA)
  • 人體非常需要這兩種 fatty acids 但卻無法生成 ALA, LA 這兩種 essential fatty acids
    • 只好從飲食取得,例如 fish (salmon), seeds (chia, flax)
Omega Fatty Acids
Omega Fatty Acids
  • omega fatty acids 都含有至少 2 個以上的 cis-unsaturated bonds
    • 所以都是 curved 形狀,例如上圖的 ALA
  • 這些 omega fatty acids 都扮演非常重要的角色
    • 例如作為合成重要 signaling molecules 的 precursors
      • 幫助調節 inflammation, mood
    • Omega-3 fatty acids 減少 heart attack 這種瞬間死亡疾病的機率
    • 或是減少血液中的 triglycerides、降低血壓、減少血栓形成

Waxes

  • Waxes 是另一種重要的 lipids
  • 常見在一些水棲鳥類的羽翼上、或是一些植物的葉面上
    • Waxes 用了 lipid 中 hydrophobic (water-repelling) 的特性來防水
  • Waxes 通常由 long fatty acid chains 和 alcohols 透過 ester linkages 組成
    • ester linkage : oxygen atom next to a carbonyl (C=O)(\text{C}=\text{O}) group

Phospholipids

  • 細胞中有 plasma membrane 來防止 cytosol (細胞液) 溢出
    • 這些 plasma membrane 的主要成分就是 phospholipids (磷脂)
  • phospholipids 組成方法跟 fat 非常像,只是他只有 2 個 fatty acid tails
  • 而 glycerol backbone 的第三個 carbon 則跟 phosphate group 組成
    • 這個 phosphate group 又可以有不同的 modifiers 得到不同的屬性
      • 例如 choline (nitrogen-containing compound)
      • 例如 serine (an amino acid)
Phospholipids in Membrane
Phospholipids in Membrane
  • phospholipids 是一種 amphipathic 的 molecule
    • amphipathic 代表一半 hydrophobic 一半 hydrophilic
    • phosphate 部分是 hydrophilic
    • fatty acids 部分是 hydrophobic
  • Membrane 的架構就是由 phospholipids 組成的 bilayer
    • 其中 phosphate 面向水的一方,而 tails 則面向內部
    • 這個架構讓 tails 不會碰到水,得到 low-energy, stable arrangement
備註

如果將 phospholipids 放到水中,會形成一個 sphere-shaped 的架構稱作 micelle >

Micelle
Micelle

Steroids

  • steroids 是另一個重要的 lipids,它的特徵就是 4 個 fused rings
    • 雖然和其他 lipids 的架構幾乎不同,但他依然是 hydrophobic 以及 insoluble in water
  • 有些 steroids (例如 cholesterol, 膽固醇) 會有一些 short tail
  • 很多 steroids 會有 -OH functional group 出現在特定的地方
    • 這類有 -OH 的 steroids 也會被認定為 alcohols,稱作 sterols
Cholesterol
Cholesterol
  • Cholesterol 是最常見的 steroid,主要在肝產生
    • 是很多 steroid hormones 的 precursor
      • 例如 testosterone (睪酮), estradiol (雌二醇)
    • 也是其他重要 molecules 的 precursor
      • 例如 vitamin D, bile acids (膽汁酸)
      • 用於從飲食中消化脂肪利用
    • 或是重要的 membranes component
  • 血液中也會出現 cholesterol
    • 可以有正面影響
      • 例如在其 HDL form 可以保護人體
    • 也可以有反面影響
      • 在其 LDL form 可以傷害心血管健康

Nucleic acids

  • DNA 持有從雙親繼承下來的遺傳資訊,提供一些關鍵的 instructions
    • 例如要在何時、如何產生 proteins 來幫助建立 functioning cells, tissues, organisms
    • DNA 是如何將這些資訊帶入 cells, organisms 的 ?
      • 其實非常複雜、甚至 mind-blowing
      • 會在之後的 molecular biology 章節講到
    • 這邊先從 macromolecule 的角度簡單介紹 nucleic acids

Roles of DNA and RNA in cells

  • Nucleic acids 主要是由多個 nucleotides 所組成的,主要有兩種類型
    • deoxyribonucleic acid (DNA)
      • DNA 是所有 living organism (單細胞細菌到多細胞生物) 的遺傳物質
    • ribonucleic acid (RNA)
      • RNA 則是某些病毒 (but technically not alive) 的遺傳物質

DNA in cells

  • 為什麼 DNA 的名字中有 nucleic ?
    • 因為 DNA 會在細胞核中被發現
      • 例如 eukaryotes (真核生物,動物或植物) 的 DNA 可以在 nucleus 找到
        • nucleus 通常在 membrane-bound cell 之中
        • 或是在一些 organelles 中 (mitochondria, chloroplasts of plants)
      • 或是 prokaryotes (原核生物,細菌) 的 DNA 可以在 nucleoid 找到
        • nucleoid 則是沒有任何 membrane 保護
  • eukaryotes 的 DNA 通常拆分成又長又直的單位,稱作 chromosomes (染色體)
  • prokaryotes 的 DNA 通常就拆成比較小,而且又是 ring-shaped 的 chromosomes
  • chromosome 當中包含了成千上萬的 genes
    • 每個 genes 都提供了如何生產 cell 必要產物的 instruction
DNA in cells
DNA in cells

From DNA to RNA to proteins

  • Genes 要怎麼用來生成 protein products ?
  • 也就是如何指定特定的 amino acids 序列來組合特定的 protein ?
    • 首先要先產生 RNA copy (transcript)
      • 又稱作 messenger RNA (mRNA)
      • 因為該 mRNA 會是 DNA 到 ribosomes 中間的 messenger
    • 接著 molecular machines 就會讀取 mRNA 的序列來建立 proteins
    • 這個 DNA 到 RNA 到 protein 的過程可以稱為 "central dogma"
  • 值得一提的是,不是所有 genes 都是用來 encode proteins
  • 例如 ribosomal RNAs (rRNAs) 用來作為 ribosomes 架構的元件
  • 或是 transfer RNAs (tRNAs) 負責運送 amino acids 到 ribosome 來執行 protein 合成
  • 還有 microRNAs (miRNAs) 作為 genes 的 regulators
  • 另外還是有非常多 non-protein-coding 的 RNA

Nucleotides

  • DNA 和 RNA 都是非常長的 polymers
    • 由非常多的 monomers (nucleotides) 組成,所以又稱 polynucleotide
  • 其中的 nucleotide 由三個部分組成
    • nitrogenous base
      • nitrogen-containing ring structure
    • five-carbon sugar
      • 這個 sugar 會在 nucleotide 的中央
      • 一個 carbon 會和 phosphate group 連結
      • 一個 carbon 會和 nitrogenous base 連結
    • phosphate group
Nucleotide structure
Nucleotide structure

Nitrogenous bases

  • nitrogenous bases 由 carbon-based 組成的 molecules
    • 其中包含 nitrogen,且為 ring structures
  • DNA 中的每個 nucleotide 都可能出現 4 種不同的 nitrogenous bases
  • 這 4 種又可以分為 2 類
    • Purine : 有 2 個 fused carbon-nitrogen rings
      • Adenine (A)
      • Guanine (G)
    • Pyrimidine : 只有 1 個 carbon-nitrogen ring
      • Thymine (T)
      • Cytosine (C)
  • 在 RNA 中,thymine 則會被另一種 pyrimidine base : uracil (U) 取代
    • 所以 DNA 有 A, T, G, C
    • 而在 RNA 有 A, U, G, C
  • 為什麼會有 uracil (U),又或者為什麼要有 thymine ? 原因"可能"是
    • 因為 uracil 比較會發生 error (比較可能跟別人 bond)
    • 所以 uracil 跟 thymine 比起來 less stable
    • 所以用 RNA 在進行初期的動作,可能比較適合非常多的變化
    • 而在穩定後,需要較少的 error,所以就用 thymine 來取代

Sugars

  • DNA 和 RNA 的 five-carbon sugar 只有一個地方有些微的不同
    • 在 DNA 的 five-carbon sugar 稱為 deoxyribose
    • 在 RNA 的 five-carbon sugar 稱為 ribose
  • 不同的地方在五個 carbon 中的第二個 carbon
    • RNA 的 2' carbon 連結著一個 hydroxyl (OH) group
    • DNA 的 2' carbon 則只跟一個 hydrogen (H) 連結,所以少了氧 (deoxy)
  • 不管是 DNA 還是 RNA 的 sugar 都會用 1', 2', 3', 4', 5' 來標註 carbon
    • 可以看到上面的圖片
    • 1' carbon 連接到 nitrogenous base
    • 5' carbon 連接到 phosphate group

Phosphate

  • 一個 nucleotide 可以有 1 至 3 個 phosphate groups 連結到 sugar 的 5' carbon
  • 在 cell 中,一個 nucleotide 被加入到 polynucleotide chain 時本來會持有 3 個 phosphate groups
  • 但在連接到 DNA 或 RNA chain 時,會損失 2 個 phosphate groups
  • 所以在 DNA 或 RNA 中,每個 nucleotide 只會有 1 個 phosphate group

Polynucleotide chains

DNA antiparallel
DNA antiparallel
  • Polynucleotide chain (DNA, RNA) 有一個重要特性就是 directionality (方向性)
    • 雖然 DNA 的兩端 backbone 看起來是平行的,但其實跟馬路一樣是雙向的 (antiparallel)
  • 例如左邊的 backbone 由上而下是由以下架構所連成
    • "... - phosphate - sugar 5' carbon - sugar 3' carbon - phosphate - ..."
  • 右邊的 backbone 就會是相反架構
    • "... - phosphate - sugar 3' carbon - sugar 5' carbon - phosphate - ..."
  • 而 sugar 和 phosphate 鄰居相連的線就是 phosphodiester linkage
    • sugar 的 3' carbon 的 hydroxyl group 會和 phosphate 的 hydroxyl group 相連
    • 這也是 dehydration synthesis 所以會釋放出水分子

Properties of DNA

  • DNA 通常是以 double helix 的樣貌出現
    • 也就是 2 個 complementary chains (backbone) 互相 stuck 在一起
  • 這兩條 backbone 主要由 sugars 和 phosphates 組成
    • 所以又可以稱為 sugar-phosphate backbone
  • 中間的每一個像階梯的就是一個個的 nitrogenous base pairs
    • 每個 base pair 中的兩個 bases 則是用 hydrogen bond 相連
Deoxynucleic Acid
Deoxynucleic Acid
  • 兩個 stands 又是以相反方向互相對應,這個現象稱為 antiparallel
    • 對 DNA 的複製非常重要
  • base pair 中也不是隨便 2 個 bases 就可以組合,需考慮到 size, functional groups
    • Adenine 會對應 Thymine
    • Guanine 會對應 Cytosine
  • 所以只要知道 DNA 的一邊,就可以簡單的猜出另外一邊
    • 例如當 DNA 的一邊是 5'-AATTGGCC-3'
    • 那麼另外一邊一定是 3'-TTAACCGG-5'
  • DNA 的 antiparallel 方式的 match 現象,稱為 complementary
DNA complementary
DNA complementary

Properties of RNA

  • RNA 和 DNA 的結構不同,是只有一條的
  • 裡面的每個 nucleotide 包含
    • five-carbon ribose
    • 4 nitrogenous bases (A, U, G, C)
    • phosphate group
  • 主要的 RNA 類別有
    • messenger RNA (mRNA)
    • ribosomal RNA (rRNA)
    • transfer RNA (tRNA)
    • regulatory RNAs

Messenger RNA (mRNA)

  • mRNA 是 protein-coding gene 和 protein 產物的中間人
  • 當需要製作 protein 時,RNA-polymerizing enzyme 就會來製作 RNA copy (transcript)
    • 這個 RNA copy 是從 gene's DNA sequence 複製而來
    • 並且 RNA 會將 DNA 資訊的 Thymine 用 Uracil 取代
      • 例如 DNA sequence 5'-AATTGCGC-3' 會變成 RNA sequence 5'-AAUUGCGC-3'
mRNA to proteins
mRNA to proteins
  • 所以 mRNA 產生後,就會去找 ribosome (負責將一堆 amino acids 組合成 proteins)
  • ribosome 讀取 mRNA 從 DNA 複製的遺傳資訊,然後就可以開始製作 proteins
    • mRNA 的 nucleotides 會被三個一組的閱讀,每一組稱為一個 codon
    • 每一個 codon 產出特定的 amino acid

Ribosomal RNA (rRNA)

  • rRNA 是 ribosome 的主要元件
    • 幫助 mRNA 找到正確的位置,讓資訊能夠正確被讀取
  • 有些 rRNA 的作用也像 enzymes,幫助催化 chemical reactions
    • 在這個例子中就是加速 amino acids 組成 proteins 的過程
    • 幫助催化的 rRNA 可以稱作 ribozymes

Transfer RNA (tRNA)

  • tRNA 也在 protein synthesis 裡面作為 carriers 的角色
  • tRNA 將 amino acids 帶到 ribosome
    • 確保要加入到 protein chain 的 amino acid 是符合 mRNA 的要求
  • tRNA 是一個單串 RNA,但當中有許多互補的區段,這些區段互相鏈結產生雙螺旋的區間

Regulatory RNA (miRNAs, siRNAs)

  • 其他沒有幫助製造 proteins 的 RNA 則來幫助調節 genes 的 expression
    • 所以稱作 regulatory RNAs
  • 例如有的 regulatory RNAs 會和 mRNA 結合
    • 降低 mRNA 的 stability 或干擾 translation
    • 幫助 cell 來降低或者是 fine-tune 這些 mRNA 的 level
  • 目前還有很多 noncoding RNA 在探索中

Summary of DNA and RNA

DNARNA
Function存放 genetic information幫助合成 proteins 和調節 gene
SugarDeoxyriboseRibose
StructureDouble helixUsually single-stranded
BasesA, T, C, GA, U, C, G

Proteins

  • Proteins 不是單純的一種物質,而是非常多樣的存在生物體或細胞中
    • 他們有不同的 size, shape, function, jobs
    • 例如 structural parts, signal, messengers, metabolic enzymes, ...
  • Proteins 比其他的 macromolecules 還要有更多的架構、功用
    • 一個簡單的細胞可以有上千個 proteins,每個有不同的 function
    • 但他們還是來自一連串的 amino acids 來組成

Types and functions of proteins

RoleExamplesFunctions
digestive enzymeamylase, lipase分解食物養分,讓人體快速吸收
transporthemoglobin在血液或淋巴中運送物質
structureactin, tubulin幫助組織各種架構,例如 cytoskeleton
hormone signalinginsulin, glucagon調和身體系統運作
defenseantibodies保護身體不受外界病原體攻擊
contractionmyosin負責肌肉收縮功能
storagelegume storage protein供給養分給成長中的胚胎

Amino acids

  • amino acids 是產生 protein 的 monomers
  • 由一個或多個 chains of amino acids 所組成的 protein 又可稱作 polypeptide
  • 人體有 20 種常見的 amino acids 可以在 protein 中找到
Amino acids
Amino acids
  • 所有的 amino acids 都有一些共通的架構
    • 左邊是 amino 的 amino group (NH2)(\text{NH}_2)
    • 右邊是 acid 的部分,是個 carboxyl group (COOH)(\text{COOH})
    • 中間一定會有一個 carbon 叫做 alpha carbon
      • alpha carbon 會連接一個 hydrogen atom 還有 side chain
      • side chain 的不同造就出不同作用的 amino acids
      • 例如 R 的部分只是一個 hydrogen atom,那麼就會是 glycine
      • R 的部分是 methyl group (CH3)(\text{CH}_3),那麼就會是 alanine
  • 上面的 amino group 和 carboxyl group 看起來呈中性,但實際中的 amino acid 不會是這種狀態
  • 在 pH 7.2 - 7.4 的情況下 :
    • amino group 會是 protonated (帶些微正電)
    • carboxyl group 則會 deprotonated (帶些微負電)

Peptide bonds

  • Protein 是一或多個 polypeptide chains 所組成
  • polypeptide chain 又是由 amino acids 相連而成
  • amino acids 之間是用一種 covalent bond 稱作 peptide bond 所連結在一起
    • 每個 bond 是經由 dehydration synthesis 才產生的,如下圖所示
    • 最尾端的 amino acid 的 carboxyl group 的 OH
    • 和新來的 amino acid 的 amino group 的 H
    • 兩者進行 dehydration (condensation) 合成,釋放出水分子並連結起來
Peptide bond
Peptide bond
  • 另外 polypeptide chain 是有 directionality
    • 也就是 chain 有完全不同的兩端
    • 有一端稱作 amino terminus (N-terminus) 有一個多的 amino group
    • 另一端稱作 carboxyl terminus (C-terminus) 有一個多的 carboxyl group
    • 其中 N 端在左邊,而 C 端在右邊。上圖就是一個非常短的 polypeptide 例子

Orders of Protein Structure

  • Protein 中的 polypeptide, amino acids 的架構只要改變,就會連帶改變非常多功能或特性
    • 這邊以煎蛋的蛋白為何會從透明變成白色不透明來舉例
  • 蛋白中包含大量的 proteins (albumins)
    • 這些 albumins 因為 amino acids 的架構形成 3D 的形狀
  • 加熱使得 amino acid 之間的 bonds 被切開
    • 一些 hydrophobic 的 amino acids 就被暴露出來
  • 這些 amino acids 為了避免碰到水,所以又互相連結了起來
    • 形成了 protein network 使得蛋白從透明變白

所以 protein 的形狀及架構非常重要,會關係到他的 function,

而要了解 protein 的架構,需要從 primary, secondary, tertiary, quaternary 這四個架構來了解

Primary Structure

  • 這是最簡單的一層,就是以 amino acids 的排列來決定架構
    • 例如以下是一個 hormone insulin,他有兩個不同的 polypeptide chain
Hormone insulin
Hormone insulin
  • protein 的 sequence 是 gene's DNA sequence 所提供的
    • 只要 gene's DNA sequence 稍微改變,protein 中的 amino acid 就會跟著改變
    • 而只要有任一個 amino acid 被改變,那整個 protein 的架構跟功能就會完全不同
  • 例如 sickle cell anemia 症狀
    • 在血液中運送氧氣的 hemoglobin 某個 amino acid 遭到改變
      • 在 beta chain 上的第 6 個 glutamic acid 被 valine 取代掉
Sickle cell anemia
Sickle cell anemia
  • 這還只是 hemoglobin 中 600 個 amino acids 的其中 2 個被改變而已 - 但這個改變使得 hemoglobin 的形狀完全改變 (disc to cresent) - 讓 hemoglobin 非常困難於經過血管,造成嚴重的健康問題

Secondary Structure

  • 第二層則是以 protein 的 backbone 上的 atoms 互動來決定架構
    • 在這一層還不包含 amino acid 中的 R groups
  • 最常見的 secondary structure 為下面兩者
  • 兩者都是由一邊的 carbonyl O 和一邊的 amino H 以 hydrogen bond 連結而產生
    • α helix
      • 例如 amino acid 1 的 carbonyl 和 amino acid 5 的 N-H 以 hydrogen bond 連結
      • 這讓 polypeptide chain 產生 helical structure (curled ribbon)
      • 每一圈大約有 3.6 個 amino acids
    • β pleated sheet
      • polypeptide chain 上的 2 個或多個 segments 透過 hydrogen bond 連結
      • 形成類似 sheet 的架構,這個 sheet 可以是 parallel 也可以是 antiparallel
Protein secondary structure
Protein secondary structure
  • 大部分的 amino acids 都會以上面兩種型態出現
  • 但有的 amino acids 也可一次出現兩種型態,或是根本不是上面兩種型態
    • 例如 amino acid proline 因為 R group 會和 amino group 連結形成 ring
      • 所以他會破壞 helix 的形狀,變得 bend, unstructured
    • 其他 amino acids 如 tryptophan, tyrosine, phenylalanine 有較大的 ring structure R group
      • 他們常被發現於 β pleated sheet,可能因為空間較大放得下他們的 side chains

Tertiary Structure

  • 第三層是由 R groups 之間的反應來決定架構
    • 通常是由 R group 中間 non-covalent bonds 來造成第三層改變
      • hydrogen bond, ionic bond, dipole-dipole, london dispersion forces
      • 例如兩邊 R group 的電極非常不同,容易形成 ionic bond
      • 例如 polar R groups 容易產生 hydrogen bonds, dipole-dipole 反應
    • 另一個改變第三層的重要原因是 hydrophobic interactions
      • Nonpolar, hydrophobic 的 R groups 群聚起來躲在 protein 內部避免碰到水
      • 讓 hydrophilic amino acids 在外部與水分子作用
    • 最後一個改變第三層的是一個 covalent bond 叫做 disulfide bond
      • 包含 sulfur 的 amino acid cysteines 互相透過 covalent bond 連結
      • 非常堅固,可以視為 molecular "safety pins"
Protein tertiary structure
Protein tertiary structure

Quaternary Structure

  • 前三層都跟 amino acids 有關,第四層則是與 polypeptides 的排列有關
    • 當 protein 只有單個 polypeptide chain 時只會有前三層架構
    • 當 protein 有多個 polypeptide chains 就會出現第四層架構
  • 有第四層架構的例子有
    • hemoglobin (2 alpha + 2 beta)
      • 運送血液中氧氣
    • 還有 DNA polymerase (10 subunits)
      • 一種產生新 DNA 的 enzyme

以下圖片總結了這四層改變 protein 架構的方法

Protein structure building
Protein structure building

Denaturation and protein folding

  • Protein 組起來的 3D 架構會因為溫度或是 pH 而改變
    • Protein 會因此被分解,變回簡單的 amino acid string
    • Protein 失去架構的這個過程稱為 denaturation
    • Denatured proteins 是毫無功用的 (non-functional)
  • 有些 denaturation 是 reversible,有的是 permanent
    • 因為 primary structure 未受到改變,回到原本的環境或許能讓 protein 恢復形狀
    • 但有的 denaturation 是永遠的,例如蛋白煮熟就回不去了