ページ3:

BIOCHEMISTRY CH2:
The Matrix of Life: Weak Interactions in an Aqueous Environment
搭配圖表: Figure 2.5b, c(↓) 顯示了苯分子的堆疊與空間填充模型。
H
H
0.34nm
H
H
8-
H
4.
分子間的排斥力與凡得瓦半徑(Molecular Repulsion and van der Waals Radius)
當原子過於接近使電子軌域重疊時,會產生強大的 Repulsion(排斥力),能量約與r-12成
正比。
van der Waals radius (R):定義了分子最緊密堆疊
| van der Waals
radii
時的有效半徑。
當兩個原子中心距離=R+R2時,達到最
接近點。
Energy Curve(能量曲線):
在距離時,總能量(E)達到最低(最穩
Energy of interaction
定)。
0
(-)
當距離縮小到以下時,排斥能會急劇上升,
形成一道不可穿透的「牆」。
Total
energy of
interaction.
E
搭配圖表:Figure 2.6(→)描述吸引力與排斥
力隨距離變化的總能量曲線圖
- Energy of repulsion
-Energy of attraction
Distance between centers of particles, r
Distance of minimum energy, fo
Distance of closest approach, r
The Role of Water in Biological Processes
1. 水的結構與物理性質(The Structure and Properties of Water)
氫鍵與極性(Hydrogen bonding and Polarity):水獨特的物理性質主要歸因於水分子的極
性 (Polar nature)以及水分子間形成氫鍵 (Hydrogen bonds)的強烈傾向
異常高的物理常數:與其他低分子量化合物相比,水具有極高的熔點(Melting point)、沸
點(Boiling point) 和汽化熱 (Heat of vaporization) (Table 2.5(↓))。
Heat of
Molecular
Melting
Boiling
Vaporization
Compound
Weight
Point (°C)
Point (°C)
(kJ/mol)
CH4
16.04
-182
-164
8.16
NH3
17.03
-78
-33
23.26
H₂O
18.02
0
+100
40.71
H₂S
34.08
-86
-61
18.66
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分子結構:單個水分子中,氧原子與氫原子的鍵角為104.5°,具有淨偶極
矩(Dipole moment)。氧原子上的兩對孤對電子是優良的氫鍵受體,而-OH
基團則是強大的氫鍵供體,因此每個水分子最多可同時形成4個氫鍵
&
8+
(Figure 2.9(→))。
分子晶格(Molecular lattice):
bond angle = 104.5°
冰:具有規則的四面體(Tetrahedral) 晶格結構,每個水分子與另外4個分子結合。
液態水:被描述為「閃爍簇(Flickering clusters)」結構,氫鍵網路不斷地斷裂與重新
形成(Figure 2.10c(↓))。
密度特性:液態水的密度高於固態(冰),這使得冰能浮在水面上,對於維持地球生命演化
至關重要,防止海洋與湖泊完全凍結。
.
其他性質:
高黏度(Viscosity)與表面張力 (Surface tension) 來自於氫鍵結構的內聚力
高介電常數(Dielectric constant) 源於其偶極特性,能顯著降低離子間的靜電力
(Table 2.6)。
| Property
Water
n-Pentane
Molecular weight (g/mol)
18.02
72.15
Density (g/cm3)
0.997
0.626
Boiling point (°C)
100
36.1
Dielectric constant
78.54
1.84
Viscosity (g/cm-s)
0.890×10-2
0.228×10-2
Surface tension (dyne/cm)
71.97
17
2.
水作為溶劑的角色(Water as a Solvent)
水被稱為萬用溶劑,主要歸功於其形成氫鍵的能力和偶極特性。
親水性分子 (Hydrophilic Molecules):
意指「愛水的」,包括帶電荷的基團(如胺類、羧酸、磷酸酯)以及不帶電但具極性的
基團(如羥基、羰基)。
離子化合物在水中會形成水合殼 (Hydration shells),這在能量上是有利的,且高介電
常數能防止陰陽離子重新結合 (Figure 2.12(↓))。
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All internal hydrogen bonds;
helix intact
Some hydrogen bonds to water;
helix broken
疏水性分子(Hydrophobic Molecules):
意指「畏水的」,如碳氫化合物,在水中的溶解度有限。
當疏水分子溶於水時,水分子會圍繞其形成類冰的籠形結構
(Clathrate structures) (Figure 2.13(→))。
熵 (Entropy):形成籠形結構會導致水分子排列有序化,使熵降
低,這在熱力學上是不利的。
疏水效應 (Hydrophobic effect):疏水分子傾向於自我聚集以減少與水接觸,釋放籠形
結構中的水分子以增加系統的熵。這是蛋白質摺疊與脂質雙層組裝的重要驅動力。
兩性分子(Amphipathic Molecules):
同時具有親水性基團 (Hydrophilic head) 和疏水性基團 (Hydrophobic tail) (Figure
2.14(↓))。例如脂肪酸、脂質與清潔劑。
Hydrophilic
head groups
Hydrophobic
tail groups
-O-S=0
HN-CHICHIO-Pro
0
H.C-CH-CH。
CH₂
CH₂
CH2
CH₂
CH2
CH₂
CH₂
CH₂
CH₂
CH₂
如
CH₂
CH₂
CH₂
CH2
CH₂
CH₂
CH₂
"CH₂
CH₂
CH₂
CH₂
CH₂
CH₂
CH₂
CH₂
`CH₂
CH₂
CH₂
Dodecyl sulfate
Dodecanoate ion
(from a fatty acid)
(a detergent)
(a phospholipid)
Phosphatidylethanolamine
Polar
head
Nonpolar
A simplified representation
| of an amphipathic Ilpld moleculel
在水中會形成特殊結構:單層膜、微胞 (Micelles)或雙層囊泡(Bilayer vesicles),
磷脂雙層是構成生物膜的基本藍圖。
。
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Ionic Equilibria
絕大多數的生物化學反應發生在水溶液環境(如細胞質或細胞外液)中
,
其分子的行為高度取
決於其離子化 (Ionization) 狀態
。
1.
酸與鹼:質子電子供體與受體(Acids and Bases)
Brønsted-Lowry 定義:酸 (Acids) 是質子供體(Proton donors),鹼 (Bases) 是質子受體
(Proton acceptors)。
•
強酸/強鹼 (Strong Acid/Base):在水中幾乎完全解離。
弱酸/弱鹼 (Weak Acid/Base):在水中僅部分解離,存在可測量的平衡狀態。
共軛酸鹼對 (Conjugate acid-base pair):弱酸解離後產生的物質稱為其共軛鹼。
酸強度與 pKa:解離常數(Dissociation constant, Ka) 越大,酸度越強。為了方便,
通常使用 pKa = -log Ka表達,pKa越小則酸性越強。
搭配表格:Table 2.7(↓) 列出了生化中常見的弱酸及其 pKa。
Acid (Proton Donor)
Conjugate Base (Proton Acceptor)
HCOOH
Formic acid
HPO~
HCO3
Carbonic acid
HCO3
Bicarbonate ion
C&H₂OH
Phenol
NH4
CHCOOHI
Acetic acid
OH
CH:CH-COOH
Lactic acid
H3PO4
Phosphoric acid
H₂PO
Dihydrogen phosphate ion
Monohydrogen phosphate ion
=
HCOO
Formate ion
=
CH,COOT
Acetate ion
pka
K₁ (M)
+ H+
3.75
1.78×104
+ H+
4.76
1.74×10-5
OH
CH.CH-COO
+ H+
3.86
1.38×104
Lactate ion
HPO4
+ HT
2.14
7.24×10-3
Dihydrogen phosphate ion
HPO~
+H+
6.86
1.38×10-7
Monohydrogen phosphate ion
=
POL
+ H+
12.4
3.98×10-13
Phosphate ion
HCO3
+ H+
6.3°
5.1×1074
Bicarbonate ion
=
CO₂²
+HT
10.25
5.62×101
Carbonate ion
CH₂O
+H+
9.89
1.29×10-10
Phenolate ion
NH3
+H+
9.25
5.62×10-10
Ammonium ion
□ Phosphoric acid series
| *Apparent pK and K, values (see text for explanation).
Ammonia
□ Carbonic acid series
2.
水的解離與離子積 (lonization of Water)
水能同時扮演極弱的酸與極弱的鹼
。
水的離子(Kw):在25℃時,Kw = [H+][OH] = 10-14 。
中性溶液(Neutral solution):當[H+] = [OH¯]時,溶液為中性。
3. pH 標度與生理範圍(The pH Scale)
定義:pH = -log[H+]。
生理 pH 範圍 (Physiological pH range):大多數體液的pH值介於6.5-8.0之間,這是多
數生化反應發生的區域。
pH 的重要性:酵素的催化效率與分子識別事件(如配體與受體結合)都對pH極度敏感。
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ページ7:

4.
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Henderson-Hasselbalch 方程式與滴定
13
這項方程式描述了 pH 與弱酸及其共軛鹼濃度比例之間的關係:
12-
NH3
11-
[A¯]
pH = pKa + log.
[HA]
滴定曲線 (Titration curves):
10
9
pk of NH
8
NHA
五
7
當酸被中和一半時,[A¯] = [HA],此時 pH = pKa
6
HCOO
在 pKa值上下各1個 pH 單位範圍內,加入酸或鹼導致的 pH
變化最不明顯,此區域稱為緩衝範圍(Buffering range)
5-
°
PKg of HCOOH
HCOOH
搭配圖表:Figure 2.17(→)顯示甲酸與銨離子的滴定曲線,並標
示出半滴定點。
2
0
5.
緩衝溶液 (Buffer Solutions)
.25
Moles base added per mole acid
5
.75
1.0
原理:緩衝溶液由弱酸(HA)及其共軛鹼(A¯)組成,能中和外來的H+或OH-。
生物系統緩衝:
細胞內:主要依賴磷酸鹽系統(Phosphate system) (pKa
= 6.68)。
血液中:主要依賴碳酸-碳酸氫鹽系統 (Carbonic acid-bicarbonate system)。
碳酸系統:血液pH 隨溶解的CO2 濃度增加而下降。其表觀 pKa為6.3。
搭配表格:Table 2.8(↓)列出生化實驗常用的緩衝劑(如 Tris, HEPES)
| Buffer Substance (Acid Form)
Cacodylic acid
Common Name
pKa
6.2
2,2-Bis(hydroxymethyl)2,2',2" nitrilotriethanol
BISTRIS
6.5
| Piperazine-N,N'-bis(2-ethanesulfonic acid)
PIPES
6.8
Imidazole
7.0
| N'-2-Hydroxyethylpiperazine-N',2-ethanesulfonic acid
HEPES
7.6
Tris(hydroxymethyl)aminomethane
Tris
8.3
6.
具多重離子化群的分子
兩性電解質 (Ampholytes):含有酸性與鹼性基團的分子(如氨基酸)。
等電離子(Zwitterion):淨電荷為零的狀態。
等電點(Isoelectric point, pI):分子的平均淨電荷為零時的pH 值。
。
對於雙質子酸:pI
=
pK1+pK2
2
°
對於多質子酸(如天門冬氨酸):I為描述產生等電形式分子的兩個pKa之平均值。
pH 與電荷關係:
當 pH<pI:分子帶正電荷。
當 pH>pI:分子帶負電荷。
多電解質(Polyelectrolytes)與巨離子(Macroions):如DNA(強負電荷)與蛋白質(兩性巨
離子)。
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搭配圖表:Figure 2.19(↓)展示甘胺酸三種形式隨pH 變化的比例;
H₂ÑCH COOH
H₂NCH COO
1.0
Fraction of glycine
0.8-
0.6-
0.4
0.2-
H₂NCH COO
XX
0
1
2
3
4
5.
6
7
8
9
10 11 12
pk 1
pl
pH
pk2
increasing (+) charge
increasing (-) charge
Figure 2.22(↓)顯示蛋白質在pI時溶解度最低
+
Solubility, mg/mL
Solubility of
ß-lactoglobulin
pl
|
4.8 5.0
5.2 5.4 5.6 5.8
pH
(a) High pH: protein soluble (deprotonated) (b) Isoelectric point: protein aggregates
7. 離子強度與離子交互作用 (Ionic Strength)
(c) Low pH: protein soluble (protonated) (d) Solubility of ß-lactoglobulin
離子強度 (Ionic strength, I):I = ∑M;Z?,描述小離子對巨離子電荷的屏蔽作用。
鹽溶 (Salting in):低鹽濃度下,離子強度的增加有助於屏蔽電荷,增加蛋白質溶解度。
鹽析 (Salting out):極高鹽濃度下,鹽離子奪走蛋白質的水合水,導致蛋白質沈澱。
搭配圖表:Figure 2.23(↓) 說明離子強度如何影響巨離子間的屏蔽與吸引力。
Negatively charged.
macroion
Counterion
atmosphere
has excess of
positive ions
Effective
radius of
counterion
atmosphere
Far from macroion
equal numbers of
positive and negative
ions, on average
Key:
• Negative ion
• Positive ion
Strong attraction
Macroions in low-ionic strength salt solution
Weak attraction
Macroions in high-ionic strength salt solution
8. 電泳與等電聚焦 (Electrophoresis)
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ページ9:

電泳 (Electrophoresis):帶電分子在電場中的遷移
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。
- 移動率(1)取決於分子的電荷(q)與摩擦係數 (f),後者受分子形狀與大小影響。
等電聚焦 (Isoelectric focusing):利用含有 pH 梯度的凝膠,使多性電解質移動到與其 pI
相等的 pH 位置並停止。
搭配圖表:Figure 2A.5(↓) 展示不同血紅素變體依據其 pI 被分離。
8.0
pH of the gel
pl 7.46 pl 7.36 pl7.23
7.8
7.6
Accumulation
of protein、
7.4
7.2
pl 7.64
pl 7.44
pl 7.30
7.0
Cathode
Position in gel
Interactions Between Macroions in Solution
1.
巨離子的定義與電荷特性
Anode
Protein concentration
Macroions(巨離子)是指大型的 Polyelectrolytes(多電解質,如核酸)或 Polyampholytes
(多兩性電解質,如蛋白質)。
•
根據環境的 pH 值,這些巨離子可能帶有顯著的淨電荷。
電荷粒子間 Electrostatic forces(靜電力,包含吸引或排斥)決定巨離子
在溶液中的行為。
2.
巨離子溶解度與 pH 值的關係
同電性排斥:帶有相同淨電荷的巨離子會互相排斥。例如,帶負電的
DNA 分子在溶液中傾向於保持分離(Figure 2.21a(→))。
DNA
(a) Repulsion
異電性吸引:當帶正電與帶負電的巨離子混合,靜電吸引力會使它們結合
(Figure 2.21b(→))。
Protein
例如:帶負電的DNA 與帶正電的 Histones(組蛋白)強烈結合形成
Chromatin(染色質)。
等電點與沉澱:蛋白質在 Isoelectric point (pI)(等電點)時淨電荷為零,
但分子表面仍有局部正負電荷。
DNA
(b) Attraction
這些局部電荷產生的交互作用與 van der Waals forces (凡得瓦力)會導致蛋白質分子
聚集並沉澱 (Figure 2.22b(上面有))。
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蛋白質在 pI 時溶解度最低;而在pH值高於或低於pI 時,因
帶有淨電荷互相排斥而較易溶解。
3
°
Solubility of
ß-lactoglobulin
搭配圖表:Figure 2.22d(→)以 B-lactoglobulin 為例,展示其溶
解度在 pI (約 5.3) 時降至最低。
Solubility, mg/mL
3.
小離子的影響與離子強度(The Influence of Small Ions)
pl
Counterion atmosphere(反離子層/大氣):在鹽溶液中,巨離子周
圍會聚集一層相反電荷的小離子雲,這會產生屏蔽作用,減弱巨離
子間的交互作用(Figure 2.23A(上面有))。
4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8
pH
4.
Ionic strength (I)(離子強度):用於定量描述溶液中離子的屏蔽效應,定義公式如下:
I = ∑M;Z?,其中M為莫耳濃度,Z;為離子電荷數。
Debye-Hückel theory (德拜-赫克耳理論):描述反離子層的有效半徑(r)與離子強度的平方根
K
成反比:r= 這意味著離子強度越高,反離子層越薄,屏蔽效果越集中(Figure 2.23B(上
面有))。
√I
鹽溶與鹽析效應 (Salting In and Salting Out)
Salting in(鹽溶):在低濃度下,增加鹽類(離子強度)會增強屏蔽效應,減少巨離子間的
相互吸引,進而增加蛋白質的溶解度(即使在等電點亦然)。
Salting out(鹽析):當鹽類濃度極高(數個 Molar)時,大量鹽離子會搶奪原本用於
Solvating(溶劑化)蛋白質的水分子(Hydration shells),導致蛋白質因脫水而沉澱。
實驗應用:利用不同蛋白質對鹽溶與鹽析反應的差異,可以用來分離複雜混合物中的蛋白
質。生化實驗中常加入中性鹽(如 NaCl, KCl)來模擬細胞內約0.1 - 0.2M 的離子強度環境
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