Chapter 1 Themes in the Study of Life. 一. 生命的基本特徵 生命的結構皆呈現高度秩序 ( Order ) 性 深深感動 - 生長、生殖、感應、活動 ‒ 生長 ( Growth ): 生物的成長模式受 DNA 指引，形成具有其生命特徵之 生物 ‒ 生殖 ( Reproduction.

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1 Chapter 1 Themes in the Study of Life

2 一. 生命的基本特徵 生命的結構皆呈現高度秩序 ( Order ) 性 深深感動 - 生長、生殖、感應、活動 ‒ 生長 ( Growth ): 生物的成長模式受 DNA 指引，形成具有其生命特徵之 生物 ‒ 生殖 ( Reproduction ): 生命皆具備繁衍後代的能力 ‒ 反應 ( Response ): 生物會因受到環境刺激而做出回應 ‒ 恆定 ( Regulation ): 生物可藉由體內物質的調節來因應外在環境的變 化 ( 正負回饋機制 ) ‒ 能量利用 ( Energy processing ): 生命具備吸收以及轉換能量的能力 ‒ 演化適應 ( Evolutionary adaptation ): 生物借由與環境的互動，進而改 變自身的生活機制

3 二. 新生特質 (Emergent properties) 從分子延伸到生物圈的層級架構中，新穎的生命結構皆由較低層級 的物質相互組成 ‒ 生物圈 ( Biosphere ): 泛指地球上的所有生態系 ‒ 生態系 ( Ecosystems ): 在特定區域、時間內的所有生物以及其生活之無 機環境的總合 ‒ 群聚 ( Communities ): 在特定區域、時間內各種族群之總合 ‒ 族群 ( Populations ): 在特定區域、時間內同一種物種之總合 ‒ 生物體 ( Organisms ) ‒ 器官 ( Organ ): 不同組織以特定的方式組成。 ‒ 組織 ( Tissue ): 細胞所組成之功能性單位。 ‒ 細胞 ( Cell ): 所有生物體結構與功能的基本單位，由許多胞器 ( Organelle ) 所組成。

4 三. 生態動力學 (Ecosystem Dynamics) ‒ 1. 陽光 → 生產者 ( Producers ) 光合作用 → 轉化為化學能 ( 碳水化 合物 ) ‒ 2. 生產者 → 消費者 ( Consumers ) 呼吸作用 → 分解、消化有機物 兩個過程皆會散失熱能

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6 四. 遺傳訊息 (Heritable information) 生命的延續取決於 DNA 分子中生物資訊的傳承，此訊息編碼於 DNA 的核苷酸序列內 ‒ 基因 ‒ 染色體 ‒ DNA ‒ 核甘酸 ‒ 去氧核醣核酸 (Deoxyribonucleic acid; DNA): 一種生物體內由核 甘酸 (Nucleotide) 組成的大分子，可組成遺傳指令並引導生物的 發育與生命機能運作，主要功能是儲存資訊 ‒ 遺傳密碼 (Genetic code): 核苷酸排列的方式，使生物產生多樣 性 ‒ 基因體 ( Genome ): 生物體所繼承的整套遺傳訊息 ( 染色體 ) ‒ 生物資訊 ( Bioinformatics ): DNA 中遺傳密碼的型式

7 尿嘧啶 胞嘧啶 鳥糞嘌呤 胸腺嘧啶 腺嘌呤

8 Chapter 2 The Chemical Context of Life

9 一. 物質的構成 1. 物質 ( Matter ): 所有佔有空間與質量的物體 2. 元素 ( Element ): 無法以化學方法分解的物質 3. 化合物 ( Compound ): 兩種以上的元素按固定比例組成 微量元素 ( Trace elements ): 生物體內不可或缺的元素 ( 在人 體中少於 0.01%) ，但需求量極微 ( 例如 : 砷 (rsenic) 、碘 (iodine)) ‒ 目前發現 92 種天然元素中，約有 25 種為生命所需，其中碳 (C) 、氧 (O) 、氫 (H) 、氮 (N)4 種構成了生命物質的 96% ，剩 下的 4% 由磷 (P) 、硫 (S) 、鈣 (Ca) 、鉀 (K) 、鈉 (Na) 、鎂 (Mg) 、 氯 (Cl) 組成

10 二. 原子結構 ‒ 原子 ( Atoms ): 物質中可保持元素性質之最小單位 1. 中子 ( Neutrons ): 組成原子的基本粒子，呈電中性 2. 質子 ( Protons ): 組成原子的基本粒子，帶正電 3. 電子 ( Electrons ): 組成原子的基本粒子，帶負電 ‒ 原子核 ( Atomic nucleus ): 中子與質子凝聚成位於原子中心 的緊密核心 原子序 ( Atomic number ): 質子的數量 質量數 ( Mass number ): 質子加中子的數目 原子量 ( Atomic mass ): 整個原子的質量

11 ‒ 莫耳 ( Mole ): 指 6×10 23 個原子的數目 ‒ 道耳頓 ( Dalton ): 每一個質子或中子的質量單位 ( amu ) ，約為 1.7×10 -24 公克 ‒ 同位素 ( Isotopes ): 任何質子數目相同，但中子數目不同的同 種元素 ‒ 放射性同位素 ( Radioactive isotopes ): 原子核會自動衰變釋出 粒子與能量的同位素，並且在衰變後轉變成其他元素的原子

12 三. 電子能階 ‒ 電子層 ( Electron shell ): 電子在原子中的不同位能狀態 ‒ 電子組態 ( Electron configuration ): 電子在原子中分佈的情形 ‒ 價電子 ( Valence electrons ): 原子最外層電子的數目，決定原 子的化學性質 ‒ 價層 ( Valence shell ): 原子最外層的能階層 ‒ 價數 ( Valence ): 未配對電子的數目 ‒ 軌域 ( Orbital ): 電子 90% 機率會出現的範圍

13 四. 化學鍵結構 1. 共價鍵 ( Covalent bond ): 兩個原子共享一對價電子 2. 陰電性 ( Electronegativity ): 原子對共價電子的吸引力 3. 非極性共價鍵 ( Nonpolar covalent bond ): 共價鍵結內電子均 勻共享 4. 極性共價鍵 ( Polar covalent bond ): 共價鍵結內電子不均勻共 享 離子鍵 ( Ionic bond ): 原子陰電性相差太大，導致陰離子 ( Anion ) 搶奪陽離子 ( Cation ) 的電子而形成之鍵結，其化合 物通稱為鹽類

14 ‒ 結構式 ( Structural formula ): 主 要表現鍵結結構 ‒ 分子式 ( Molecular formula ): 主要表現分子結構

15 較弱的化學鍵 ( 組成生命的基礎鍵結 ) 1. 氫鍵 ( Hydrogen bond ): 極性 ( Polar ) 在共價中使氫帶少許正電 性，多與氮、氧鍵結，強度只有共價鍵的 1/20 2. 凡得瓦力 ( Van der Waals interactions ): 分子間的作用力，鍵 結力量最小

16 五. 化學反應 (Chemical reactions) 導致物質中化學鍵形成與斷裂的反應 ‒ 反應物 (Reactants)→ 產物 (Products) ‒ 化學平衡 (Chemical equilibrium): 化學反應物質間的動態平衡

17 Chapter 3 Water and Life

18 一. 水的功能 1. 生物體依賴 : 內聚力 ( Cohesive ) 、黏著力 ( Adhesion ) 、表面張 力 ( Surface tension ) 2. 調節氣候溫度 : 汽化熱 ( Heat of vaporization ) 使得一克水擁有 潛熱 580 卡的熱量，因此水擁有很大的比熱 3. 防止海水底部結凍 : 4˚C 有最大密度 4. 生命的溶劑 ‒ 溶液 ( Solution ): 兩種以上物質混合之液體 ‒ 溶劑 ( Solvent ): 溶解的液體 ‒ 溶質 ( Solute ): 溶解的物質 ‒ 水溶液 ( Aqueous solution ): 以水為溶劑之液體

19 同時具備疏水以及親水性 ‒ 親水性 ( hydrophilic ): 分子能夠透過氫鍵和水分子形成短暫 鍵結的物理性質 ‒ 疏水性 ( hydrophobic ): 分子之間互相排斥的物理性質

20 二.PH 值 ‒ 酸 ( Acid ): 溶於水中後，會解離出氫離子，使純水中氫離子 濃大於氫氧根離子的化合物；為酸鹼反應中，氫離子的提 供者 ‒ 鹼 ( Base ): 一種在水溶液中可以解離出氫氧根離子，使純水 中氫氧根離子濃大於氫離子的化合物 1. 氫離子 ( hydrogen ion) (H+) 2. 鋞離子 ( hydronium ion) (H3O+) 3. 氫氧根離子 ( hydroxide ion )(OH–)

21 緩衝劑 ( Buffers ): 可使 PH 值變化降低的物質 H 2 CO 3  HCO 3 - + H + pH= - ㏒〔 H + 〕 = ㏒〔 OH - 〕 ‒ 酸降物 ( Acid precipitation ): 指 PH 值小於 5.2 的霧、雲、雨， 通常為汽態化合物的溶液，如氧化硫、氧化氮等等

22 Chapter 4 Carbon and the Molecular Diversity of Life

23 一. 有機化合物 (Organic compounds) 含碳之化合物，大多同時也含有氫元素 ( 有機物都含碳，但 含碳的不一定是有機物 ) ‒ 有機化學 ( Organic chemistry ): 專門研究碳化合物的化學分 支 ‒ 碳氫化合物 ( Hydrocarbons ): 只含碳與氫的化合物，又稱烴 類 ( 碳因為有四個未配對價電子，可形成 4 個共價鍵，加上角度結 構的不同，所以可組成複雜的分子 )

24 二. 同分異構物 (Isomers) 分子式相同但結構式不同，造成性質各異的化合物 1. 結構異構物 (Structural isomers): 原子的共價排列方式不同。 2. 順反異構物 (Cis-trans isomers): 具有相同的共價鍵，但空 間排列卻不同。 3. 對映異構物 (Enantiomers): 分子間互為鏡像，雙方無法重 疊

25 三. 官能基 (Functional groups) 1. 羥基 Hydroxyl group (-OH) 醇類 2. 羰基 Carbonyl group (-CO) 酮、醛 3. 酸基 Carboxyl group (-COOH) 有機酸 4. 胺基 Amino group (-NH 2 ) 胺類 5. 硫氫基 Sulfhydryl group (-SH) 6. 磷酸根 Phosphate group (-PO 4 ) 7. 烷基 Methyl group (-CH 3 )

26 四. 三磷酸腺苷 adenosine triphosphate (ATP) 由核糖、腺嘌呤和三個磷酸基所構成 1. 如果核糖上只接一個磷酸基時，稱為單磷酸腺苷 (AMP) 2. 若接上二個磷酸基，則稱為雙磷酸腺苷 (ADP) 3. 核糖連接腺嘌呤，合稱為腺苷，腺苷連接三個磷酸基，稱 為三磷酸腺苷 (ATP) (ATP 有 2 個高能磷酸鍵， ADP 有 1 個高能磷酸鍵， AMP 則有 0 個高能磷酸鍵 )

27 Chapter 5 The Structure and Function of Large Biological Molecules

28 一. 聚合物原理 ‒ 聚合物 ( Polymer ): 以共價鍵相連單體所構成的長分子 ‒ 單體 ( Monomers ): 聚合物中的小分子單位 ‒ 縮合反應 ( Condensation reaction ): 單體連結反應，過程中需 要時去水分子以完成新的鍵結，故又稱脫水反應 (Dehydration reaction) ‒ 水解 ( Hydrolysis ): 藉由水分子打斷聚合物分子間的鍵結， 為縮合的逆向反應 ‒ 酵素 ( Enzymes ): 加速細胞內化學反應的特殊蛋白

29 二. 醣 類 (carbohydrates) 1. 單醣 ( Monosaccharides ): 醣類最 小單位 2. 雙醣 ( Disaccharides ): 兩個單糖 脫水形成糖苷鍵 ( glycosidic linkage ) 組合而成 3. 多醣 ( Polysaccharides ): 大分子 的儲存 ( Storage ) 性醣類  化學平衡有利於環狀的形成。 碳數 : 1) Mono- 2) Di- 3) Tri- 4) Tetra- 5) Penta- 6) Hexa- 7) Hepta- 8) Octa- 9) Nona- 10) Deca-

30 Dihydroxyacetone 二氫基丙酮 Ribulose 核酮糖 Fructose 果糖 Glyceraldehyde 甘油醛 Ribose 核糖 Glucose 葡萄糖 Galactose 半乳糖 Hexoses (C 6 H 12 O 6 ) Pentoses (C 5 H 10 O 5 ) Trioses (C 3 H 6 O 3 ) 醛糖 酮糖 The number of  carbons in the carbon skeleton (with hydroxyl group (-OH) in each C except one) Location of “Carbonyl group” 幾何異構物 結構異構物

31 寡糖類 1. 乳糖 ( lactose ): 由葡萄糖與半乳糖縮合而成 2. 蔗糖 ( sucrose ): 由葡萄糖和果糖縮合而成 3. 麥芽糖 ( maltose ): 由兩個葡萄糖縮合而成 Maltose 麥芽糖 Glucose

32 多醣類 1. 肝醣 ( glycogen ): 動物性多醣體，組成類似澱粉但分支成度高 2. 澱粉 ( starch ): 植物性多醣體，葡萄糖單體由 1 碳 →4 碳串聯而成 螺旋狀 ( helical ) ，內含直鏈與支鏈，以顆粒的形式儲存於質粒 體 ( plastids ) 中 3. 纖維素 ( cellulose ): 構成植物細胞壁的主要成分，與澱粉組成相 似但核苷鍵不同，鍵結為直鏈狀 ( straight ) 4. 幾丁質 ( chitin ): 構成節肢動物外骨骼、真菌細胞壁的成分，類 似纖維素的結構但其單體多了氮附加物

33 (a)  and  glucose ring structures The two interconvertible forms of flucose differ in the placement of the hydroxyl group (blue) attached to the no. 1 Carbon.  Glucose  Glucose (b) Starch: 1–4 linkage of  glucose monomers(b) Cellulose: 1–4 linkage of  glucose monomers Same positionOpposite position

34 三. 酯 質 (Lipids) ‒ 脂肪 ( Fats ): 由一個甘油分子與三個脂肪酸縮合而成，依其 碳原子間雙鍵有無可分為飽和與不飽和兩種 Fatty acid (palmitic acid) Glycerol 非極性

35 ‒ 磷脂質 ( phospholipids ): 由一個甘油分子與兩個脂肪酸縮合 而成，第三個羥基連著一個磷酸基，是形成細胞膜的主要 成分 (b) Space-filling model (a) Structural formula Fatty acids Choline 膽鹼 Phosphate 磷酸 Glycerol 甘油 Hydrophobic tails Hydrophilic head

36 ‒ 類固醇 (steroids): 碳骨架由 4 個相連的碳環形成，膽固醇 (cholesterol) 為組成其他類固醇的前驅物