8-2 生物體中的大分子 8-2.1 澱粉與纖維素 8-2.2 蛋白質 8-2.3 核酸

生物體中的大分子 醣類、蛋白質、DNA 及 RNA 等都是生物體中的大分子。 它們彼此關係密切，無論是生物體內的組織、新陳代謝，或生命的繁延，都與這些分子息息相關。

澱粉與纖維素 醣類是由碳、氫、氧三種元素所組成的化合物。 其化學式大多可以Cm(H2O)n來表示，故又稱為碳水化合物。 醣類結構中通常含有多個羥基且具醛基或酮基，屬於多羥基醛醣或多羥基酮醣，例如葡萄糖為具有五個羥基的醛醣。

葡萄糖 葡萄糖在水中存在直鏈狀及環狀兩種平衡結構式，且環狀結構分子約占 99%。 葡萄糖具還原性，可與多侖試劑產生銀鏡反應，或與斐林試液反應產生氧化亞銅沉澱。 此一特性常被利用來檢驗水溶液中的葡萄糖及其他還原醣。

葡萄糖的結構

~ 想一想 ~ α-葡萄糖與β-葡萄糖是否為結構異構物？ 解： 否，結構異構物必須是分子中原子的排列方式不同。α-葡萄糖與β-葡萄糖原子的排列方式相同，但在空間位向不同，彼此互為立體異構物，非結構異構物。

澱粉與纖維素 澱粉與纖維素是由葡萄糖經縮合聚合而得的同元聚合物，其通式為(C6H10O5)n。 澱粉是以α-葡萄糖單體聚合而成，纖維素則由β-葡萄糖單體聚合而成，且兩者因聚合度不同所以不為異構物。 　n C6H12O6 → (C6H10O5)n ＋ n H2O

澱粉可經由植物光合作用生成，貯存於植物的種子、根及塊莖中。 澱粉在適當條件下可經澱粉酶(amylase) 或稀酸作用水解產生糊精、麥芽糖及葡萄糖。

纖維素為植物細胞壁的主要成分，植物體內約有50%的碳是以纖維素存在。 例如棉花幾乎是純的纖維素。 纖維素不能被人類消化道中的酶所消化，但可促進腸道蠕動。 纖維素可作為燃料、衣服、傢俱及造紙等材料。

澱粉與纖維素均為不具還原性的多醣，無法直接與多侖試劑或斐林試液反應。 在熱稀硫酸作用下，澱粉或纖維素 會發生水解反應產生葡萄糖，因此 可與多侖試劑或斐林試液反應。 澱粉溶液與碘反應產生藍黑色的 錯合物，而纖維素與碘則無反 應產生。

玉米中澱粉與纖維素結構

例題 8-6 下列有關澱粉和纖維素之敘述，何者正確？ (A)澱粉遇碘化鉀溶液可呈藍色 (B)澱粉與纖維素兩者為同分異構物 (C)澱粉以稀酸水解後可得葡萄糖 (D)澱粉及纖維素均可與多侖試劑或斐林試液 反應 (E)纖維素在人體中極易水解成葡萄糖。　

例題 8-6 解 [解]：(C) (A)澱粉液遇I2才會呈藍色。 (B)澱粉與纖維素兩者聚合度不同，不為同分異構物。 (D)澱粉及纖維素為不具還原性的多醣，不能與多侖試劑或斐林試液反應。 (E)人體內不具有分解纖維素的酶，所以不易發生水解。

練習 8-6 下列有關葡萄糖、澱粉及纖維素的敘述，何者正確？ (A)葡萄糖結構中含有五個羥基 (B)葡萄糖具還原性 (C)纖維素是同元聚合物 (D)澱粉與纖維素兩者都屬於縮合聚合物 (E)纖維素在熱稀硫酸中作用，會發生水解反 應，所生成的產物，可與多侖試劑或斐林 試液反應。

練習 8-6 解 [解]：(A)(B)(C)(D)(E) (A)(B)葡萄糖為含有五個羥基的醛醣，具還原 性。 縮合聚合而成的同元聚合物。 (E)纖維素在熱稀硫酸作用，會發生水解反應， 生成葡萄糖，可與多侖試劑或斐林試液反應。

蛋白質 蛋白質是生物體內非常重要的物質。 是組織或器官例如肌肉、皮膚及毛髮等的組成分子外，也是酵素的主要成分。 組成蛋白質的基本單位是α-胺基酸。

α-胺基酸 以碳原子為中心。 在其延伸的四個鍵結分別接上氫原子、胺基(－NH2)、羧基(－COOH)及側鏈R。 因胺基位於羧基旁的第一個碳上（α碳 ），故稱為α-胺基酸。

在水中的胺基酸因其胺基可接受一個質子而帶正電荷。 羧基則失去一個質子形成帶負電荷的酸根，使胺基酸同時具有含正負電荷的官能基，故胺基酸為兩性物質。

醯胺鍵 胺基酸彼此間的羧基及胺基可藉由脫水反 應結合形成醯胺鍵（ ） 醯胺鍵又稱為肽鍵(peptide bond)。

兩個胺基酸分子脫去一分子水所形成的分子稱為二肽(dipeptide)。 三個胺基酸分子脫去二分子的水，則形成三肽 (tripeptide) 。 由許多胺基酸藉由肽鍵結合成的分子，稱為多肽(polypeptide)。

二肽 貼心小提醒 1.請確認您的電腦安裝了最新的Adobe flash 與shockwave 2.若無法播放，請於有網路的情況下，點選右下角連結

多肽的形成

多肽與蛋白質 胺基酸數目少於100個稱為多肽，其分子量低於10000。 分子量高於10000則泛稱為蛋白質。

~ 想一想 ~ 甘胺酸(glycine) 為最簡單的α-胺基酸，其結構式如下所示 如將甘胺酸放置於pH＝1及pH＝13 溶液中，將 各以何種形式存在？

~ 想一想 ~ 解：

~ 想一想 ~ 三個不同α-胺基酸分子，進行縮合反應後，可以形成多少種不同的三肽？ 解： 共6種。假設三個α-胺基酸分子代號分別為A、B及C，則縮合反應後可形成三肽分別為ABC、ACB、BAC、BCA、CAB及CBA。

蛋白質結構中不同肽鍵上的N－H與C＝O之間會形成氫鍵。 藉此蛋白質可維持其特定的立體結構。 例如毛皮、蹄角和羽毛等螺旋結構或是蠶 絲、皮膚等褶板結構。

螺旋結構與摺板結構 貼心小提醒 1.請確認您的電腦安裝了最新的Adobe flash 與shockwave 2.若無法播放，請於有網路的情況下，點選右下角連結

變性 當蛋白質分子內的氫鍵被破壞時，蛋白質因而失去其特定的立體結構稱之為變性。 除了高溫會使蛋白質變性外，在水溶液中的蛋白質也會因 pH 值變化或是在溶液中加入酒精、電解質等因素，而造成蛋白質的變性。

酵素 酵素又稱為酶 (enzyme)。 主要是由蛋白質所組成，是生物體內反應的催化劑。 酶利用其活化部位 (active site) 有選擇性的與受質 (substrate) 結合，並有效的降低反應的活化能來催化反應的進行。

受質特異性 高度的受質特異性(substrate specificity)讓酶只會催化某些特定的受質進行反應。 貼心小提醒 1.請確認您的電腦安裝了最新的Adobe flash 與shockwave 2.若無法播放，請於有網路的情況下，點選右下角連結

麥芽糖酶只能催化麥芽糖的水解，乳糖酶只能催化乳糖的水解，對於其他異構物的反應則非常低或全無反應。 酶的活性通常會隨環境的溫度、pH 值等因素而變。

~ 想一想 ~ 酶是否可增加反應的產率？ 解： 否，酶為催化劑，只增加反應的速率，不會增加產物的量。

例題 8-7 下列有關蛋白質之敘述，何者正確？ (A)以α-胺基酸為單體的縮合聚合物 (B)兩個α-胺基酸縮合反應可得二肽 下列有關蛋白質之敘述，何者正確？　 (A)以α-胺基酸為單體的縮合聚合物 (B)兩個α-胺基酸縮合反應可得二肽　 (C)為高分子量共價網狀固體 (D)高溫下會失去其原有的物性或化性 (E)蛋白質可維持螺旋結構是因為蛋白質分子間 產生氫鍵。

例題 8-7 解 [解]：(A)(B)(D) (A)蛋白質為α-胺基酸經脫水縮合聚合而成。 (C)蛋白質非共價網狀固體。 (D)高溫下蛋白質的分子內氫鍵會被破壞，而失去其原有的物性或化性，而使蛋白質變性。 (E)維持蛋白質的螺旋結構者是分子內氫鍵。

練習 8-7 下列有關生物體內酵素（酶）的敘述，何者正確？ (A)酵素主要是由蛋白質組成 (B)酵素之任何部位均可與特定之受質作用 (C)酵素可降低其催化反應的活化能 (D)溫度愈高酵素催化反應的速率愈快 (E)乳糖與麥芽糖為同分異構物，所以乳糖酶也 可以分解麥芽糖。　

練習 8-7 解 [解]：(A)(C) (B)酵素僅有特定部位可與受質作用。 (C)酵素扮演催化劑功能，可降低反應的活化能。 (D)酵素催化反應必須在特定的溫度下。 (E)乳糖酶只可分解乳糖。

核酸 核酸是以核苷酸為單體所結合而成的巨大分子。 生物體內的核酸可分成去氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid，DNA) 與核糖核酸 (ribonucleic acid，RNA) 。 每個核苷酸單體中，包含五碳醣、含氮鹼基及磷酸等三個部分，其中五碳醣為去氧核糖或核糖。

核苷 核苷酸若失去磷酸而只有五碳醣及含氮鹼基則稱為核苷。 形成DNA的核苷酸單體其所含的五碳醣為去氧核糖。 含氮鹼基有四種分別是： 腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)與胸腺嘧啶(T)。

核苷酸結構示意圖

DNA、RNA的五碳醣及含氮鹼基

至於 RNA 的五碳醣則為核糖，也具有四種不同的含氮鹼基。 其中腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)與DNA 相同。 尿嘧啶(U)取代胸腺嘧啶(T)成為RNA第四種含氮鹼基。 我們常以 A、T、C、G、 U 等來代表核苷酸。

DNA或RNA上核苷酸排列的次序，即稱為 DNA或RNA的序列。

DNA 1953年，美國生物學家華生及英國分子生物學家克立克，提出 DNA 的雙螺旋結構。

長鏈內側是由互補配對的含氮鹼基形成梯級，其中腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)可配對形成兩個氫鍵。 鳥嘌呤(G)與胞嘧啶(C)則可形成三個氫鍵。 嘌呤與嘧啶間的氫鍵引力能使DNA分子更加穩定。

DNA結構式意圖

RNA RNA 一般為單股結構。 其含氮鹼基間的規則為A與U相對應，G與 C相對應。 RNA 的主要功能是將DNA的遺傳訊息，經由轉錄及轉譯的過程，最後合成蛋白質。

例題 8-8 下列有關DNA相關概念的敘述，哪些選項正確？ (A)核酸結構中含有硫酸根 (B)核酸結構中含有環狀的葡萄糖 (C)為縮合聚合而成 (D)其雙股螺旋結構中具有氫鍵 (E)DNA與RNA各有四種含氮鹼基，其中有 三種相同。

例題 8-8 解 [解]：(C)(D)(E) (A)(B)每個核苷酸單體中，包含五碳醣、含氮鹼基及磷酸等三個部分，葡萄糖不為五碳醣。 (D)DNA其雙股螺旋結構中，含氮鹼基A 與T 相 對應，G 與C 相對應，彼此具有氫鍵引力。 (E)DNA與RNA皆具有四種含氮鹼基，除了胸腺嘧啶(T)與尿嘧啶(U)不同外，有三種含氮鹼基一樣。

練習 8-8 圖8-30為分析某一DNA片段的結果，得知其形成一聚核苷酸長鏈含氮鹼基序列為AACGTTCA，請寫出此DNA雙股螺旋中，另一聚核苷酸長鏈含氮鹼基序列為何？　

練習 8-8 解 [解]：空格中由左而右為TTGCAAGT DNA雙股螺旋結構，其中腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶

8-3 先進材料