From Atoms to Biological Molecules

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1 From Atoms to Biological Molecules
Chemical properties The atomic composition of living organism is more complex than others Periodical Table H C N O Life prefers lighter atoms Atomic sizes (1) More abundant on Earth (2) Stronger bonding between small atoms 1H 6C 7N 8O sp3 1s 2s 2p Electrons on the outer shell H C N O The tetrahedral structure of carbon orbital has rigid steric strain which makes the basic building unit of protein conformation sp3 在 週期表上，可挑出地球上最豐富的幾種原子 – 碳氫氧氮。因為它們的原子量都不大，容易在宇宙生成，因此方便取得應用；另外，兩個較小的原子之間的鍵結，因原子核的間距較短，會有較強的鍵能，所生成的化合物比較穩固。因此，很自然地，地球上的生物便採取了這種以碳氫氧氮為主的組合系統，也是有機化學的主要探討對象。 碳氮氧扣除內層的兩個電子後，其外層電子依序是 4, 5, 6，分布在一個 s 軌道與三個 p 軌道上繞行，依據量子力學的計算，這四個軌道可以平均起來，重新分配成四個相同的混成軌道，稱為 sp3；基本上碳氮氧都可以看作是這種混成軌道，把上述的 4, 5, 6 個外層電子依序放到四個軌道中，因此碳原子每個軌道都含單一電子，氮有一個軌道含有飽和的兩個電子，氧原子則有兩個。 若把上面含單一電子的軌道以氫原子填滿，碳可接四個氫，便是 CH4，氮接三個氫成為 NH3，氧接兩個成為 H2O，這些物質可能是早期地球上最豐富的物質。 上面的 sp3 混成軌道並非特例，許多較大的原子也會產生類似的混成，例如比碳大的同行原子矽，也是以 sp3 的混成方式組成氧化矽晶體，並可用電子顯微鏡觀察到，請見本小節的最後一張圖片 (C3-16)。 Components of the early atmosphere H2 CH4 NH3 H2O Juang RH (2004) BCbasics

2 R O H2 CH4 NH3 H2O C-C Organic compound C Functional group O 3.5 N 3.0
Components of the early atmosphere H2 CH4 NH3 H2O Review the structure of water C-C Organic compound C CH3 COOH R NH2 - + lp +d -d Electro-negativity O 3.5 N 3.0 C 2.5 H 2.1 O Functional group Permanent dipole If atoms in a functional group have notable difference in electronegativity, then this functional group will express high polarity and will be highly active ● High polarity ● High dielectric constant ● H-bond formation ● pH influence 除了 與氫原子結合外，碳也可以與其他原子結合，其中若與其他碳原子結合，在所形成的碳長鏈上，再接上其他原子，便可組成多采多姿的各種有機化合物。碳的這種組合特性極為驚人，是因為碳有四個含有單一電子的『半空』sp3 軌道，每個軌道都可以接上另一個原子，如此四個方向連綿不斷，可長可短，可簡單可複雜。有機化學便是研究以碳為主角的各種化合物，以及其種種反應。 除了碳之外，氮與氧的角色也很重要。當氮或氧原子接到碳的長鏈上去，配合以氫去填滿原子軌道，便可以組成種種官能基。例如，在兩個碳的分子鏈上 (C-C)，加上一個氧原子 (C-C-O-)，這個氧原子必須再接一個氫 (因為氧有兩個單原子的空軌道)，成為 C-C-OH 便得醇基，再以氫補滿位置成為 CH3-CH2-OH 就是乙醇。如此，若接上氮原子形成 –NH2 的胺基，或者較複雜的 –COOH 酸基。 有一種分子也是以碳原子為中心，碳的四個鍵結分別接上胺基、酸基、氫以及一個任意基團，因為同時含有胺基及酸基，因此稱為胺基酸，可說是建構生物體的基本磚塊。 當兩個原子接在一起形成分子時，雙方各出一個電子，可形成含有兩個共用電子的共價鍵；但是，兩個原子核對這共用電子的吸引力並不相同，因此電子在此分子上的分佈不很均勻，經常偏向某個原子，就是分子具有『極性』的原因。原子之間，對電子為何有不同的吸引力？ 這是因為它們的原子核中，帶正電的質子數目不同所致；例如氧原子在週期表的右側，含有八個質子，因此比只含有六個質子的碳原子，更能吸引電子。 Juang RH (2004) BCbasics

3 - lp sp3 + Exaggerated Model for Water Molecule -d H H -d +d +d
一直 談碳原子的重要性，對氧原子有點不公平，因為氧原子與兩個氫組成的水分子，可說是無所不在、無處不入的重要生命分子。 大家不要再以簡單的 H2O 來看水分子，因為水分子的性質，不只是表面的這三個英文及數字而已；而其立體構形，也不只是長得像米老鼠頭型的三個連環泡泡。 不要忘記氧原子也是用 sp3 混成軌道，其外層電子數為六，因此有兩個軌道是飽和的，電子分配為 ，後面兩個單電子軌道則分別接一氫原子，成為氧化二氫 (H2O)。 這兩個已經飽和的軌道稱為 lone pair electrons (lp)，經常被忽視，忘記它們在水分子性質上的重大影響與貢獻。 這兩對 lp 佔據了水分子相當大的體積，約有一半都被 lp 電子所佔據，形成帶有極強負電的一端。 另一方面，氧與氫的陰電性相差甚大，因此共價電子幾乎都被氧原子搶去，兩個氫原子幾乎是以質子裸露在外，因此形成帶有正電的一端。如此，兩個正負極端，使得水分子具有很強的極性。可以把水分子看成具有四隻腳的模型：兩隻較大，帶負電；兩隻較小，帶正電；兩兩則互相垂直。這樣的分子形態，使得水分子具有極強的介電常數，非常容易介入一對正負離子之間，並且分隔這一對離子，是水合作用的基礎。 +d Adapted from Zubay (1988) Biochemistry (2e) p.57

4 Adapted from Bohinski (1987) Modern Concepts in Biochemistry (5e) p.37
Dielectric Constant Water Methanol Ethanol Ammonia Acetic acid Chloroform Ethyl ether Benzene Carbon tetrachloride H3C O H H5C2 O H H Cl–C–Cl Cl C2H5 H5C2 O Cl Cl–C–Cl 水分子 因為其電子的不均勻分配，具有很強的極性，因此也有很強的介電常數，幾乎是自然界中，介電常數最大的生物分子。比較許多有機分子，可發現越是對稱的分子，或者越是飽和的分子，其介電常數越小，都可以用電子分佈的均勻程度來說明。 Molecules with asymmetrical distribution of electronegativity have higher polarity Adapted from Bohinski (1987) Modern Concepts in Biochemistry (5e) p.37

5 Ionic Bond Is Not Stable in Water Solution
- + Solvation + N H - - C O + + - - + + - + + - Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.87 + - - + + ? - Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.115 因此，在水溶液中，因為水分子的強大介電能力，使得兩個正負基團之間，無法順利形成離子鍵。若此水溶液中含有鹽類，例如 NaCl，則加劇此一現象：鹽類離子被水合作用溶離出來，所溶出的離子被正負基團所吸引，更加阻礙離子鍵的形成。 但是在細胞中的水溶液環境，蛋白質經常要進行分子間的專一性辨認，通常要靠離子鍵的形成，卻是如何避免水分子的干擾？ 主要是因為蛋白質可以形成固定的構形，構形可以指導兩分子的正負電結合，是在一個凹陷的口袋中進行，在此種分子形狀的限定下，水分子或離子無法進入，穩定的離子鍵得以形成。 + - ● But enzyme forms stable binding with its substrate in water

6 Bond Energy in Water Might Be Different
Bond length In vacuum Water solution Covalent bond Ionic bond Hydrogen bond Van der Waal force 0.15 nm 0.25 nm 0.30 nm 0.35 nm 90 80 4 0.1 90 3 1 0.1 kcal/mole 但是 高中課本常說，離子鍵的能量大約與共價鍵差不多，這是在真空中的測量結果，若在水溶液中，離子鍵只能有 3 kcal/mole 的鍵能。另一個受到水分子影響的是氫鍵 (見下圖)，因為氫鍵是利用氫質子與負電基團間產生的吸引力，水分子很容易介入。 凡得瓦爾力幾乎不受水分子影響，是因為凡得瓦爾力是非極性分子之間，所誘導的短暫微弱吸引力所形成，既然是非極性分子間的把戲，那就不會受到極性分子的影響。 Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.57

7 N O O + H Hydrogen Bond (H-Bond)
The linearity is important for a perfect H-bond + N H O Weaker H-bond O 既然 名為氫鍵，當然一定有氫原子捲入。當氫原子與高陰電性的原子 (例如 N) 組成基團 時 (-N-H)，氫的電子會被強走，露出質子的正電荷；若附近有另一個帶有較強負電性的原子 (O=)，則正負電荷之間會形成類似離子鍵的鍵結 (–N-H…O=)，就稱為氫鍵。 如此說來，氫鍵也是離子鍵的一種？ 倒也沒錯，只是一定要以氫原子當作正電荷的來源，而且比真正的離子鍵弱。 上述 –N-H…O= 氫鍵連線中，若這幾個原子在一直線上，則所形成的氫鍵將是最強的；若因為立體構造的限制，使得三者的連線有轉折點，則氫鍵鍵能將會減弱。這些強強弱弱的氫鍵，在生物的分子構造中，扮演非常重要的角色，以後我們都將會提到。其重要性，可能超過你的想像，它決定了生命的複製，組成了生命活性分子的主要形成力量，甚至是生命泉源的水分子中的主要成份 (下圖)。 Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.58

8 Affinity between Two Molecules
Like Dissolves Molecules having similar polarity will attract each other Polar → Polar Nonpolar → Nonpolar 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，導致分子上某些部份的電子密度較大，因而產生偶極性，偶極會有暫時性的微弱正負電荷產生；因此兩個極性分子相遇，可利用其偶極性的微弱正負電荷互相吸引，會產生微弱的親和力。 反之，非極性的分子上，其電子密度分佈較為均勻，因此不容易有偶極產生，事實上非極性分子上不會帶有明顯電荷。非極性的分子，比較喜歡與非極性的分子接近，也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 (因此 –OH 是個極性基團)。 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 (如 –CH3)。 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。 Juang RH (2004) BCbasics

9 Energy of Chemical Bonds in Cells
Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.53 Room Temperature ATP Hydrolysis Covalent bond Glucose Oxidation 0.1 1 10 100 kcal/mole Secondary bond Van der Waal force 0.1 kcal/mole Hydrophobic bond 1 kcal/mole Hydrogen bond 1 kcal/mole 同一 分子內的原子間是以共價鍵連接，而蛋白質分子之間，很多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，因此適合可逆性的分子間作用模式。 Ionic bond 3 kcal/mole Covalent bond 90 kcal/mole Juang RH (2004) BCbasics

10 Secondary Bonds Contribute to Molecular Affinity
x 二級鍵 這種微弱的吸引力，對生物分子的專一性辨識反應，佔有極重要角色。但是因為二級鍵實在太弱了，因此要靠數量來達成足夠的吸引力量，才能有生理意義。 若兩個分子之間，要靠二級鍵進行專一性的吸引與結合，則此二分子的結合面之間，其構形要有互補的關係，有點像兩個互補的積木一樣契合。而兩個結合面間，含有無數的二級鍵結合點，以便共同組成足夠份量的吸引力。 為何千辛萬苦要以二級鍵作為此種分子間的辨識力量？ 主要是因為由二級鍵所造成的吸引，是一種可逆的過程，也就是說兩分子在形成結合之後，可以在另一生理調控條件下，命令兩者分開，因此終止結合所誘導的生理現象。 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，一定要先打斷一大堆共價鍵，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：但是，要形成有效的鍵結，二級鍵必須以量取勝。 Reversible non-covalent binding Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.161