Macromolecules

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)

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

• 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 來分解成 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 $(\text{H})$
  • 另一個 molecule 則得到 hydroxyl $(\text{-OH})$ 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

• 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

• 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

  • fomula 是 $(\text{CH}_2\text{O})_n$，通常有 3 到 7 個 carbon atoms
  • monosaccharide 中的 oxygen atom 會出現在兩個地方

    • hydroxyl $(\text{OH})$ group
    • carbonyl $(\text{C}=\text{O})$ 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)

Glucose

• glucose 是 monosaccharide 重要的一員，有 6 個 carbon 寫作 $\text{C}_6\text{H}_12\text{O}_6$

  • 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 ($\text{C}_6\text{H}_12\text{O}_6$)
  • 所以他們是 isomers

• Fructose 和 glucose 是 structural isomer

• Galactose 和 glucose 則是 stereoisomers

• 這些小細節都足夠告訴 enyzes 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 $\text{CH}_2\text{OH}$ 同邊)
  • beta form

    • 同樣當 carbonyl 轉成 hydroxyl 並在 ring 之下時

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)

• 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

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 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

• 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 $(\text{C}=\text{O})$ 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 的

    • 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 的

    • 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 cis 或 trans 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

• 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 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 $(\text{C}=\text{O})$ 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 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

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

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

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

• 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

• 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, funtional 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

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'

• 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

	DNA	RNA
Function	存放 genetic information	幫助合成 proteins 和調節 gene
Sugar	Deoxyribose	Ribose
Structure	Double helix	Usually single-stranded
Bases	A, T, C, G	A, 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

Role	Examples	Functions
digestive enzyme	amylase, lipase	分解食物養分，讓人體快速吸收
transport	hemoglobin	在血液或淋巴中運送物質
structure	actin, tubulin	幫助組織各種架構，例如 cytoskeleton
hormone signaling	insulin, glucagon	調和身體系統運作
defense	antibodies	保護身體不受外界病原體攻擊
contraction	myosin	負責肌肉收縮功能
storage	legume 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

• 所有的 amino acids 都有一些共通的架構

  • 左邊是 amino 的 amino group $(\text{NH}_2)$
  • 右邊是 acid 的部分，是個 carboxyl group $(\text{COOH})$
  • 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 $(\text{CH}_3)$，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

• 另外 polypeptide chain 是有 directionality 的

  • 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

• 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

• 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

• 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"

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

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