Chapter 1 Biochemistry（對(duì)應(yīng)Campbell 2-5）

想學(xué)好生物沒點(diǎn)化學(xué)基礎(chǔ)是不可能的。這一章里的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單。建議大家還是報(bào)一下AP Chem 雖然沒有有機(jī)部分但是學(xué)完了之后還是會(huì)對(duì)生物有一定幫助。有機(jī)部分看Campbell Biology和Lehninger Principles of Biochemistry 就可以基本滿足像BBO的要求了。

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Atomic structure 原子結(jié)構(gòu)

原子作為咱們小學(xué)就已熟悉的老朋友還是挺好記的。

只需要記得：

Atom原子=proton質(zhì)子+neutron中子+electron電子

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其中

????Neutron是neutral的，不正不負(fù)

????Proton是帶正電荷的

????Electron是帶負(fù)電荷的

????Proton和neutron抱在一塊兒組成原子核，electron在外頭亂飄。

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電子很重要

Electron configuration（電子的排布）決定了一個(gè)atom如何發(fā)生反應(yīng)。

如果一個(gè)原子內(nèi)的電子全部在最低的energy level，這個(gè)原子便被稱作處于基態(tài)（ground state）。這時(shí)電子應(yīng)在距離原子核較近的位置移動(dòng)。

同理，當(dāng)原子被注入了能量后，其中的電子會(huì)來到一個(gè)更高的energy level，這時(shí)這個(gè)原子便被稱為處于激發(fā)態(tài)（excited state）

這里有幾個(gè)固定的距離，叫做electron shell。決定原子的chemical behavior的是最外層的電子叫Valence electron， 同理那一層也叫valence shell。

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中子數(shù)量

所謂的同位素就是isotope。同一個(gè)元素，不同數(shù)量的中子數(shù)量。我們常看見的元素周期表里的元素底下標(biāo)的原子質(zhì)量是取自然中所有同位素的加權(quán)平均。

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放射性同位素

Radioactive isotope中有許多具有極大用途，這里就不舉啥例子了。

而Radioactive isotopes 是會(huì)decay的。他們以一個(gè)特定的，被稱為half-life的速率衰退，也就是常說的半衰期。

Half-life的用途很多，像是什么倒推物品年代啥的。

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Bonding 鍵

AP生物就主要focus在倆鍵上面。一個(gè)是ionic bond, 一個(gè)是covalent bond

Ionic bond離子鍵

簡(jiǎn)單點(diǎn)理解就是倆原子給予和獲得電子形成。

給予電子的原子少了帶負(fù)電荷的電子變成了離子，其中正電荷與負(fù)電荷的比例大了，也就意味著整個(gè)離子就變正了。

An atom that loses an electron becomes a?cation, a positive ion

同理獲得電子的原子多了帶負(fù)電荷的電子變成了離子，其中正電荷與負(fù)電荷的比例小了，也就意味著整個(gè)離子就變負(fù)了。

An atom that gains an electron becomes an?anion, a negative ion

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Covalent bond 共價(jià)鍵

簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是倆原子共用一組電子形成。

出現(xiàn)共價(jià)鍵的時(shí)候就會(huì)形成molecule 分子。

這倆原子共享一對(duì)電子就是single covalent bond（-）, 兩對(duì)電子就是double covalent bond（=），三對(duì)則是triple covalent bond（≡）。至于四對(duì)AP生物不考，我也不清楚有沒有（小聲）...

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極性與非極性共價(jià)鍵

然而，這共享原子也是會(huì)不平均的。電子可能會(huì)向一側(cè)傾斜。這時(shí)，這個(gè)covalent bond 則被稱為polar bond 極性共價(jià)鍵。

像CO2?里，碳元素與氧元素則是極性共價(jià)鍵

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同理，如果正好平均分配則被稱為non-polar bond 非極性共價(jià)鍵。

Diatomic molecule中則常會(huì)出現(xiàn)，比如H2或者O2里面

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Polar and non-polar molecules 極性與非極性分子

和共價(jià)鍵的判斷方法有些許相似。

Polar molecule極性分子

其中，極性分子中的正負(fù)電荷不以它的幾何中心對(duì)稱。簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是形成一頭正一頭負(fù)。

比如H2O里 V字型的結(jié)構(gòu)一端是O另一端是倆H，兩頭的正負(fù)電荷分配不均就出現(xiàn)了極性。

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Non-polar molecule非極性分子

與polar molecule相反，列如CO2中幾何結(jié)構(gòu)是linear的，兩頭各一個(gè)O中間一個(gè)C，正負(fù)電荷與幾何中心對(duì)稱就是非極性的。

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Hydrophobic & hydrophilic 疏水與親水性

這個(gè)只要記牢哪個(gè)親水哪個(gè)疏水就OK了。

Hydrophobic?是疏水，因?yàn)榉珠_來就是 hydro（水）phobic（恨），也就是討厭水。

這種特性的物質(zhì)常溶于lipid而不能溶于水。

Hydrophilic是親水

這種特性的物質(zhì)能溶于水。

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Properties of water水分子的特性

1.?Highly polar

2.?兩個(gè)水分子間由一方的氧原子與另一方的氫原子形成hydrogen bond

3.?High specific heat高比熱容

4.?蒸發(fā)時(shí)帶走大量熱量

5.?因?yàn)閔ighly polar所以可以溶解一切polar & ionic substances

6.?強(qiáng)的表面張力

7.?固態(tài)的密度大于液態(tài)

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pH 酸堿性

問一下在讀的各位，為什么pH的P是小寫？

p在這里指的是-log。H則是指氫離子濃度（H+）、

也就是說pH可以寫成-log(H+). concentration?越高pH也就越低。至于pKa和什么共軛酸，titration之類的AP化學(xué)會(huì)學(xué)到

Isomer 同分異構(gòu)體

AP Chem沒有， 但是很好記。其實(shí)就是同樣的molecular formula但是組成的形狀不一樣的結(jié)構(gòu)。要牢牢記得在生物里structure determines function。

AP生物大致分了三種：

Structural：atom arrangement 不一樣

Cis-trans：spatial arrangement不一樣 （Cis指的是順式，同種配位體在同側(cè)；Trans是反式，同種配位體在對(duì)角位置）

Enantiomers：鏡像

Organic compound & Macromolecule有機(jī)化合物與大分子

?先要認(rèn)識(shí)幾個(gè)常見的基團(tuán)

羥基hydroxyl group (-OH)

碳基Carbonyl group (>C=O)

羧基Carboxyl group (-COOH)

氨基Amino group (-NH2)

巰基Sulfhydryl group (-SH)

磷酸基Phosphate group (-OPO32-)

甲基Methyl group (-CH3)

乙?；?Acetyl group (-COCH3)

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合成與分解聚合物

合成靠的是condensation（縮合反應(yīng)）一個(gè)脫去羥基一個(gè)脫去氫形成polymer+H2O

分解靠的是hydrolysis（水解）與脫水縮合相反

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碳水化合物 Carbohydrate

CnH2O 燃燒任何1克的碳水化合物都會(huì)釋放4卡路里

單糖 monosaccharide C6H12O6

二糖 disaccharide C6H12O6 + C6H12O6 = C12H22O11 + H2O

多糖 Polysaccharide

? ? 二糖和多糖都是以一個(gè)或多個(gè)單糖脫水縮合加起來變成的。

后面amino acid之間的肽鍵就是通過氨基與羧基之間脫水縮合形成的

多糖的作用：儲(chǔ)存與結(jié)構(gòu)支撐

能量?jī)?chǔ)存：Starch淀粉（植物）& glycogen糖原（動(dòng)物）

結(jié)構(gòu)支撐：Cellulose纖維素（植物）& chitin幾丁質(zhì)（節(jié)肢動(dòng)物）

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脂 Lipid

Hydrophobic molecule

大部分由non polar 的C-H鍵組成，少數(shù)為polar bond

Fats（triacylglycerol三酰甘油）非聚合物的大分子（因?yàn)榫酆衔锸怯蛇B接重復(fù)的化學(xué)單元來構(gòu)建脂質(zhì)并沒有此特點(diǎn)）

由一個(gè)glycerol（丙三醇）+3個(gè)fatty acid（脂肪酸）組成

其中g(shù)lycerol的羥基脫去一個(gè)H，fatty acid的羧基脫去一個(gè)OH形成Ester linkage（酯鍵）

這里的連接是典型的酯化反應(yīng)esterification（縮合反應(yīng)的一種，特指無機(jī)含氧酸與醇的反應(yīng)），酸（fatty acid）脫羥基（OH），醇（glycerol）脫氫（H）

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Saturated & unsaturated fatty acid 飽和與不飽和脂肪酸

飽和分子結(jié)構(gòu)是直的，室溫下為固態(tài)

不飽和分子結(jié)構(gòu)通常是彎的，室溫下通常是液態(tài)

其中區(qū)別就在于 飽和脂肪酸的碳上是連著一H和另一個(gè)C，但是在不飽和脂肪酸中形成了一個(gè)碳碳雙鍵C=C。

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? ?為什么說通常呢？因?yàn)椴伙柡椭舅岬奶继茧p鍵有順式Cis和反式trans兩種isomers。

大多數(shù)不飽和脂肪酸是順式Cis的碳碳雙鍵，就出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的彎折，降低了分子間作用力（van der Waals force），使得不飽和脂肪酸熔點(diǎn)降低，也就出現(xiàn)了室溫下為液態(tài)的特征。

所謂反式脂肪酸就是指反式不飽和脂肪酸，是具有反式trans碳碳雙鍵的。因此它和飽和脂肪酸一樣都是直的，所以熔點(diǎn)也高于室溫，常溫下呈固態(tài)。

磷脂Phospholipids

Glycerol丙三醇有三個(gè)羥基hydroxyl group。

在脂質(zhì)里連接的是三個(gè)fatty acid，但是在磷脂里兩個(gè)是鏈接fatty acid的，還有一個(gè)連接的是磷酸基phosphate group。

磷酸基頂上還會(huì)連一個(gè)帶電的或者極性的小分子，glycerol和這個(gè)小分子一塊兒形成一個(gè)親水端hydrophilic head，另一邊的fatty acid形成疏水端 hydrophobic tail。

細(xì)胞膜就是由這一些磷脂構(gòu)成。它們會(huì)形成兩排，把疏水端朝內(nèi)，親水端朝外。這樣就形成了phospholipid bilayer, 也就是細(xì)胞膜的主要結(jié)構(gòu)。之后講細(xì)胞結(jié)構(gòu)的時(shí)候會(huì)具體描述。

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類固醇Steroids

由四個(gè)環(huán)稠合在一塊兒構(gòu)成。

其中是17個(gè)碳形成3個(gè)6碳的環(huán)乙烷cyclohexane和一個(gè)5碳的環(huán)戊烷cyclopentane稠合（幾個(gè)環(huán)共邊）形成主體。具體細(xì)節(jié)就不提了，AP生物不會(huì)考的。

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蛋白質(zhì) protein

蛋白質(zhì)就是由Amino acid氨基酸作為基本單位組成的大分子。

氨基酸由三個(gè)部分組成，一個(gè)氨基amino group,一個(gè)羧基carboxyl group和一個(gè)side chain（R group）

氨基酸有很多種，人體內(nèi)有20種，每種的區(qū)別只出現(xiàn)在R group里。

R group的分類大致為：

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?氨基酸分為兩個(gè)端，N端和C端。N terminus代表amino end，C terminus代表carboxyl end。在mRNA轉(zhuǎn)譯到多肽鏈的時(shí)候被拼成一串，由上一個(gè)氨基酸的C端和下一個(gè)的N端相連，因此拼上去的順序是N到C。這里也是由脫水縮合相連。具體咋裝上去在后面Gene expression會(huì)講。

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蛋白質(zhì)的折疊

?1.?脫水縮合完了之后你就獲得了一條多肽鏈（polypeptide chain）也就是蛋白質(zhì)的Primary structure

?2.?因?yàn)閜olypeptide chain里的氧有partial negative charge， 氫有partial positive charge，它們之間形成了微弱的hydrogen bonds，也就使得多肽鏈折疊成螺旋形（αhelix）和片狀（βplead sheet）也就是蛋白質(zhì)的Secondary structure

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3.?氨基酸上的R group之間出現(xiàn)的interaction使得αhelix和βplead sheet連接形成了蛋白質(zhì)的Tertiary structure?

舉個(gè)例子：兩個(gè)non polar（hydrophobic）的R group之間會(huì)因?yàn)関an der Waals interaction連在一塊兒。Cysteine monomers(半胱氨酸單體)中的sulfhydryl groups 巰基（-SH）之間形成的disulfide bridges 二硫鍵（-S-S-）會(huì)對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)加固。

4.?最后，由多個(gè)多肽鏈折疊成的三級(jí)結(jié)構(gòu)拼接起來形成蛋白質(zhì)的Quaternary structure

一定一定要記得生物里的結(jié)構(gòu)決定了功能 structure determines the function

因此，遇上高溫，強(qiáng)酸，強(qiáng)堿，重金屬鹽等都會(huì)破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，造成denaturation。

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核酸 nucleic acid （Polynucleotide）

做核酸做麻了。核酸分兩種，DNA deoxyribonucleic acid和RNA ribonucleic acid。眾所周知DNA的結(jié)構(gòu)是sugar phosphate backbone + nitrogenous base連一塊兒。

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Sugar phosphate backbone是由戊糖（pentose）和phosphate group構(gòu)成。

戊糖有五個(gè)碳，從頂上的氧開始順時(shí)針數(shù)就是1-4號(hào)碳，1號(hào)碳上連接的是nitrogenous base，5號(hào)碳支棱出去伸在外面，通過酯化反應(yīng)連著一個(gè)磷酸基phosphate group （-OPO32-）。

DNA中的2號(hào)碳上連的羥基hydroxyl group（-OH）被拿掉了一個(gè)O，所以叫脫氧核糖酸。沒被拿掉就是RNA

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Nitrogenous base分為兩種，purines嘌呤和pyrimidines嘧啶

嘌呤是一個(gè)五元和六元的稠雜環(huán)，Adenine(A) 和 Guanine(G)

嘧啶是六元的雜環(huán)，Cytosine (C), Thymine (T DNA中) 和 Uracil(U RNA中)

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這倆玩意加一塊兒就是nucleotide monomer核苷酸單體。一串核苷酸單體連一塊兒就是一條polynucleotide。

因?yàn)槊總€(gè)單體之間是在上一個(gè)的3號(hào)碳的羥基hydroxyl group和下一個(gè)的5號(hào)碳上的磷酸基phosphate group進(jìn)行酯化反應(yīng)形成磷酸二酯鍵phosphodiester bond（因?yàn)榱姿峄瑫r(shí)和兩個(gè)羥基相連所以叫二酯鍵），所以polynucleotide的兩端分別叫5 prime end和3 prime end。

DNA polymerase DNA聚合酶只會(huì)往前一個(gè)的3號(hào)碳上裝下一個(gè)，所以DNA的增長(zhǎng)順序是由5端到3端。這是和安裝時(shí)三磷酸脫氧核苷酸dNTP帶來成鍵能量有關(guān)，具體細(xì)節(jié)后面會(huì)在DNA 復(fù)制的地方提到。

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而我們熟知的DNA結(jié)構(gòu)也就呼之欲出了，兩條互補(bǔ)的（一樣的）polynucleotide，double helix結(jié)構(gòu)保證穩(wěn)定，antiparallel反向平行（一條polynuleotide3到5，另一條5到3）

RNA中mRNA，pre-mRNA，tRNA，rRNA，miRNA，siRNA的具體結(jié)構(gòu)放到后續(xù)的gene expression里詳細(xì)解讀