大爆炸之後，基本粒子組成了原子，較輕的元素比較容易產生，因此生物多利用 C, H, O, N 等元素來組成。 碳原子外層軌道有四個電子，所形成的 sp3 混成軌道，可與四個其他原子鍵結；同時 sp3 軌道有很強的立體限制性，以碳原子為中心的有機化學，因此產生許多立體構造的課題，後來也是蛋白質構形產生的基本因素。當碳與其他原子組合成分子之後，兩個相鄰原子之間 搶奪電子 的能力不一 (陰電性 不同)，因此會造成所形成基團的穩定性不同，也就是各種官能基反應性強弱不同的根本。也因為如此，由氫和氧所組成的 水分子，因為電子都集中在氧分子，因此水分子有很強的 極性，在生物化學上很重要
Biochemistry Basics
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細胞與分子
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圖 1 原核細胞與真核細胞的比較
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原核與真核兩種細胞，其構造上有相當的不同，在生物化學的各種構成分子與其生理作用，有相同處但也有相異者。在學習生化各種主題時，要隨時注意該主題是發生在何種細胞；若是發生在真核細胞，又要探討是發生在何種胞器。
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a.
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組合式宇宙粒子：
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宇宙誕生後所生成的 基本粒子，先組合成各種大小的 元素，許多原子再組合成簡單的 有機小分子。這些小分子在地球演化初期的巨大能量催化下，可生成胺基酸或核苷酸等 小分子單位，後者再聚合成為生命基礎的 巨分子。
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b.
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分子演化：
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巨分子中以核酸分子最為奇特，發展出 複製 自身分子的機制，並且可能有 催化 此複製機制的功能。 而蛋白質因為其分子外形的多樣性，可能有更好的催化效果，並可經由核酸分子上的信息指導進行合成，因此蛋白質與核酸演變成為一組可以 繁衍 自身的共生聚合体。
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c.
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原始細胞：
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上述核酸與蛋白質的共生，在原始地球的資源漸漸不足後，再獲取一 脂質薄膜 包住此聚合体，以確保原料物質的掌控，以及分子自身的有效複製，成為原始的細胞形式。 此一原始生命形態，具有完整且獨立的生命單位，可吸取外界的養料分子，並經由複製分裂而繁衍。
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圖 2 由大爆炸到原始細胞的產生
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由大爆炸開始，一路以組合方式，組成原子、分子、巨分子、細胞、生命。 核酸與蛋白質可能是最關鍵的兩種巨分子，生命現象因此得以發生。
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細胞的生物化學
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以生物化學的觀點，複習細胞的重要活動。最近生命科學的大趨勢，是以分子層次的觀察，研究細胞乃至於器官或生物整體的生理現象，稱為 molecular cell biology。
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◆ 一粒細胞見世界 (天下科學人文系列)
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原核細胞：
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原核細胞的代表 大腸菌 (E. coli)，構造較為簡單，是分子生物學的主要研究對象。
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a.
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(1) 保護細胞； (2) 細胞內外物質及訊息的交通； (3) 抗原性及 (噬菌体) 接受体。
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b.
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鞭毛 (flagella) 使細菌運動，而 纖毛 (pili) 為細菌交配時的管道。
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c.
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細胞膜 (cell membrane) 控制細胞內外的選擇性交通，膜蛋白有重要功能。
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d.
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細胞質 (cytoplasma) 散佈著各種分子，主要是可溶性酵素、核糖体 (ribosome)。
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e.
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核區 (nuclear region) 不是真正的細胞核，散佈著遺傳物質 DNA，細菌通常有一或數條 DNA 分子；細胞質中有環狀的 質體 DNA，是基因選殖的主要載體。
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古生菌：
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是一種介於原核與真核細胞間的細菌。古生菌與已知的原核細胞，在生化性質上有相當差異；喜生長在極端的條件，極類似地球演化的早期狀態；可分為三大類：
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a.
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Methanogens： 甲烷菌極度厭氧，利用二氧化碳及氫氣產生甲烷。
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b.
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Halophiles： 嗜鹽菌，生長在如死海的高鹽濃度區。
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c.
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Thermacidophiles： 嗜酸熱菌，生長在火山口及溫泉帶，可耐酸至 pH 2。
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◆ Scientific American: Extremophiles (在極端環境下生長的古生菌有很特殊的蛋白質)
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真核細胞：
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原核細胞與真核細胞的最大差異，在於後者有許多 胞器 (cellular organelles)，構造複雜；而最顯著的一個胞器，就是 細胞核 (nucleus)，原核細胞無細胞核。
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◆ Plant, Animal and Bacteria Cell Models (Cells Alive 各種細胞的模型)
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a.
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細胞核：
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由雙層核膜包圍著，膜上有 核孔，核內有 核仁 (nucleolus)，核仁含大量 RNA，其餘的 核質 (nucleoplasm) 部分則散佈著 染色質 (chromatin)，染色質含遺傳物質 DNA，在細胞分裂前，染色質會凝集成 染色体 (chromosome)。 細胞核可能是由細胞外膜向內皺縮，包住染色體後形成球狀所造成。
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b.
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內質網 (endoplasmic reticulum, ER)：
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是細胞蛋白質的合成及輸送系統，依外形分為 RER (rough ER) 及 SER (smooth ER)； RER 在其膜上附著顆粒狀的 核糖体 (ribosome)，蛋白質合成後可通過內質網膜分泌到細胞外；不分泌到胞外的蛋白質，則由游離散佈在細胞質中的核醣体來製造。 SER表面光滑，沒有核糖体附著，可能與脂質的合成有關。
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◆ Scientific American: A Cellular Zip Code (1999 諾貝爾生理獎 Gunther Blobel)
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c.
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高爾基氏体 (Golgi body)： 是細胞內蛋白質的 集散地 與 加工場。
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(1) 由內質網輸送來的蛋白質集中於此，分類後一部分分泌出細胞外。
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(2) 不分泌出細胞的蛋白質，則集中後包裝成小球体，即為 微体 (microbodies)。
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(3) 醣蛋白 (glycoprotein) 等在此修飾加上醣類。
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d.
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微体 (microbodies)： 有很多種，都含某種劇烈的酵素，有特定的生化功能。
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(1) Lysosomes (溶脢体) 含有 溶菌脢 (lysozyme) 等多種水解酵素，以消化外來蛋白質、核酸、醣類等分子。植物細胞內的對等胞器為液泡，其体積都很大。
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(2) Peroxisomes含有 觸脢 (catalase)，把有害細胞的 H2O2 分解成水。
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(3) Glyoxosomes 可把脂質轉化成醣類，也是植物特有胞器的一種。
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e.
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細胞骨架系統 (cytoskeleton elements)：
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由許多小管所交錯構成，用以支持細胞，並行細胞運動、胞內運輸 及 細胞分裂。
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f.
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細胞膜 (cell membrane)︰ 真核細胞最外層胞膜上附有許多蛋白質，有複雜的功能。
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(1) 細胞間辨認 的特異性標記，如免疫學的各種T細胞上都有不同標記。
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(2) 荷爾蒙受体，與其配體分子接觸後，可引發細胞內一連串信息傳導反應。
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(3) 細胞內外離子的 輸送幫浦，也都是由蛋白質所組成。
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g.
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粒線体 (mitochondria)： 是細胞產生能量的地方。
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(1) 由雙層膜組成，內層向細胞內伸展，皺褶成為 瘠 (cristae)。 瘠上有顆粒密佈，是藉 呼吸鏈 進行能量代謝的地方，可生成 ATP。
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(2) 粒線体有自己的 DNA，也可以合成蛋白質，是細胞內的自治區；可能是可以行呼吸作用的原核細胞，侵入早期的真核細胞後，留在宿主細胞中共生。
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h.
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葉綠体 (chloroplast) 與 造粉体 (amyloplast)：
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(1) 葉綠体進行光合作用捕捉太陽光能，與細胞壁、液泡及造粉体都是 植物 特有胞器。葉綠體是地球生物圈最關鍵的一環，缺少葉綠體將導致所有生物滅亡。
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(2) 造粉体含有大量澱粉粒，與葉綠体都屬 胞質体 (plastid)，二者是 同源器官，都是由相同的前體 (proplastid) 演變來，有的還可互相轉變。
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(3) 胞質体也都有自己的 DNA，可能是早期的原核光合菌，進入真核細胞後產生的共生系統。粒線體與胞質體這兩種共生胞器，都與能量的代謝有關。
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i.
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其它：
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(1) 細胞外套 (cell coat) 只有部份動物細胞才有，會表現 抗原性； 癌細胞的細胞外套成分可以改變，以逃避免疫系統。
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(2) 微粒体 (microsome) 是細胞打碎後，內質網破片形成的人為小球，並非胞器。
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(3) 病毒 無法歸類入任何一類生物，卻能在細胞中寄生繁衍；因病毒在各種細胞、甚至物種間游走，夾帶部分染色體片段，可能對演化有所影響。對人體而言，病毒可刺激免疫系統，也許不全都是負面的影響。
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細胞分子
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構成生物細胞的大部份分子都帶有電荷，有帶正電荷、有帶負電。許多分子上同時帶有正電及負電基團，具有 兩性 (amphoteric) 性質；則視其正、負電荷數目的多寡，決定淨電荷之正或負。而環境 H+ 濃度 (pH) 的變化，會影響分子淨電荷的正負 (圖 3)。 這種分子的帶電性質，及其因環境的變化，是探討分子構造功能的重要因素。
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圖 3 環境 pH 的影響
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通常一個蛋白質分子上都會帶有電荷，有正電荷、也有副電荷，這些正、負電荷的淨值，即為此蛋白質所帶的 淨電荷；蛋白質的淨電荷可能為正、也可能為負，在某 pH 下蛋白質的淨電荷可能為零，則此 pH 稱為此蛋白質的『等電點』(isoelectric point, pI)，一個蛋白質的 pI 通常不會改變。當環境的 pH 大於某蛋白質的的 pI (如上圖某蛋白質的 pI = 6，環境 pH = 9)，則此蛋白質的淨電荷為負；反之則為正值。另外，環境的 pH 離其 pI 越遠，則其所帶的淨電荷數目將會越大；越接近 pI 時，所帶淨電荷變小，最後在其 pI 處淨電荷為零。因此，蛋白質溶液的 pH 要很小心選擇，以便使該蛋白質帶有我們所需要的淨電荷，或者不帶有淨電荷。
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水：
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a.
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生物体內最多的分子是水，水雖然是有 H2O 的分子式，但實際上大部分水分子是以離子形態 (如下兩式)，或其他更複雜的構造存在 (水分子組成的冰晶格)。
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H2O → H+ + OH- 或 H2O + H+ → H3O+
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◆ Lars Ojamae, Liquid Water, H5O2+ (動畫顯示水分子的運動情形)
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◆ Chaplin, Ionization of Water, (說明水分子如何離子化成 hydronium)
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b.
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細胞內 H+ 的濃度，對維護生物体內的正常生理活性非常重要，其實用的尺度即為 pH。 任何生物体內或試管中的生化反應，必須保持恆定的 pH，因為環境 pH 會影響溶液中分子的帶電情形，進而影響其生化反應。
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c.
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各種生化溶液，均需維持其 pH 的恆定，是為 緩衝作用 (buffering)；緩衝液是因為其中含有 緩衝分子，當溶液系統的 pH 改變時 (即其 H+ 濃度改變)，緩衝分子可吸收或放出 H+，如此可以調節溶液中的游離 H+ 濃度，因而保持 pH 恆定。
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d.
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水因為其分子的高度 偶極化，因此有很高的 介電常數 (dielectric constant)，會促進極性溶質分子溶入水中，稱為 水合 (hydration)。 只要是在水溶液中進行的反應，水合作用的影響即不可忽視。
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細胞的組成分子：
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生物体內許多重要的巨分子，都是由單位小分子所組成。古典生化注重上述分子的化學反應以及生理代謝，近代生化則以核酸、蛋白質及酵素為研究中心，現代則深入分子生物學層次，探討 基因 及其 調節機制。
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a.
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生物分子依其大小，可分為小分子及巨分子 (macromolecule)，巨分子是由小分子的 單元体 (monomer) 為堆積單位，一個個接起來。例如蛋白質是由胺基酸所組成的。
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b.
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常見的小分子有胺基酸、單醣、脂質、核苷酸等，都是体內分子的 運輸 形式； 而大分子有蛋白質、多醣、核酸等，是 功能、構造 或 貯藏 形式。 另有許多具有生物活性的小分子，如輔脢及維生素，其中以水含量最多，作用也最廣泛。
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c.
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巨分子的 序列 是極為重要的，核酸的序列藏著遺傳信息，蛋白質的序列是取決於核酸的序列，而蛋白質的序列決定其構造與生理功能。 因此，在巨分子的世界裡，序列幾乎決定一切；『自私的基因』一書指出，生物的繁衍只是在傳遞其所含的那段核酸 (gene)，甚或只是要傳遞核酸上面的序列信息而已 (meme)。
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◆ RNA Word (Cosmic Ancestry 對生命來源的說明)
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分子間的作用力：
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分子與分子之間，或者同一分子裡面，有多種非共價的作用力存在，可使得分子間相吸的是引力，互相排斥的為斥力。 這些微弱作用力是構成 分子構形 (conformation) 及分子間 親和力 (affinity) 的主要因素，統稱為 二級鍵 (secondary bonds)。
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a.
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離子鍵 (electrostatic bond) 是正電荷與負電荷之間的吸引力，容易被水合破壞。
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b.
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氫鍵 (hydrogen bond) 是分子中的氫原子，因其 陰電性 太弱，原子核裸露出來，而帶有正電荷，與帶負電荷的氧原子 (或氮原子) 之間，所生成的引力。
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| c. |
疏水性引力 (hydrophobic bond)： 非極性分子具疏水性，兩個疏水性分子，因受環境極性水環境的排斥，其分子間會生成 非極性-非極性 的疏水性引力；水溶液中的巨分子，其疏水性引力多發生在分子內部。
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| d. |
凡得瓦爾力 (van der Waals bond)： 非極性或極性很弱的分子表面，其原子受到鄰近分子上面原子的影響 (吸引或排斥)，會產生局部且短暫的偶極，因而有微弱的引力，是為凡得瓦爾力。 兩個原子的距離要適中，以求得最大的凡得瓦爾力，稱為該原子的 凡得瓦爾半徑。 兩分子之間因 構形互補 所生成的專一性吸引力，主要是由許多凡得瓦爾力所共同構成的。
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圖 4 以基本的原子軌道的觀點，整理從原子組成簡單有機分子的過程。
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圖 4 由原子到有機分子的組合
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問題集
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以下題目都沒有標準答案，許多甚至會引起很大的爭議；這樣就達到問題集之目的了。
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1.
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Stanley Miller 把一些簡單的小分子放在一真空容器中，給予能量反應一週後，可以生成哪些物質？
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2.
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以演化觀點說明細胞內粒線體的來源。
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3.
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請舉出五種生化的構造或分子，其中含有氫鍵。 例如：蛋白質的 a helix
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4.
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分子的極性是如何產生的？ 為何極性分子只喜歡與極性分子結合？
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5.
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為何水分子有很強的極性？ 為何水分子有很強的介電常數？
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6.
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真核細胞 (eukaryotic cell) 與原核細胞 (prokaryotic cell) 有何相異之處？
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7.
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為何細胞內的分子多由較輕的原子所構成？
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8.
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二級鍵雖然分成四種，但事實上有相同的基本性質，請以電子的角度說明之。
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9.
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有機物幾乎是碳原子的天下，為何大自然會選擇碳？ 請從週期表的行與列討論。
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10.
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何為陰電性？ 陰電性是如何造成的？ 陰電性對分子的性質有何影響？
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11.
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假如正如 Dawkins『自私的基因』一書所言，生物只是在傳遞其細胞內的那段基因，甚至只是在傳遞基因的序列而已 (meme 的概念)，則生物的存在有何意義？
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12.
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一般相信地球演化之初為一 RNA 世界，請提出三個可能的證據。
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13.
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細胞內的各種巨分子歸納來說，有哪三種功能？ 請各舉例說明。
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14.
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為何強酸或強鹼不能作為緩衝分子？
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15.
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分子的 兩性 amphoteric 性質是什麼？ 請列舉兩性分子說明之。
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16.
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為何生物細胞內的巨分子，一定要由單位小分子聚集而成，而不直接合成該巨分子？
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17.
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若真有外星生物，以分子層次來看，與地球生物差異有多少？會不會也用 A, T, C, G？
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18.
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是非選擇題 (答案寫在 □ 內，是 → ○、非 → ×)
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1) 那些胞器具有雙層胞膜？
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□ 細胞核 □ 葉綠体 □ 粒線体 □ 造粉体 □ 微体 (microbody)
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2) 在演化上是外來的胞器：
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□ 細胞核 □ 葉綠体 □ 粒線体 □ 質体 □ 微小体 (microsome)
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3) 有關氫鍵的性質描述：
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□ 氫鍵可在室溫中穩定存在 □ 氫鍵要有氫原子居中架橋 □ 非極性基團間也可生成氫鍵 □ 氫鍵的形成 方向性不重要 □ 氫鍵可看成微弱的耦極作用
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4) 有關二級鍵的性質描述：
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□ 二級鍵的強度都很弱 □ 凡得瓦爾力是最強的二級鍵 □ 離子鍵在水溶液中不易形成 □ 二級鍵造就了兩蛋白質分子間的專一性吸引力
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建立日期：2000/12/29 更新日期：2005/09/18 © 版權所有
蛋白质折叠- 维基百科，自由的百科全书
https://zh.wikipedia.org/wiki/蛋白质折叠
安芬森的研究结果非常重要，因為蛋白質的功能取決於其立體結構，而目前根据已知某基因序列可翻译获得对应蛋白质的胺基酸序列，既蛋白質的一級結構；如果從 ...蛋白質立體結構（protein structure）的解析–上| 科學Online ...
highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=30750
2011年7月17日 - 分析蛋白質立體結構的程序大致如下，先以基因轉殖的大腸桿菌大量生產標的蛋白質，其方法為利用分子選殖技術將研究標的基因DNA，置入大腸 ...[PDF]蛋白質概論
www2.nsysu.edu.tw/Bio/images/commen/prot10103.pdf
因此提出“蛋白質的一級構造決定蛋白質特定的立體. 構形”與“蛋白質的功能與其特有的構形有關”的論點. - 確立蛋白質結構與功能的關係，促進以生物分子為. 基礎探討 ...无规则卷曲_互动百科
www.baike.com/wiki/无规则卷曲
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这些部位往往是蛋白质分子功能实施和构象的重要区域。 ... 3蛋白质立体结构原则 ... 二级结构在生物化学及结构生物学中，是指一个生物大分子，如蛋白质及 ...[PDF]結構生物學與蛋白質工程Structure Biology and Protein ...
www.dls.ym.edu.tw/s17/結構生物學簡介.pdf
結構生物學(Structure Biology)主要是研究蛋白質結構與功能之間的關係. (1) 。 .... 基酸則參與分子內親水性作用來穩定蛋白質立體結構，或分子間作用力來參與特殊.
這是 http://www.dls.ym.edu.tw/s17/%B5%B2%BAc%A5%CD%AA%AB%BE%C7%C2%B2%A4%B6.pdf 的 HTML 檔。
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