Biological molecules

歡迎來到生物分子世界！（IGCSE Biology 0610 第 4 單元）

各位生物學家好！這一章非常重要，因為它涵蓋了地球上所有生命的基礎構建模塊——包括你在內！我們將探討構成我們食物和細胞的重要分子：碳水化合物 (Carbohydrates)、脂肪 (Fats)、蛋白質 (Proteins)，以及令人驚嘆的生命分子——DNA。理解這些基礎知識，將會讓你們未來學習營養學、酶和遺傳學等課題變得更加輕鬆。讓我們開始吧！

第 1 部分：基本成分（化學元素）

每個生物體都是由少數幾種基本化學元素構成的。這些元素結合在一起，形成了驅動我們細胞運作的大型生物分子（也稱為生物大分子 Macromolecules）。

1.1 生物分子中的元素 (Core 4.1.1)

• 碳水化合物（如糖和澱粉）由以下元素組成：碳 (Carbon)、氫 (Hydrogen) 和 氧 (Oxygen) (C, H, O)。
• 脂肪和油（脂質 Lipids）同樣由以下元素組成：碳 (Carbon)、氫 (Hydrogen) 和 氧 (Oxygen) (C, H, O)。
• 蛋白質則複雜得多，總是包含：碳 (Carbon)、氫 (Hydrogen)、氧 (Oxygen) 和 氮 (Nitrogen) (C, H, O, N)。有時還會包含硫 (Sulfur)。

第 2 部分：構建模塊（單體與聚合物）

試想一下，大型生物分子就像是一條長長的樂高積木鏈。單個積木是小分子，而組裝好的長鏈就是大分子。

關鍵定義：

• 單體 (Monomer)：「小」分子單位（就像單個樂高積木）。
• 聚合物 (Polymer)：由許多單體連接而成的大分子（長樂高鏈）。

2.1 碳水化合物 (Core 4.1.2a)

碳水化合物是大多數生物的主要能量來源。

• 小分子（單體）是葡萄糖 (Glucose)（一種單糖）。
• 葡萄糖單體連接在一起形成大分子（聚合物），例如：
  • 澱粉 (Starch)：用於在植物中儲存能量（如馬鈴薯）。
  • 糖原 (Glycogen)：用於在動物和真菌中儲存能量（儲存在我們的肝臟和肌肉中）。
  • 纖維素 (Cellulose)：用於建造植物細胞壁（提供結構支撐）。

2.2 蛋白質 (Core 4.1.2b)

蛋白質有多種功能：製造酶、激素、抗體以及構建肌肉。

• 小分子（單體）是氨基酸 (Amino Acid)。
• 氨基酸連接成長鏈（聚合物）組成蛋白質。

2.3 脂肪和油（脂質）(Core 4.1.2c)

脂肪和油（脂質）用於長期能量儲存、保暖以及構成細胞膜。

• 大分子（脂質）由兩種較小的組件形成：脂肪酸 (Fatty Acids) 和 甘油 (Glycerol)。

別擔心，你不需要知道連接這些單元的化學鍵的複雜名稱，只需要記住參與其中的主要分子即可！

第 3 部分：生命藍圖 - DNA (Supplement 4.1.4)

遺傳物質 DNA（脫氧核糖核酸 Deoxyribonucleic acid）是一種特殊的生物分子，攜帶著製造蛋白質的指令。

3.1 DNA 的結構

DNA 有一種非常著名的結構，被描述為雙螺旋 (Double helix)。想像一架被扭轉起來的梯子！

• 股 (Strands)：DNA 分子由兩條股組成。
• 螺旋 (Coiling)：這兩條股盤旋在一起，形成了雙螺旋形狀。
• 化學鹼基 (Chemical Bases)：每一條股都包含特定的化學物質，稱為鹼基。
• 鹼基配對 (Base Pairing)：鹼基對之間的化學鍵將兩條股固定在一起（就像梯子的橫檔）。

3.2 互補鹼基配對

鹼基不是隨意配對的，它們遵循一條嚴格的規則，稱為互補鹼基配對 (Complementary Base Pairing)：

• A 總是與 T 配對（腺嘌呤 Adenine 與 胸腺嘧啶 Thymine 配對）。
• C 總是與 G 配對（胞嘧啶 Cytosine 與 鳥嘌呤 Guanine 配對）。

第 4 部分：生物分子檢測（食物測試）(Core 4.1.3)

在實驗室中，我們使用簡單的化學測試來找出食物樣本中含有哪些生物分子。你需要記住測試試劑（加入的化學物質）以及呈現陽性反應時的顏色變化。

4.1 澱粉測試

• 試劑：碘液 (Iodine Solution)（通常溶解在碘化鉀溶液中）。
• 初始顏色：棕色或橙黃色。
• 陽性結果：溶液變成藍黑色（或深紫/黑色）。
• 操作筆記：此測試通常在室溫下進行。

4.2 還原糖測試（例如：葡萄糖）

還原糖是像葡萄糖這樣的單糖。

• 試劑：本氏試劑 (Benedict’s Solution)。
• 初始顏色：藍色。
• 操作筆記：你必須將混合物加熱（通常在熱水浴中）幾分鐘。
• 陽性結果：發生顏色變化並產生沉澱。顏色順序為：藍色 → 綠色 → 黃色 → 橙色 → 磚紅色。磚紅色表示還原糖濃度很高。

4.3 蛋白質測試

• 試劑：雙縮脲試劑 (Biuret Test)（通常先使用氫氧化鈉溶液，再加入硫酸銅溶液；有時市售為單一試劑）。
• 初始顏色：藍色。
• 陽性結果：溶液變成淡紫色或紫色。
• 操作筆記：此測試在室溫下進行。

4.4 脂肪和油測試（脂質）

• 測試名稱：乙醇乳化測試 (Ethanol Emulsion Test)。
• 方法：
  1. 將食物樣本與乙醇（酒精）混合。
  2. 將乙醇溶液倒入裝有冷水的試管中。
• 陽性結果：水中形成渾濁的白色乳狀液（出現乳白色）。
• 類比：如果你將透明的油攪拌到清澈的水中，它們會混合。但如果你先將油溶解在酒精中，再倒入水中，脂質會析出，產生明顯的渾濁層，就像牛奶一樣！

4.5 維生素 C 測試

維生素 C（抗壞血酸 Ascorbic Acid）是一種必需維生素，但與其他物質不同，它不是大型生物大分子。

• 試劑：DCPIP 溶液 (Dichlorophenolindophenol)。
• 初始顏色：藍色。
• 方法：將食物樣本（通常是果汁）逐滴加入到少量 DCPIP 溶液中。
• 陽性結果：如果存在維生素 C，藍色的 DCPIP 溶液會被還原（發生化學變化）並變為無色。
• 注意：使 DCPIP 變為無色所需的果汁滴數越多，說明該食物中的維生素 C 含量越少。