有機化學的基礎69(下)

徐弘毅：

1.       為什麼一個分子的化學鍵不均勻斷裂後產生的分子碎片，會有機會與其他分子結合成新的分子？因為宇宙間存在著萬有引力；斷裂後的分子碎片，只要能靠近其他分子，就有機會產生引力，使彼此互相吸引，進而鍵結在一起。

2.       為什麼某些分子碎片(親核劑)比較喜歡找帶正電的物質結合？某些分子碎片(親電劑)比較喜歡找帶負電的物質結合？

3.       「親核劑」自己的電子太多，需要找帶正電的物質平衡一下，這是親核劑的慣性；「親電劑」自己的電子缺乏，需要找有多於負電的物質補充，這是親電劑的慣性。

4.       「親核劑」自己電子很多，遇到的也是電子很多的分子(或原子、離子)，那麼，就不會加速度靠近，甚至會因為同性相斥的關係，而有反作用力彈開。

5.       如果電子很多的「親核劑」，遇到缺電的分子(或原子、離子)，那就會因為異性相吸的關係，而加速靠近，根據第二運動定律，加速靠近會使得力量增加，二分子接榫成一個分子的機率就變大。

6.       為什麼「第三丁基陽離子」和「水」鍵結，製造出「第三丁醇t-butanol」之後，會扔掉1個質子？

7.       「第三丁基陽離子」是「親電劑」，「水」是「親核劑」，這二個分子正負相吸，加速度靠近產生的力量，雖然可以讓雙方鍵結成功，另一方面也產生反作用力，使得水分子尾端的氫原子核(質子)被彈開。

8.       水分子裡的「氧」，它的慣性是有2組孤對電子(4個電子)靠近自己，滿足原子核的引力需求，只提供2個電子與2個氫原子共價；「水」分子的氧原子，把孤對電子，提供給「第三丁基陽離子」的碳，失去的部分，如何補償？

9.       「氧」去搶奪鍵結原子「氫」身上的電子，來恢復自己的慣性。因為氧的「質量」遠大於氫，所以，氫的電子依據「萬有引力」定律靠向氧，氫原子核(質子)只能認輸離開。

10.   每個原子都希望自己最外層的電子，能夠填滿「8個電子」(氫的只需要2個電子就填滿)，如果能達到這個目標，又沒有其他外力影響，那就繼續保持下去。

11.   因此，「親電劑」找到恰當的對象可以彼此滿足，就會互相吸引，在沒有外力干擾的情況下，就會永遠保持這個新的「慣性」下去，這樣就互相「鍵結」，形成新的分子了。

12.   萬有引力定律：『宇宙間的一切物體，彼此有一個吸引力的作用，其大小與質量的乘積成正比，與兩物體間的距離平方成反比。』也就是二物體的質量愈大，引力愈大；距離愈近，引力愈大。

13.   慣性定律：物體若不受外力作用，則它的運動狀態恆維持不變。

14.   運動定律（即Ｆ＝ｍａ）：一個物體受外力Ｆ作用時，它的加速度ａ與Ｆ成正比，但是與其質量ｍ成反比。

15.   作用與反作用力定律：每對一個物體施一個力量，那個物體必同時產生一個反作用力，二股力大小相等，方向相反；施力的時候，反作用力同時發生，如果施力結束，反作用力也同時消失。

 

 

有機化學的基礎69(上)

1.       一般說來，光靠化學鍵斷裂，是不太可能把一個穩定的有機分子變成另一種分子，在打斷化學鍵之後，還必須要形成新的化學鍵，這樣，所有參與化學反應的原子，才能在新的分子產物中維持他們正常的價電能階(最穩定的狀態)。

2.       例如，第三級丁醇t-butanol在「布忍斯特酸」中的不均斷裂 (注)，「C-O碳氧」鍵斷裂，形成水，在新形成的產物「水」分子裡面，每個氧原子和氫原子的價電能階殼層都被滿足了，而「第三級丁基碳陽離子 t-butyl carbocation」，則因為碳原子失去電子而帶有正極，整個碳原子只能享有6個價電子(原子外層價電子要8個才叫填滿，才會穩定)。見第一列圖

注：布忍斯特酸，會提供質子H+的物質；不均勻斷裂heterolytic cleavage，化學鍵斷裂的時候，共價的2個電子不會均勻地分配到二個分子身上，而是完全偏向、分配給某一個分子。

3.       丁基的「第三級碳陽離子」可以跟「氯離子Cl-」反應，形成穩定的產物(分子)：第三級氯丁烷 t-butyl chloride。這二個離子，分別扮演「親電劑electrophile」和「親核劑nucleophile」：見第二列圖

4.       有太多電子的物質，例如氯離子，通常被稱為「親核劑nucleophiles」，因為他們會去尋找帶正極的中心原子靠近。

5.       「親核劑Nucleophile」 這個字，源自於希臘文的「原子核nucleo」，和「愛philos」，直翻就是「愛原子核」，因為陽離子會帶正極，是因為外面的電子太少，無法遮蔽原子核的正電力所造成，所以氯離子拼命靠近陽離子，是愛原子核的行為。

6.       缺少電子的物質，例如碳陽離子，被稱為「親電劑electrophile」，因為他們會去尋找帶有負極的原子靠近。

7.       「親電劑electrophile」這個字，源自於希臘文「電子electros」和「愛philos」，直翻就是「愛電子」，也就是碳陽離子拼命靠近帶負電的離子，是愛電子的行為。

8.       親核劑和親電子劑，不一定是極性分子。

9.       因為要成為親核劑，只要這個物質有孤對的電子就夠了(一個原子與其它原子鍵結之後，還多餘下來2個電子，不需要參與鍵結，這多餘的電子稱為孤對電子)。例如，「水H2O」和「氨NH3」在有機化學反應中，就扮演了親核劑的角色。

10.   「第三丁基陽離子t-butyl cation」和「水H2O」，起反應之後，水分子的「氧」原子有孤對電子，有孤對電子的「氧」尋找第「三丁基陽離子」鍵結(親核)之後，正電極太多，原本水分子身上的質子變得多餘，於是，再扔掉多餘的1個質子，最後製造出「第三丁醇t-butanol」。見第三列圖

11.   同樣的道理，親電子劑，只需要有一個原子，可以接受從親核劑而來的電子就可以了。

12.   「親核劑Nucleophile」指的是，傾向於提供電子給其他原子(通常是碳)的原子、離子、或原子群。

13.   「親電子劑electrophile」指的是，傾向於接受其他原子的電子的原子、離子、原子群。

14.   因此，一個負極的陰離子和中性的物質相比，是比較親原子核；一個正極的陽離子和中性務質相比，是比較親電子的。

15.   「親核劑」的表現就像路易斯鹼Lewis bases(電子提供者)，「親電劑」的表現就像路易斯酸Lewis bases (電子接受者)。(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry》)

生物學的歷史67(下)

1.      內共生學說endosymbiont hypothesis(由Lynn Margulis提出)：

1.       在葉綠體與粒腺體裡面，用來合成DNA、RNA和蛋白質的酵素，品質上很像原核細胞的酵素，完全不像真核植物細胞的酵素。

2.       不像真核細胞的細胞核DNA，纏繞在核小體(nucleosomes)上，葉綠體和粒腺體的DNA幾乎全裸、無包裹，就像原核細胞的DNA那樣。

3.       葉綠體和粒腺體單一染色體，經常是環型的，就像細菌的染色體。

4.       葉綠體和粒腺體的核醣體，大小就像原核細胞的核醣體；跟真核細胞在細胞質的核醣體相比，葉綠體和粒腺體的核醣體比較小。

5.       葉綠體和粒腺體的基因表現，跟原核細胞很相似；它們都是使用同樣的基因控制序列，基因都沒有內插子introns(用來修整、擷取基因)，而內插子是真核細胞的基因特徵。

2.      簡而言之，有龐大的性狀特徵可證明，葉綠體和粒腺體這二個器官，是來自於原核細胞祖先。

3.      如果葉綠體和粒腺體確實是在細胞內共生，那麼，這個共生一定是互利的。

4.      寄生原核細胞(葉綠體或粒腺體)，讓厭氧的宿主變得比較能接受氧氣，因為寄生的原核細胞會利用氧氣進行有氧呼吸；如果有葉綠體存在，它們還會利用光能來合成有機化合物。

5.      另一方面，宿主提供一個比較穩定、有保護的環境，給比較小的有機體(葉綠體或粒腺體)，並且展現其他對它們(葉綠體或粒腺體)有利的功能，例如合成蛋白質。

6.      這種互利共生最後演化成永遠的夥伴關係，構成真核細胞eucaryotic cell。(翻譯改寫Carol H. McFadden, William T. Keeton的《Biology-An Exploration of Life生物學》)

徐弘毅：

1.       35億年前，某些細菌選擇聚集在一起，某些細菌各自飄散在海洋中；聚集在一起的細菌會分泌一些黏性物質，來捕捉流經它們的各種物質，作為食物，這就是「細菌墊」。

2.       「細菌墊」是一種共生的形式，這種共生一定是互利的，所以會持續很久，直到變成「疊層石」。

3.       共生當中也會有資源競爭，例如沉澱物堆積會把某些細菌埋在下頭，而無法取得氧份，這時所有的細菌都必須競相往層疊石的表層移動，移動能力較強或者能夠把下一代繁殖在表層的這種細菌，會成為強勢物種。

4.       聚集在一起的各種細菌，如果發生食物不足，彼此就會激烈競爭，這時就會發生互相吞吃的現象，這就可能引發宿主與寄生關係。

5.       35億年前到17億年前，地球上只有原核細胞，古細菌、細菌和藍藻細菌，這些細菌在長達18億年的期間，彼此不斷競爭資源，互相吞吃的結果，出現真核細胞：一個大細胞宿主，內含一個小寄生的原核細胞。

6.       寄生的葉綠體和粒腺體是可以自己複製自己的生物，這是獨立自主的細胞，能夠繁衍自己的後代，跟它們的宿主能力相當，也因為能力相當，所以競爭的結果不相上下，沒有一方能完全消滅另一方，只好共存。

7.       從各方面來看，被視為宿主的真核細胞，除了提供保護之外，沒有任何條件可以適應在有氧的環境中生活，反倒是粒腺體或葉綠素，較能夠適應有氧的環境；

8.       所以，寄生的粒腺體或葉綠素這種原核細胞，應該是在地球出現氧以後才演化出來物種，而宿主真核細胞應該是在地球早期無氧的時候就已經存在的物種。

9.       所以，宿主真核細胞的「核」，應該可以看成是一個獨立的「原核細胞」，這個大原核細胞在地球環境改變後，必須跟「粒腺體」或「葉綠體」這種原核細胞聚集在一起，才能活下去，大原核細胞分泌黏液捕捉「粒腺體」或「葉綠體」，並且再進化合成可隔絕外在環境的細胞膜，避免被其他有機體搶奪，這種共生模式，最後就變成現今我們所見的真核細胞。

10.   這種模式可以從早期「細菌墊」得到啟發，細菌墊的組成包括各種的細菌和藍藻細菌，為了攔截物質，它們會分泌黏液。

11.   當地球的大氣組成改變成到處都是氧氣時，某些細菌演化成有氧呼吸，但是某些細菌仍舊只會無氧呼吸，這時，為了保障自己的生存權，只會無氧呼吸的細菌就會用黏液捕捉能夠有氧呼吸的細菌，分享它的化合物。

12.   如果仔細觀察古細菌墊裡，藍藻和其他細菌彼此的關係，或許可以解開原核細胞演化成真核細胞的奧秘。

生物學的歷史67(上)

1.      今日最古老的化石發現於二個地點：一個在澳洲西部，另一個在非洲南部，這二個地方的化石大約是35億年前。這些化石是細菌，屬於原核細胞，是目前認為最古老的化石。

2.      這些古早的原核細胞，有許多生活在複雜的微生物聚落中，稱為細菌墊bacterial mats，它們覆蓋在淺海和潮間池的底層。這些細菌墊一塊一塊地四散分布，形成了泥巴層，變成化石之後，稱為「疊層石stromatolites」。

3.      這些疊層石生態系統大約出現在35億年前，和今日某些嚴苛環境所發現的細菌墊有許多相似之處。會出現沉積土是因為細菌墊分泌一種黏性物質，用來捕捉流經它們的各種物質(細菌墊的組成包括各種的細菌和藍藻細菌cyanobacteria)。

4.      沉積物累積愈來愈多，最後覆蓋了細菌層，於是細菌穿過沉積物，到它的表層繁衍，形成一個新層。這個過程年復一年地重複，製造出累積好幾層的土團，這個土團可能因為滲入夠多的鈣碳而變成硬石頭。

5.      不同於細菌墊裡的微生物，在古細菌墊旁的開放海域裡，也有許多藍藻和其他細菌存在。

6.      (35億年前)接下來20到25億年，地球上唯一的生物就是原核細胞，包括古細菌、細菌和藍藻細菌，它們占領地球上各種生態環境。

7.      雖然有很多25億年前左右的原核有機體化石被發現，不過，這些都不是可探索最早的真核細胞的直接證據。

8.      最古老的真核細胞化石至少有17億年的歷史，但是，這些細胞的構造已經相當複雜了，因此讓人幾乎沒有機會弄清楚它們是怎麼演化來的。

9.      無論如何，更加了解真核器官的性質，例如葉綠體或粒腺體，有助於為這種複雜的細胞的起源，建立有趣的假設，因為葉綠體或粒腺體是更高等植物與動物的重要器官。

10.  葉綠體和粒腺體是可以自己複製自己的生物(會自行繁衍下一代)。它們的大小跟原核細胞差不多，直徑大約1到10微米，沒有細胞核膜，有一個環型的染色體，能夠用自己的核醣體來合成蛋白質。

11.  簡而言之，葉綠體和粒腺體有一切原核細胞(獨自生活在自然界)的特徵；那麼，這些器官是不是古代原核細胞的後代，只是被寄主細胞吞進細胞裡，然後就永久居留在裡面，並且跟寄主一起演化至今？各種研究顯示，這個答案是對的。

12.  這個觀點最早在19世紀被提出，當科學家第一次用顯微鏡觀察葉綠體，就發現它們跟自然界生活的綠藻細菌很像，因此聯想到葉綠體可能來自於像綠藻細菌那樣的有機體。1920年有人提出粒腺體源自於某種細菌。

13.  最近更多的研究傾向於支持這個觀點：葉綠體源自於光合原核細菌，而粒腺體源自於厭氧細菌。