化学生物学

1化學生物學ChemicalBiology2Thecoursea.Lecture(2hoursperweek)(3:30—5:20PM,Thursday)b.Threeinstructors1.Shiao(VGH-Taipei)(5)2.Lin(6)3.Lee(4)Aboutthecourseevaluation蕭明熙台北榮民總醫院教學研究部Tel:[phone]Ext.33633Whatischemicalbiology?Tounderstandthebiologicalfunctionsatthemolecularandcellularlevelsbyusingthechemicaltools(includingchemicalprinciplesandchemicalsastools)a.DNAandRNAb.Proteinsc.Carbohydratesd.Low-molecular-weightmetabolites4Aimsofthiscoursea.Tobridgebetween(organic)chemistryandbiologyb.Tointerpretthechemicalprinciplesthatgovernthebiologicalfunctionsatthemolecularandcellularlevelsc.Toprovidechemicalbasisofthecomplicatedbiologicalsystemsd.Tolinkorganicchemistrywithcoursesofbiochemistryandcellbiology5TextbookTheWorldoftheCell,5theditionBenjaminCummingsPublisher(2003)BeckerW.M.,L.J.Kleinsmith,andJ.Hardin,eds.Othersupportivereferenceswillbeprovided.6Dateandtitlesofpart1(Shiao)_______________________________________2/19Thechemistryofthecell(2)2/26Themacromoleculesofthecell(3)3/4Bioenergetics(5,13)3/11Membranesandtransportacrossthemembranes(7,8)3/18Enzymes(6)_______________________________________7Chapter2:TheChemistryoftheCell細胞內的化學生命的基本單位是細胞(cells)，生命體是由許多分工複雜的細胞所組成，高等生命體須能執行生長、生殖、新陳代謝、對生長環境具有反應能力等等生命現象。生命科學(lifescience)泛指研究生命體何以能表現生命現象的科學。生命現象均可視為生命的基本單位(細胞)因其所含的生物分子(biomolecules)特質，依化學與物理原則運作下所呈現的。了解生物分子的基本化學性質，有助於掌握生命現象的原理和規律。細胞運作的化學原理並無因控管生命現象而有不同。細胞運作的化學原理8Theimportanceofcarbon(C)生物分子的組成和功能上的複雜性是建立在含碳化合物(有機化合物)的多元性而來生物分子大致可分為下列四大項:1.胺基酸(aminoacids)、胜肽(peptides)、蛋白質(proteins)2.醣類(carbohydrates)3.核酸(nucleicacids)4.脂質(lipids)組成這四大類生物分子的有機化合物均含碳元素。元素碳藉著可產生多鍵結之共價鍵(covalentbond)，以及碳可呈現SP3(正四面體)和SP2(平面)之混成軌域，而造成含碳化合物立體構形多變化。9Theimportanceofcarbon(I)組成這四大類生物分子的有機化合物均含碳元素。碳可產生多鍵結的安定共價鍵(covalentbonds)，以及碳可呈現SP3(正四面體)(tetrahedron)和SP2(平面)之混成軌域，造成含碳化合物立體構形多變化。a.安定(stable)b.多元(diverse)c.立體化學(stereochemistry)10Theimportanceofcarbon(II)碳可產生多鍵結的安定共價鍵(covalentbonds):SP3:tetrahedron(Cabcd)SP2:planar(C=CandC=X)SP:linear(ex.HC=CH)a.安定(stable)b.多元(diverse)c.立體化學(stereochemistry)11CabcdChiralcenterStereoisomers12StereochemistryL-aminoacids13生命系統是在水系統中進行的(I)Water(H-O-H)a.Polarandforminghydrogenbond(氫鍵)b.Heatstabilizingcapacity(highheatcapacityandhighheatofvaporization)c.Excellentsolvent:biomoleculesshouldbewater-solubletosomeextentHydrophilicHydrophobicAmphipathic14WaterHydrogenbonding15生命系統是在水系統中進行的(II)生命系統所進行的化學反應大都是在接近中性(pH7)的水系統中進行a.水可溶(water-soluble)b.中性(neutral)c.濃度(concentration)d.區隔化(compartmentation)16細胞膜(I)1.每一個細胞均有細胞膜，細胞膜呈現磷脂雙層且鑲有蛋白質的構造，包括:細胞外圍的胞漿膜(cytoplasmicmembrane)及次細胞膜(subcellularmembrane)。2.細胞藉胞膜做為內外之區隔，胞膜具有邊界、區位化、通透、監測內外訊息、細胞間黏附與交互作用的功能。17Functionsofmembranes18細胞膜(II)細胞藉胞膜做為內外之區隔，胞膜具有邊界、區位化、通透、監測內外訊息、細胞間黏附與交互作用的功能。細胞膜的功能a.邊界(boundary)b.區位化(compartmentation)c.通透(permeability)d.監測內外訊息(inner-outersignaltransduction)e.細胞間黏附與交互作用(adhesionandinteraction)19Phospholipids:amphipathicmolecules(membranecomposition)20Biomembranes:phospholipid(PL)bilayersAmphipathic21Biomembranes:Phospholipidbilayer22細胞膜(III)a.邊界b.區位化c.通透d.監測內外訊息e.細胞間黏附與交互作用BiomembranesNetwork?Fiberlike?Gatetype?23Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles5.Cell24Cellarchitecture(I)Level1:SmallorganicmoleculesLevel2:MacromoleculesLevel3:SupramolecularstructuresLevel4:Sub-cellularorganellesLevel5:Thecell25Thesynthesisofbiologicalmacromolecules26生物大分子(biologicalmacromolecules)合成原則(I)生物大分子種類及結構變化雖多，但其合成原則大致都是採用小分子建材(buildingblocks)方式組合(I)Synthesisbypolymerizationofmonomersusingsame,stablecovalentbondingrepeatedly27生物大分子合成原則(II)a.胜肽(peptides)與蛋白質(proteins)是由20種的胺基酸所組成的。RNA由含A/U/G/C4種氮鹼的核苷酸所組成，而DNA則是由A/T/G/C4種氮鹼(nitrogenbases)的去氧核醣核苷酸組成。b.這些生物分子在合成(包括DNA複製)過程中，即有自我組合(self-assembly)成超分子高次結構(supramolecularstructures)的能力。自我組合(self-assembly)28生物大分子合成原則(III)c.複製後的二條DNA，每條均已呈雙股(double-stranded)互補(complementary)。細胞分裂為二後，每個子細胞之胞漿膜亦已組妥為磷脂雙層。蛋白質被表達出來後，其高次結構(higher-orderstructures)亦大致已定。Supramolecularstructures:自我組合(self-assembly)29Spontaneouspeptidefolding30Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles5.Cell31結合建材而形成生物大分子的鍵結方式:均為在生理狀況下甚為安定的共價鍵(covalentbond)a.各胺(氨)基酸間利用胜肽鍵(peptidebond)(即醯胺鍵;amidebond)組成胜肽(peptide)和蛋白質(protein)。b.RNA和DNA利用N-glycosidicbond將氮鹼(nitrogenbase)與核醣相結合，二個相鄰核苷則是用磷酸雙酯鍵(phosphodiesterbond)相結合。c.可皂化脂質(lipids)的脂肪酸(fattyacid)與甘油或膽固醇(cholesterol)間則以酯鍵(esterbond)相結合。這些共價鍵結均在常溫、中性水系統中有極高的化學安定性。32生理狀況下安定的共價鍵何謂生理狀況下甚為安定的共價鍵(covalentbond)?a.Proteinsb.DNA(butnotRNA)c.Lipidsd.Carbohydrates(lessstableinacidiccondition)為何在生理狀況下須甚為安定?33生物大分子的建構原則(I)1.生物分子的建構原則是採用安定性高的共價鍵結合”建材(buildingblocks)”，以組成結構與活性均呈多變化的生物分子。此策略有下列優勢：a.線性結構上安定的生物分子不會在須更動高次結構的狀況下崩解。(peptideasanexample)b.可將生物分子的”建材”重複使用。例如，人類可攝取植物性蛋白質，將之分解成胺基酸後，再自行組合出自身須用的蛋白質。34生物大分子的建構原則:模組(modules)(A)以模組(modules)的方式增加建材構築生物分子的效率和複雜性。由小分子建材先組成模組，再重複取用模組來拼成較複雜的生物分子，亦是生物系統的策略之一。此策略的優點包括:a.減少錯誤b.縮短拼裝流程c.不致累積太多種的中間物(intermediates)35Assemblybymodules(B)AABABCABCDABCDEABCDE+FGHIJABCDEFABCDEF