化学生物学课件

化學ChemicalBiology1Thecoursea.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:(02)28712121Ext.33632Whatischemicalbiology?>>Tounderstandthebiologicalfunctionsatthemolecularandcellularlevelsbyusingthechemicaltools(includingchemicalprinciplesandchemicalsastools)a.DNAandRNAb.Proteinsc.Carbohydratesd.Low-molecular-weightmetabolites3TextbookTheWorldoftheCell,5thedition

BenjaminCummingsPublisher(2003)BeckerW.M.,L.J.Kleinsmith,andJ.Hardin,eds.>>Othersupportivereferenceswillbeprovided.5Dateandtitlesofpart1(Shiao)_______________________________________2/19Thechemistryofthecell(2)2/26Themacromoleculesofthecell(3)3/4Bioenergetics(5,13)3/11Membranesandtransportacrossthemembranes(7,8)3/18Enzymes(6)_______________________________________6Chapter2: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7Theimportanceofcarbon(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)9Theimportanceofcarbon(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)10CabcdChiralcenterStereoisomers11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-solubletosomeextentHydrophilicHydrophobicAmphipathic13WaterHydrogenbonding14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)15Functionsofmembranes17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)18Phospholipids:amphipathicmolecules(membranecomposition)19Biomembranes:Phospholipidbilayer21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?22Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles

5.Cell23Thesynthesisofbiologicalmacromolecules25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,stablecovalentbondingrepeatedly26Spontaneouspeptidefolding29Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles

5.Cell30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。31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?32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。33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)34Assemblybymodules(B)AABABCABCDABCDEABCDE+FGHIJ

ABCDEFABCDEFGABCDEFGHABCDEFGHIABCDEFGHIJABCDEFGHIJStepwiseModule35例:膽固醇的生物合成

(Cholesterolbiosynthesis)膽固醇(cholesterol;C27H46O1)為一個含有27個碳的高還原狀態生物分子，為動物細胞膜的重要組成，其廿七碳架構的前趨物(precursor)為一個30個碳的化合物(lanosterol)。此30個碳的化合物則由二個相同的十五碳中間物(十五碳型模組)(farnesylbisphosphate;FPP)所拼成，此十五碳中間物又是由一種含5個碳的共同建材(isopentenylbisphosphate;IPP)而來。此五碳建材又來自三個雙碳的建材，此雙碳建材即為acetylcoenzymeA(CH3CO-SCoA)，acetylcoenzymeA又為飽和脂肪酸生合成的共同碳源。生物系統中不同型態的生物分子的組合過程，亦可能共享同一建材。C27(cholesterol)C302xC153xC5C63xC2(acetylCoA)

36Thesynthesisofmacromolecules:Activatedmonomers37模組(modules)atthegenelevel(C)GeneclusteringGenemoduleABCDXa.Efficiencyb.Regulation38生物大分子的建構原則(II)2.將生物大分子拆解成建材，或重組建材成生物大分子的過程，因涉及安定性甚高之化學鍵(chemicalbonds)的斷裂，以及再生成具有同樣安定之化學鍵，故淨過程的自由能(freeenergy)相近，但是活化能(activationenergy;DG*)則會較大。3.此類反應若須於生理狀態下進行，則須被催化，亦即須有生物催化劑(biocatalyst)(ex.酵素;酶;enzyme)參與，才足以加速(催化)其進行。39生物分子的建構原則(III)>>>BiomacromoleculesexhibithighchemicalstabilityduetolargeDG*,ifassemblyordegradationreactionsarenotcatalyzedReactioncoordinateEnergyReactantsProductsDG*40生物分子的建構原則(III)4.生化反應(biochemicalreaction)均由酵素(enzymes)所催化，藉著生物催化劑加速生化反應，造成:a.被催化的生化反應(catalyzedbiochemicalreaction):

1.效率(efficiency)2.專一性(specificity)3.調控(controlandcoordination)b.未被催化的反應:

於生理狀態下，反應速率相對地非常慢，或跡近不發生。41影響生物分子高次結構的作用力大致為較弱的作用力(I)構築建材成線性生物分子的鍵結具高度安定性(較強之共價鍵)，但影響這些生物分子的高次結構的作用力卻大致均為較弱作用力。2.因為生物分子(如蛋白質、DNA)結構亦須能更動，始能發揮其功能角色，例如，DNA的雙股須能快速局部分開，始易被複製。酵素與基質(substrates)結合，兩方之結構亦須能互動適合(inducedfit)，始能發揮催化功能。42Thethree-dimensionalstructureofhemoglobina2b243影響生物分子高次結構的作用力大致為較弱的作用力(II)>>影響高次結構的弱作用力(包括：氫鍵、凡得瓦爾力、charge-chargeinteraction等non-covalent作用力)其能量均較組合建材的共價鍵(covalentbond)為低。Linearskeletonvs.higher-orderstructurea.氫鍵(hydrogenbond)(3-5kcal/mol)b.凡得瓦爾力(VanderWaalsforces)(0.1-0.2kcal/mol)c.Hydrophobicinteractiond.Charge-chargeinteraction(notionicbond)

44Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellular