化学生物学课件

化学生物学2024/4/17化学生物学Thecoursea.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.33632化学生物学Whatischemicalbiology?>>Tounderstandthebiologicalfunctionsatthemolecularandcellularlevelsbyusingthechemicaltools(includingchemicalprinciplesandchemicalsastools)a.DNAandRNAb.Proteinsc.Carbohydratesd.Low-molecular-weightmetabolites3化学生物学Aimsofthiscoursea.Tobridgebetween(organic)chemistryandbiologyb.Tointerpretthechemicalprinciplesthatgovernthebiologicalfunctionsatthemolecularandcellularlevelsc.Toprovidechemicalbasisofthecomplicatedbiologicalsystemsd.Tolinkorganicchemistrywithcoursesofbiochemistryandcellbiology4化学生物学TextbookTheWorldoftheCell,5thedition

BenjaminCummingsPublisher(2003)BeckerW.M.,L.J.Kleinsmith,andJ.Hardin,eds.>>Othersupportivereferenceswillbeprovided.5化学生物学Dateandtitlesofpart1(Shiao)_______________________________________2/19Thechemistryofthecell(2)2/26Themacromoleculesofthecell(3)3/4Bioenergetics(5,13)3/11Membranesandtransportacrossthemembranes(7,8)3/18Enzymes(6)_______________________________________6化学生物学Chapter2: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7化学生物学Theimportanceofcarbon(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。8化学生物学Theimportanceofcarbon(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)9化学生物学Theimportanceofcarbon(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)10化学生物学CabcdChiralcenterStereoisomers11化学生物学StereochemistryL-aminoacids12化学生物学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-solubletosomeextentHydrophilicHydrophobicAmphipathic13化学生物学WaterHydrogenbonding14化学生物学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)15化学生物学細胞膜(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。16化学生物学Functionsofmembranes17化学生物学細胞膜(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)18化学生物学Phospholipids:amphipathicmolecules(membranecomposition)19化学生物学Biomembranes:phospholipid(PL)bilayersAmphipathic20化学生物学Biomembranes:Phospholipidbilayer21化学生物学細胞膜(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?22化学生物学Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles

5.Cell23化学生物学Cellarchitecture(I)Level1:SmallorganicmoleculesLevel2:MacromoleculesLevel3:SupramolecularstructuresLevel4:Sub-cellularorganellesLevel5:Thecell24化学生物学Thesynthesisofbiologicalmacromolecules25化学生物学生物大分子(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,stablecovalentbondingrepeatedly26化学生物学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)27化学生物学生物大分子合成原則(III)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)28化学生物学Spontaneouspeptidefolding29化学生物学Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles

5.Cell30化学生物学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化学生物学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化学生物学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化学生物学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)34化学生物学Assemblybymodules(B)AABABCABCDABCDEABCDE+FGHIJ

ABCDEFABCDEFGABCDEFGHABCDEFGHIABCDEFGHIJABCDEFGHIJStepwiseModule35化学生物学例: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)

C30

2xC15

3xC5

C6

3xC2(acetylCoA)

36化学生物学Thesynthesisofmacromolecules:Activatedmonomers37化学生物学模組(modules)atthegenelevel(C)GeneclusteringGenemoduleABCDXa.Efficiencyb.Regulation38化学生物学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化学生物学生物分子的建構原則(III)>>>BiomacromoleculesexhibithighchemicalstabilityduetolargeDG*,ifassemblyordegradationreactionsarenotcatalyzedReactioncoordinateEnergyReactantsProductsDG*40化学生物学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化学生物学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。42化学生物学Thethree-dimensionalstructureofhemoglobina2b243化学生物学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)

44化学生物学Fig