化學(xué)生物學(xué)課件

化學(xué)生物學(xué)2024/4/17化學(xué)生物學(xué)Thecoursea.Lecture(2hoursperweek)(3:30—5:20PM,Thursday)b.Threeinstructors1.Shiao(VGH-Taipei)(5)2.Lin(6)3.Lee(4)

Aboutthecourseevaluation蕭明熙臺北榮民總醫(yī)院教學(xué)研究部Tel:(02)28712121Ext.33632化學(xué)生物學(xué)Whatischemicalbiology?>>Tounderstandthebiologicalfunctionsatthemolecularandcellularlevelsbyusingthechemicaltools(includingchemicalprinciplesandchemicalsastools)a.DNAandRNAb.Proteinsc.Carbohydratesd.Low-molecular-weightmetabolites3化學(xué)生物學(xué)Aimsofthiscoursea.Tobridgebetween(organic)chemistryandbiologyb.Tointerpretthechemicalprinciplesthatgovernthebiologicalfunctionsatthemolecularandcellularlevelsc.Toprovidechemicalbasisofthecomplicatedbiologicalsystemsd.Tolinkorganicchemistrywithcoursesofbiochemistryandcellbiology4化學(xué)生物學(xué)TextbookTheWorldoftheCell,5thedition

BenjaminCummingsPublisher(2003)BeckerW.M.,L.J.Kleinsmith,andJ.Hardin,eds.>>Othersupportivereferenceswillbeprovided.5化學(xué)生物學(xué)Dateandtitlesofpart1(Shiao)_______________________________________2/19Thechemistryofthecell(2)2/26Themacromoleculesofthecell(3)3/4Bioenergetics(5,13)3/11Membranesandtransportacrossthemembranes(7,8)3/18Enzymes(6)_______________________________________6化學(xué)生物學(xué)Chapter2:TheChemistryoftheCell

細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)>>生命的基本單位是細(xì)胞(cells)，生命體是由許多分工複雜的細(xì)胞所組成，高等生命體須能執(zhí)行生長、生殖、新陳代謝、對生長環(huán)境具有反應(yīng)能力等等生命現(xiàn)象。生命科學(xué)(lifescience)泛指研究生命體何以能表現(xiàn)生命現(xiàn)象的科學(xué)。>>>生命現(xiàn)象均可視為生命的基本單位(細(xì)胞)因其所含的生物分子(biomolecules)特質(zhì)，依化學(xué)與物理原則運作下所呈現(xiàn)的。了解生物分子的基本化學(xué)性質(zhì)，有助於掌握生命現(xiàn)象的原理和規(guī)律。細(xì)胞運作的化學(xué)原理並無因控管生命現(xiàn)象而有不同。細(xì)胞運作的化學(xué)原理7化學(xué)生物學(xué)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)、勝肽(peptides)、蛋白質(zhì)(proteins)2.醣類(carbohydrates)3.核酸(nucleicacids)4.脂質(zhì)(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(chǎn)生多鍵結(jié)之共價鍵(covalentbond)，以及碳可呈現(xiàn)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(gòu)形多變化。8化學(xué)生物學(xué)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(chǎn)生多鍵結(jié)的安定共價鍵(covalentbonds)，以及碳可呈現(xiàn)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(gòu)形多變化。a.安定(stable)b.多元(diverse)c.立體化學(xué)(stereochemistry)9化學(xué)生物學(xué)Theimportanceofcarbon(II)>>>碳可產(chǎn)生多鍵結(jié)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(xué)(stereochemistry)10化學(xué)生物學(xué)CabcdChiralcenterStereoisomers11化學(xué)生物學(xué)StereochemistryL-aminoacids12化學(xué)生物學(xué)生命系統(tǒng)是在水系統(tǒng)中進行的(I)

Water(H-O-H)a.Polarandforminghydrogenbond(氫鍵)b.Heatstabilizingcapacity(highheatcapacityandhighheatofvaporization)c.Excellentsolvent:biomoleculesshouldbewater-solubletosomeextentHydrophilicHydrophobicAmphipathic13化學(xué)生物學(xué)WaterHydrogenbonding14化學(xué)生物學(xué)生命系統(tǒng)是在水系統(tǒng)中進行的(II)生命系統(tǒng)所進行的化學(xué)反應(yīng)大都是在接近中性(pH7)的水系統(tǒng)中進行a.水可溶(water-soluble)b.中性(neutral)c.濃度(concentration)d.區(qū)隔化(compartmentation)15化學(xué)生物學(xué)細(xì)胞膜(I)1.每一個細(xì)胞均有細(xì)胞膜，細(xì)胞膜呈現(xiàn)磷脂雙層且鑲有蛋白質(zhì)的構(gòu)造，包括:細(xì)胞外圍的胞漿膜(cytoplasmicmembrane)及次細(xì)胞膜(subcellularmembrane)。2.細(xì)胞藉胞膜做為內(nèi)外之區(qū)隔，胞膜具有邊界、區(qū)位化、通透、監(jiān)測內(nèi)外訊息、細(xì)胞間黏附與交互作用的功能。16化學(xué)生物學(xué)Functionsofmembranes17化學(xué)生物學(xué)細(xì)胞膜(II)>>>細(xì)胞藉胞膜做為內(nèi)外之區(qū)隔，胞膜具有邊界、區(qū)位化、通透、監(jiān)測內(nèi)外訊息、細(xì)胞間黏附與交互作用的功能。>>細(xì)胞膜的功能a.邊界(boundary)b.區(qū)位化(compartmentation)c.通透(permeability)d.監(jiān)測內(nèi)外訊息(inner-outersignaltransduction)e.細(xì)胞間黏附與交互作用(adhesionandinteraction)18化學(xué)生物學(xué)Phospholipids:amphipathicmolecules(membranecomposition)19化學(xué)生物學(xué)Biomembranes:phospholipid(PL)bilayersAmphipathic20化學(xué)生物學(xué)Biomembranes:Phospholipidbilayer21化學(xué)生物學(xué)細(xì)胞膜(III)a.邊界b.區(qū)位化c.通透d.監(jiān)測內(nèi)外訊息e.細(xì)胞間黏附與交互作用BiomembranesNetwork?Fiberlike?Gatetype?22化學(xué)生物學(xué)Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles

5.Cell23化學(xué)生物學(xué)Cellarchitecture(I)Level1:SmallorganicmoleculesLevel2:MacromoleculesLevel3:SupramolecularstructuresLevel4:Sub-cellularorganellesLevel5:Thecell24化學(xué)生物學(xué)Thesynthesisofbiologicalmacromolecules25化學(xué)生物學(xué)生物大分子(biologicalmacromolecules)合成原則(I)>>>生物大分子種類及結(jié)構(gòu)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化學(xué)生物學(xué)生物大分子合成原則(II)a.勝肽(peptides)與蛋白質(zhì)(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(jié)構(gòu)(supramolecularstructures)的能力。自我組合(self-assembly)27化學(xué)生物學(xué)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(xì)胞分裂為二後，每個子細(xì)胞之胞漿膜亦已組妥為磷脂雙層。蛋白質(zhì)被表達(dá)出來後，其高次結(jié)構(gòu)(higher-orderstructures)亦大致已定。Supramolecularstructures:自我組合(self-assembly)28化學(xué)生物學(xué)Spontaneouspeptidefolding29化學(xué)生物學(xué)Fig.2-14.Hierarchicalnatureofcellularstructuresandtheirassembly1.Smallmolecules2.Macromolecules3.Supramolecularstructures4.Subcellularorganelles

5.Cell30化學(xué)生物學(xué)結(jié)合建材而形成生物大分子的鍵結(jié)方式:均為在生理狀況下甚為安定的共價鍵(covalentbond)a.各胺(氨)基酸間利用勝肽鍵(peptidebond)(即醯胺鍵;amidebond)組成勝肽(peptide)和蛋白質(zhì)(protein)。b.RNA和DNA利用N-glycosidicbond將氮鹼(nitrogenbase)與核醣相結(jié)合，二個相鄰核苷則是用磷酸雙酯鍵(phosphodiesterbond)相結(jié)合。c.可皂化脂質(zhì)(lipids)的脂肪酸(fattyacid)與甘油或膽固醇(cholesterol)間則以酯鍵(esterbond)相結(jié)合。>>>這些共價鍵結(jié)均在常溫、中性水系統(tǒng)中有極高的化學(xué)安定性。31化學(xué)生物學(xué)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化學(xué)生物學(xué)生物大分子的建構(gòu)原則(I)1.生物分子的建構(gòu)原則是採用安定性高的共價鍵結(jié)合”建材(buildingblocks)”，以組成結(jié)構(gòu)與活性均呈多變化的生物分子。此策略有下列優(yōu)勢：a.線性結(jié)構(gòu)上安定的生物分子不會在須更動高次結(jié)構(gòu)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(zhì)，將之分解成胺基酸後，再自行組合出自身須用的蛋白質(zhì)。33化學(xué)生物學(xué)生物大分子的建構(gòu)原則:模組(modules)(A)>>>以模組(modules)的方式增加建材構(gòu)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(tǒng)的策略之一。此策略的優(yōu)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化學(xué)生物學(xué)Assemblybymodules(B)AABABCABCDABCDEABCDE+FGHIJ

ABCDEFABCDEFGABCDEFGHABCDEFGHIABCDEFGHIJABCDEFGHIJStepwiseModule35化學(xué)生物學(xué)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(tài)生物分子，為動物細(xì)胞膜的重要組成，其廿七碳架構(gòu)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(tǒng)中不同型態(tài)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化學(xué)生物學(xué)Thesynthesisofmacromolecules:Activatedmonomers37化學(xué)生物學(xué)模組(modules)atthegenelevel(C)GeneclusteringGenemoduleABCDXa.Efficiencyb.Regulation38化學(xué)生物學(xué)生物大分子的建構(gòu)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(xué)鍵(chemicalbonds)的斷裂，以及再生成具有同樣安定之化學(xué)鍵，故淨(jìng)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(yīng)若須於生理狀態(tài)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化學(xué)生物學(xué)生物分子的建構(gòu)原則(III)>>>BiomacromoleculesexhibithighchemicalstabilityduetolargeDG*,ifassemblyordegradationreactionsarenotcatalyzedReactioncoordinateEnergyReactantsProductsDG*40化學(xué)生物學(xué)生物分子的建構(gòu)原則(III)4.生化反應(yīng)(biochemicalreaction)均由酵素(enzymes)所催化，藉著生物催化劑加速生化反應(yīng)，造成:a.被催化的生化反應(yīng)(catalyzedbiochemicalreaction):

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

於生理狀態(tài)下，反應(yīng)速率相對地非常慢，或跡近不發(fā)生。41化學(xué)生物學(xué)影響生物分子高次結(jié)構(gòu)的作用力大致為較弱的作用力(I)構(gòu)築建材成線性生物分子的鍵結(jié)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(jié)構(gòu)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(zhì)、DNA)結(jié)構(gòu)亦須能更動，始能發(fā)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(zhì)(substrates)結(jié)合，兩方之結(jié)構(gòu)亦須能互動適合(inducedfit)，始能發(fā)揮催化功能。42化學(xué)生物學(xué)Thethree-dimensionalstructureofhemoglobina2b243化學(xué)生物學(xué)影響生物分子高次結(jié)構(gòu)的作用力大致為較弱的作用力(II)>>影響高次結(jié)構(gòu)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化學(xué)生物學(xué)Fig