化學生物學Chemical Biology,1,The course,a. Lecture (2 hours per week) (3:305:20 PM, Thursday) b. Three instructors 1. Shiao (VGH-Taipei) (5) 2. Lin (6) 3. Lee (4) About the course evaluation 蕭明熙 台北榮民總醫院 教學研究部 Tel: (02)28712121 Ext. 3363,2,What is chemical biology?,To understand the biological functions at the molecular and cellular levels by using the chemical tools (including chemical principles and chemicals as tools) a. DNA and RNA b. Proteins c. Carbohydrates d. Low-molecular-weight metabolites,3,Aims of this course,a. To bridge between (organic) chemistry and biology b. To interpret the chemical principles that govern the biological functions at the molecular and cellular levels c. To provide chemical basis of the complicated biological systems d. To link organic chemistry with courses of biochemistry and cell biology,4,Textbook,The World of the Cell, 5th edition Benjamin Cummings Publisher (2003) Becker W. M., L. J. Kleinsmith, and J. Hardin, eds. Other supportive references will be provided.,5,Date and titles of part 1 (Shiao),_ 2/19 The chemistry of the cell (2) 2/26 The macromolecules of the cell (3) 3/4 Bioenergetics (5, 13) 3/11 Membranes and transport across the membranes (7, 8) 3/18 Enzymes (6) _,6,Chapter 2: The Chemistry of the Cell 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 (life science) 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,The importance of carbon (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 (amino acids)、胜肽(peptides)、蛋白質(proteins) 2. 醣類(carbohydrates) 3. 核酸(nucleic acids) 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 (covalent bond)，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,The importance of carbon (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 (covalent bonds)，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,The importance of carbon (II),碳可產生多鍵結的安定共價鍵 (covalent bonds): SP3 : tetrahedron (Cabcd) SP2 : planar (C=C and C=X) SP : linear (ex. HC=CH) a. 安定 (stable) b.多元 (diverse) c.立體化學 (stereochemistry),10,Cabcd Chiral center Stereoisomers,11,Stereochemistry,L-amino acids,12,生命系統是在水系統中進行的 (I) Water (H-O-H),a. Polar and forming hydrogen bond (氫鍵) b. Heat stabilizing capacity (high heat capacity and high heat of vaporization) c. Excellent solvent: biomolecules should be water-soluble to some extent Hydrophilic Hydrophobic Amphipathic,13,Water,Hydrogen bonding,14,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 (pH 7) 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,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(cytoplasmic membrane) 及次細胞膜 (subcellular membrane)。 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,Functions of membranes,17,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-outer signal transduction) e. 細胞間黏附與交互作用(adhesion and interaction),18,Phospholipids: amphipathic molecules (membrane composition),19,Biomembranes: phospholipid (PL) bilayers,Amphipathic,20,Biomembranes: Phospholipid bilayer,21,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 Biomembranes Network? Fiber like? Gate type?,22,Fig. 2-14. Hierarchical nature of cellular structures and their assembly,1. Small molecules,2. Macromolecules,3. Supramolecular structures,4. Subcellular organelles,5. Cell,23,Cell architecture (I),Level 1: Small organic molecules Level 2: Macromolecules Level 3: Supramolecular structures Level 4: Sub-cellular organelles Level 5: The cell,24,The synthesis of biological macromolecules,25,生物大分子 (biological macromolecules) 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 (building blocks) 方式組合(I) Synthesis by polymerization of monomers using same, stable covalent bonding repeatedly,26,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/C 4種氮鹼的核苷酸所組成，而DNA則是由A/T/G/C 4種氮鹼 (nitrogen bases) 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 (supramolecular structures) 的能力。 自我組合(self-assembly),27,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-order structures) 亦大致已定。 Supramolecular structures: 自我組合(self-assembly),28,Spontaneous peptide folding,29,Fig. 2-14. Hierarchical nature of cellular structures and their assembly,1. Small molecules,2. Macromolecules,3. Supramolecular structures,4. Subcellular organelles,5. Cell,30,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(covalent bond),a. 各胺(氨)基酸間利用胜肽鍵 (peptide bond) (即醯胺鍵; amide bond) 組成胜肽(peptide)和蛋白質(protein)。 b. RNA和DNA利用N-glycosidic bond將氮鹼(nitrogen base)與核醣相結合，二個相鄰核苷則是用磷酸雙酯鍵 (phosphodiester bond) 相結合。 c. 可皂化脂質(lipids)的脂肪酸(fatty acid)與甘油