化學生物學 化學生物學 Chemical Biology
1
The course
a. Lecture (2 hours per week) (3:30—5:20 PM, Thursday) b. Three instructors 1. Shiao (VGH-Taipei) (5) 2. Lin (6) 3. Lee (4) About the course evaluation
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
1. Small molecules
2. Macromolecules
3. Supramolecular structures
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)
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)
Fig. 2-14. Hierarchical nature of cellular structures and their assembly
30
結合建材而形成生物大分子的鍵結方式 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) 狀況下甚為安定的共價鍵 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)與甘油或 膽固醇(cholesterol)間則以酯鍵 (ester bond) 相 結合。 >>>這些共價鍵結均在常溫、中性水系統中有極 這些共價鍵結均在常溫、 這些共價鍵結均在常溫 高的化學安定性。 高的化學安定性
27
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-order structures) 亦大致已定。
5
Байду номын сангаас
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) _______________________________________
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
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
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 細胞 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
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.
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)
26
生物大分子合成原則(II) 生物大分子合成原則
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 自我組合(self-assembly) 成超分子高次 自我組合 結構 (supramolecular structures) 的能力。 自我組合(self-assembly) 自我組合
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)
Supramolecular structures: 自我組合 自我組合(self-assembly)
28
Spontaneous peptide folding
29
1. Small molecules
2. Macromolecules
3. Supramolecular structures
4. Subcellular organelles 5. Cell
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
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。