生物能量轉換與 生物能量轉換與
奈米馬達 奈米馬達
劉玉山 劉玉山
生物體內的化學能 生物體內的化學能
• • 生物細胞貯存化學能的形式 生物細胞貯存化學能的形式 1.電化學濃度梯度 1. 電化學濃度梯度
2.ATP
2.ATP 分子中的高能磷酸鍵 分子中的高能磷酸鍵
圖片來源
http://www.biology.arizona.edu/biochemistry
圖片來源
http://www.nismat.org/physcor
化學滲透假說 化學滲透假說
( ( Chemiosmotic Chemiosmotic hypothesis) hypothesis)
• • 提出者 提出者 — — Peter Mitchell Peter Mitchell
• • 發現 發現 — — 粒線體 粒線體 ( ( 呼吸作用 呼吸作用 ) )
• • 能量轉換 能量轉換 — —
化學能 化學能 ( ( 電化學濃度梯度 電化學濃度梯度 ) )
→ → 化學能 化學能 ( ( ATP ATP ) )
圖片來源
http://nobelprize.org/chemistry/laureates
呼吸作用 呼吸作用
圖片來源
Sylvia S.Mader 生物學 p129 偉明圖書
呼吸作用的化學滲透磷酸化
圖片來源
Sylvia S.Mader 生物學 p136 偉明圖書
呼吸作用的化學滲透磷酸化 呼吸作用的化學滲透磷酸化
• • 位置 位置 — — 粒線體內膜上 粒線體內膜上
• • 能量轉換 能量轉換 — —
貯存在食物內的化學能 貯存在食物內的化學能
→ → 化學能 化學能 ( ( 電化學濃度梯度 電化學濃度梯度 ) )
→ → 化學能 化學能 ( ( ATP ATP ) )
• • H H
++電化學濃度梯度的建立 電化學濃度梯度的建立 (1) FADH
(1) FADH
2 2— — 6 H 6 H
++(2) NADH
(2) NADH — — 10 10 H H
++圖片來源
http://fajerpc.magnet.fsu.edu/Education
圖片來源
Sylvia S.Mader 生物學 p153 偉明圖書
光合磷酸化作用
光反應的光合磷酸化反應 光反應的光合磷酸化反應
• • 位置 位置 — — 葉綠囊膜上 葉綠囊膜上
• • 能量轉換 能量轉換 — —
光能→ 光能 →化學能 化學能 (電化學濃度 ( 電化學濃度 梯度 梯度 ) → ) → 化學能 化學能 ( ( ATP ATP ) )
• • H H
++電化學濃度梯度的建立 電化學濃度梯度的建立 (1) H
(1) H
22O 的光解 O 的光解
(2)細胞色素複合體 (2) 細胞色素複合體 (3) NADP
(3) NADP
+++ 2H + 2H
++→ → NADPH + H NADPH + H
++ 圖片來源http://www.chemsoc.org/networks/learnne
• • F F
0 0— — H H
++離子孔道 離子孔道 疏水性 疏水性
• • F F
11— — ATP 酶 ATP 酶 (5 (5 - - 12 nm) 12 nm) 親水性 親水性
• • 效率 效率 — — 每 每 10 10 個質子 個質子 轉換 轉換 3 3 個 個 ATP ATP
F F
00— — F F
11ATP ATP 酶 酶
F F
00— — F F
11ATP ATP 酶 酶
• • 功能 功能 — — 旋轉式奈米馬達 旋轉式奈米馬達
‧ ‧ 主要構造 主要構造 — —
F F
0 0— — 由 由 c subunits c subunits 組成的圓柱形 組成的圓柱形 H H
++離子孔道 離子孔道
F F
1 1— — ATP 酶, ATP 酶,包含 包含 3α 3 α + + 3 3 β β + + γ γ + + δ δ + + ε ε (3 (3 α α + + 3 3 β β 為固定不動的核心部位 為固定不動的核心部位 ) )
γ
γ
subunitsubunit
可旋轉可旋轉
→→
ββ
構形改變構形改變 ( ( β β 為酵素的活化部位 為酵素的活化部位 ) )
圖片來源
http://fig.cox.miami.edu/~cmallery
化學滲透假說
化學滲透假說 vs vs 水力發電 水力發電
高位能水 高位能水 (H (H
++濃度梯度 濃度梯度 ) ) 水閘門 水閘門 ( ( F F
0 0離子孔道 離子孔道 ) )
發電機葉片
發電機葉片 (F (F
1 1ATP 酶 ATP 酶 ) )
發電 發電 ( ( ADP ADP 磷酸化 磷酸化
產生 產生 ATP) ATP)
圖片來源http://www.bioc.aecom.yu.edu/labs/girvlab
F F
00— — F F
11ATP ATP 酶的作用機制 酶的作用機制
F F
oo— — F F
11ATP ATP 酶的種類 酶的種類
http://baloo.bei.t-online.de/ATP-Bildung/atpsynthase.gif
奈米馬達 奈米馬達
‧ ‧ 能量轉換 能量轉換 — — 化學能 化學能 → → 機械能 機械能
‧ ‧ 種類 種類 — —
蛋白質奈米馬達
蛋白質奈米馬達 — — ATP ATP 酶 酶 RNA RNA 奈米馬達 奈米馬達
DNA DNA 奈米馬達 奈米馬達
人造奈米馬達 人造奈米馬達
• • 1997 1997 日本 日本 Kinosita Kinosita jr jr
• • 構造 構造 — —
F
F
1 1 ATPATP
酶酶
++
螢光肌動蛋白
螢光肌動蛋白(
(
actinactin
))
• • 能量 能量 — —
ATPATP
‧ ‧ 應用 應用 — — 奈米馬達雛形 奈米馬達雛形
圖片來源http://www.nanonet.go.jp
人造奈米馬達 人造奈米馬達
• • 1999 1999 康乃爾 康乃爾
• • 結構 結構 — —
F
F
1 1 ATPATP
酶酶
((
固定於鎳座固定於鎳座
))
+
+
鎳棒鎳棒
• • 能量 能量 — —
ATPATP
• • 應用 應用 — — 奈米機器人雛形 奈米機器人雛形
http://www.szkp.org.cn/weiguanshijie/images/nami-p6.gif
• • 來源 來源 — — phi29 phi29 病毒 病毒 中的 中的 pRNA(packaging pRNA(packaging RNA) RNA)
• • 結構 結構 — —
六合體六合體
((
hexamerhexamer
))
環狀結構環狀結構
‧ ‧ 功能 功能 — — 包裝 包裝 DNA DNA 分子送入病毒蛋白質外鞘 分子送入病毒蛋白質外鞘
( ( procapsid procapsid ) ) 中 中
• • 能量 能量 — — ATP ATP
http://www.eurekalert.org
天然 天然 RNA RNA 奈米馬達 奈米馬達
人造 人造 RNA RNA 奈米馬達 奈米馬達
• • 美國普渡大學 美國普渡大學 2004 2004
• • 形成 形成 — — RNA RNA 的模塊中 的模塊中 建造出 建造出 3D 3D 陣列 陣列
‧ ‧ 處於初期研發的階段 處於初期研發的階段
‧ ‧ 應用 應用 — — 基因治療 基因治療 使用 使用 的基因輸送
的基因輸送 載體 載體
http://www.spacedaily.com/images/nanotech
DNA DNA 馬達 馬達
• • 美國 美國 Andrew Andrew Turberfield Turberfield 2000 2000
• • 組成 組成 — — 三條 三條 DNA DNA 鏈 鏈 A A 、 、 B 與 B 與 C C
• • 結構 結構 — — A A 鏈連結 鏈連結 B B 與 與 C C 鏈,並且有一 鏈,並且有一 個 個 “ “ 關節 關節 ” ” ,使整個結構能打開或關起 ,使整個結構能打開或關起
圖片來源
http://www.punjabilok.com/science A
B
C