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奈米馬達 奈米馬達

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Academic year: 2022

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(1)

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

(2)

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

(3)

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

(4)

呼吸作用 呼吸作用

圖片來源

Sylvia S.Mader 生物學 p129 偉明圖書

(5)

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

(6)

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

(7)

圖片來源

Sylvia S.Mader 生物學 p153 偉明圖書

光合磷酸化作用

(8)

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

22

O 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

(9)

• • 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

11

ATP ATP 酶 酶

(10)

F F

00

F F

11

ATP 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

subunit

subunit

可旋轉

可旋轉

β

β

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

(11)

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 1

ATP 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

(12)

F F

00

F F

11

ATP ATP 酶的作用機制 酶的作用機制

(13)

F F

oo

F F

11

ATP ATP 酶的種類 酶的種類

http://baloo.bei.t-online.de/ATP-Bildung/atpsynthase.gif

(14)

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

(15)

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 ATP

ATP

+

+

螢光肌動蛋白

螢光肌動蛋白(

(

actin

actin

)

)

• • 能量 能量 — —

ATP

ATP

‧ ‧ 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

(16)

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 ATP

ATP

(

(

固定於鎳座

固定於鎳座

)

)

+

+

鎳棒

鎳棒

• • 能量 能量 — —

ATP

ATP

• • 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

(17)

• • 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

(

(

hexamer

hexamer

)

)

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

(18)

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

(19)

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

(20)

DNA DNA 馬達 馬達 ( ( 鑷子 鑷子 ) )

‧ ‧ 關閉 關閉 — — 加入一個可與 加入一個可與 B B 、 、 C C 鏈未與 鏈未與 A A 鏈互補 鏈互補 的 的

DNA

DNA

(F

(F

)

) 時,則雙臂會因完成 時,則雙臂會因完成

互補而關起 互補而關起

• • 打開 打開 — — 加入 加入 一段與 一段與 F F 鏈互補的 鏈互補的

(f 鏈

(f

鏈 )

) , , F F - - f f 鏈 鏈 便會結合而移開

便會結合而移開

• • 能量 能量 — —

氫鍵

氫鍵

• • 用途 用途 — —

指揮分子建構

指揮分子建構

(21)

奈米機器人 奈米機器人

‧ ‧ 進度 進度 — — 尚在起步發展階段 尚在起步發展階段

‧ ‧ 展望 展望 — —

* * 去除血管中血栓 去除血管中血栓

* * 清除心臟與動脈中沉積的脂肪 清除心臟與動脈中沉積的脂肪

* * 吞噬病毒 吞噬病毒

* * 殺死癌細胞 殺死癌細胞

* * 藥物或基因載具 藥物或基因載具

* * 修補受傷組織 修補受傷組織

參考文獻

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