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細胞與分子

生物化學基礎總目錄  (概論、胺基酸、蛋白質加上酵素)

 

Online Biology Book  (網路生物學教本,相當簡潔清楚,可作為隨手查閱之用)

   
   

 F1

 

圖 1  原核細胞與真核細胞的比較

 

原核與真核兩種細胞,其構造上有相當的不同,在生物化學的各種構成分子與其生理作用,有相同處但也有相異者。在學習生化各種主題時,要隨時注意該主題是發生在何種細胞;若是發生在真核細胞,又要探討是發生在何種胞器。

 

到幻燈片集成

   

1

生命源起

 

第一章 細胞與分子 (目錄)  (生命源起與細胞的分子)

a.

組合式宇宙粒子:

 

宇宙誕生後所生成的 基本粒子,先組合成各種大小的 元素,許多原子再組合成簡單的 有機小分子。這些小分子在地球演化初期的巨大能量催化下,可生成胺基酸或核苷酸小分子單位,後者再聚合成為生命基礎的 巨分子

 

From Primordial Soup to the Prebiotic Beach (訪問 Stanley Miller)

 

 RNA is the First Genetic Molecule  (CSHL 教學網頁DNA from the Beginning  中文版)

   

b.

分子演化:  

 

巨分子中以核酸分子最為奇特,發展出 複製 自身分子的機制,並且可能有 催化 此複製機制的功能。 而蛋白質因為其分子外形的多樣性,可能有更好的催化效果,並可經由核酸分子上的信息指導進行合成,因此蛋白質與核酸演變成為一組可以 繁衍 自身的共生聚合体

   

c.

原始細胞:  

 

上述核酸與蛋白質的共生,在原始地球的資源漸漸不足後,再獲取一 脂質薄膜 包住此聚合体,以確保原料物質的掌控,以及分子自身的有效複製,成為原始的細胞形式。 此一原始生命形態,具有完整且獨立的生命單位,可吸取外界的養料分子,並經由複製分裂而繁衍

 

The History of the Universe (由大爆炸開始,簡要說明宇宙的生成)

   
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圖 2  由大爆炸到原始細胞的產生

 

由大爆炸開始,一路以組合方式,組成原子、分子、巨分子、細胞、生命。 核酸與蛋白質可能是最關鍵的兩種巨分子,生命現象因此得以發生。

 

NASA: Astrobiology (美國太空總署主要任務之一:探索外太空生命)

 

Windows to the Universe (密西根大學的通俗宇宙學網站)

 

Hyman: The Physics of Water in The Universe (由大爆炸開始到水分子的生成)

 

BBC 中文: 美學者發現最古老的生命? (最古老的生命證據有了爭執)

 

到幻燈片集成

   

2

細胞的生物化學

   

 

以生物化學的觀點,複習細胞的重要活動。最近生命科學的大趨勢,是以分子層次的觀察,研究細胞乃至於器官或生物整體的生理現象,稱為 molecular cell biology

 

第二節 細胞的生物化學觀點  (細胞內巨分子的特點)

 

一粒細胞見世界 (天下科學人文系列)

 

有幾個國外網站提供一些細胞構造生物學資料:

 

Cell Biology Topics (基本的細胞學知識,是阿肯色大學的上課材料)

 

A Web Atlas of Cellular Structures (以顯微照片說明細胞構造)

 

The Virtual Cell (以電腦動畫顯現幾種細胞構造,但不很細膩)

   
 

2.1

原核細胞:

 

原核細胞的代表 大腸菌 (E. coli),構造較為簡單,是分子生物學的主要研究對象。       

a.

細胞壁 (cell wall) 由 聚醣 (peptidoglycan) 構成,結構堅固,其功能有︰

 

   (1) 保護細胞; (2) 細胞內外物質及訊息的交通; (3) 抗原性及 (噬菌体) 接受体。

b.

鞭毛 (flagella) 使細菌運動,而 纖毛 (pili) 為細菌交配時的管道。

c.

細胞膜 (cell membrane) 控制細胞內外的選擇性交通,膜蛋白有重要功能。

d.

細胞質 (cytoplasma) 散佈著各種分子,主要是可溶性酵素、核糖体 (ribosome)。

e.

核區 (nuclear region) 不是真正的細胞核,散佈著遺傳物質 DNA,細菌通常有一或數條 DNA 分子;細胞質中有環狀的 質體 DNA,是基因選殖的主要載體。

 

Bacterial Cell Structure (Cells Alive 的原核細胞圖解)

   
 

2.2

古生菌:

 

是一種介於原核與真核細胞間的細菌。古生菌與已知的原核細胞,在生化性質上有相當差異;喜生長在極端的條件,極類似地球演化的早期狀態;可分為三大類:      

a.

Methanogens: 甲烷菌極度厭氧,利用二氧化碳及氫氣產生甲烷。

b.

Halophiles: 嗜鹽菌,生長在如死海的高鹽濃度區。

c.

Thermacidophiles: 嗜酸熱菌,生長在火山口及溫泉帶,可耐酸至 pH 2。

 

Scientific American: Extremophiles (在極端環境下生長的古生菌有很特殊的蛋白質) 

 

Introduction to the Archaea (UC BerkeleyMuseum of Paleontology

   
 

2.3

真核細胞:

 

原核細胞與真核細胞的最大差異,在於後者有許多 胞器 (cellular organelles),構造複雜;而最顯著的一個胞器,就是 細胞核 (nucleus),原核細胞無細胞核。  

 

Plant, Animal and Bacteria Cell Models (Cells Alive 各種細胞的模型)

 

 

a.

細胞核 

 

由雙層核膜包圍著,膜上有 核孔,核內有 核仁 (nucleolus),核仁含大量 RNA,其餘的 核質 (nucleoplasm) 部分則散佈著 染色質 (chromatin),染色質含遺傳物質 DNA,在細胞分裂前,染色質會凝集成 染色体 (chromosome)。 細胞核可能是由細胞外膜向內皺縮,包住染色體後形成球狀所造成。

 

Mitosis World (有幾段細胞有絲分裂的電影,你需要有 Quick Time 軟體)

 

Animal Cell Mitosis (Cells Alive 以動畫描述細胞分裂的幾個時期)

 

Meiosis Tutorial (以圖畫及照片說明減數分裂的過程)

 

Cell Cycle (Cells Alive 的細胞分裂以動畫整理說明)

 

 All Cells Arise from Pre-Existing Cells  (CSHL: 動畫說明細胞分裂週期  中文版)

 

 Sex Cells Have One Set of Chromosome  (CSHL: 以減數分裂產生生殖細胞  中文版)

 

 Development Balances Cell Growth and Death  (CSHL: 細胞分裂週期及細胞驅動死亡  中文版)

b.

內質網 (endoplasmic reticulum, ER): 

 

是細胞蛋白質的合成及輸送系統,依外形分為 RER (rough ER) 及 SER (smooth ER); RER 在其膜上附著顆粒狀的 核糖体 (ribosome),蛋白質合成後可通過內質網膜分泌到細胞外;不分泌到胞外的蛋白質,則由游離散佈在細胞質中的核醣体來製造。 SER表面光滑,沒有核糖体附著,可能與脂質的合成有關。

 

Scientific American: A Cellular Zip Code (1999 諾貝爾生理獎 Gunther Blobel)  

c.

高爾基氏体 (Golgi body)是細胞內蛋白質的 集散地加工場

 

(1) 由內質網輸送來的蛋白質集中於此,分類後一部分分泌出細胞外。

 

(2) 不分泌出細胞的蛋白質,則集中後包裝成小球体,即為 微体 (microbodies)。

 

(3) 醣蛋白 (glycoprotein) 等在此修飾加上醣類。

d.

微体 (microbodies)有很多種,都含某種劇烈的酵素,有特定的生化功能。

 

(1) Lysosomes (溶脢体) 含有 溶菌脢 (lysozyme) 等多種水解酵素,以消化外來蛋白質、核酸、醣類等分子。植物細胞內的對等胞器為液泡,其体積都很大。

 

(2) Peroxisomes含有 觸脢 (catalase),把有害細胞的 H2O2 分解成水。

 

(3) Glyoxosomes 可把脂質轉化成醣類,也是植物特有胞器的一種。

e.

細胞骨架系統 (cytoskeleton elements)

 

由許多小管所交錯構成,用以支持細胞,並行細胞運動、胞內運輸 及 細胞分裂。

f.

細胞膜 (cell membrane)真核細胞最外層胞膜上附有許多蛋白質,有複雜的功能。

 

(1) 細胞間辨認 的特異性標記,如免疫學的各種T細胞上都有不同標記。

 

(2) 荷爾蒙受体,與其配體分子接觸後,可引發細胞內一連串信息傳導反應。

 

(3) 細胞內外離子的 輸送幫浦,也都是由蛋白質所組成。

 

 DNA Responses to Signals from Outside of the Cell  (CSHL: 細胞分裂週期及細胞驅動死亡  中文版)

g.

粒線体 (mitochondria)是細胞產生能量的地方。

 

(1) 由雙層膜組成,內層向細胞內伸展,皺褶成為 (cristae)。    瘠上有顆粒密佈,是藉 呼吸鏈 進行能量代謝的地方,可生成 ATP。

 

(2) 粒線体有自己的 DNA,也可以合成蛋白質,是細胞內的自治區;可能是可以行呼吸作用的原核細胞,侵入早期的真核細胞後,留在宿主細胞中共生。

 

Scientific American: Death to Sperm Mitochondria (你的粒線體 DNA 為何只由媽媽供應)

h.

葉綠体 (chloroplast) 造粉体 (amyloplast)

 

(1) 葉綠体進行光合作用捕捉太陽光能,與細胞壁、液泡及造粉体都是 植物 特有胞器。葉綠體是地球生物圈最關鍵的一環,缺少葉綠體將導致所有生物滅亡。

 

(2) 造粉体含有大量澱粉粒,與葉綠体都屬 胞質体 (plastid),二者是 同源器官,都是由相同的前體 (proplastid) 演變來,有的還可互相轉變。

 

(3) 胞質体也都有自己的 DNA,可能是早期的原核光合菌,進入真核細胞後產生的共生系統。粒線體與胞質體這兩種共生胞器,都與能量的代謝有關。

 

演化之舞  (天下科學人文系列)

 

Higher Cells Incorporate an Ancient Chromosome (CSHL: 細胞如何吞入葉綠體或粒線體  中文版)

i.

其它

 

(1) 細胞外套 (cell coat) 只有部份動物細胞才有,會表現 抗原性; 癌細胞的細胞外套成分可以改變,以逃避免疫系統。

 

(2) 微粒体 (microsome) 是細胞打碎後,內質網破片形成的人為小球,並非胞器。

 

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