C2 細胞與分子投影片


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同學們大多學習過細胞的構造，生化也離不開細胞，因此課本不得不再討論一次細胞的各種胞器與功能；但不同的是，這次請完全以『分子的角度』來觀察一個細胞，可以說是細胞的生物化學觀點。事實上，整本生化課本，也是在討論細胞中各種大小分子的構造與行為而已。

以如此角度，可以討論的課題很多，但目前只能集中在最後一個主題：生物的巨分子，是由基本的小分子單位所連接而成的。細胞內的三大巨分子，均是如此；而其組成並非凌亂地接成長串即可，而是有一定的序列，此序列即造就了生命的基本運作機制。以下將討論這種序列的重要性 (細胞的構造就省略掉了，也可以去選修分子細胞生物學)。

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自然界雖然物質是趨向最大亂度，但生命卻是以消耗能量來保持其秩序性。就像人類的文字有其排列意義，一棟房屋有其建築藍圖，生命的巨分子也有其排列法則；這種有規則的序列，是生命的最基本條件。事實上，這個序列也是基因所傳遞信息 (meme) 的根本。

從大爆炸開始，一直都在進行著組合的遊戲：基本粒子組成質子、中子，後者組成各種形形色色的原子，原子組成小分子，小分子再組成巨分子。巨分子因為能夠複製，開始有了繁衍自己的能力；但並非所有的巨分子都能有效地複製自己，複製能力差的就要被淘汰。因此，好的序列可以有好的複製能力，也就會成為優勝者。演化的巨大力量，在早期地球的分子世界已經殘酷地開始運作。

若你能瞭解上圖的意義，知道細胞的運作以及巨分子的次序，都是如此井井有條，那為何我們的生活環境卻是亂七八糟？

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細胞內有三大類巨分子，都是由特定的單位小分子所組成，回想自大爆炸開始，整個宇宙都在做組合的遊戲。巨分子核酸由核苷酸單位組成，蛋白質由胺基酸，多醣類由單糖組成；有關它們的詳細構造及性質，在以後的課程中介紹，在此則說明三者差異。

另外，這些小分子之間，都是以『脫水反應』連接起來的。反之，若要把巨分子分解，是以加入水分子來進行『水解反應』的。

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核酸及蛋白質分子中，其序列的變異性都很大，而多醣則較單調；因此前兩種分子，不是帶有信息，就是賦有生物功能，而多醣則主要只作為能量的貯存之用，或是生物體的構造性建材。

請注意，這些組合有很多層次，而且越來越複雜，並且衍生出一定的規則。例如字母組成單字，單字再組成片語，片語加單字組成句子，許多句子組成文章。每形成一個更複雜的層次，就會產生新的機能性，例如質子與中子組成原子，各種原子的性質都不一樣；胺基酸的長鏈組成的蛋白質，後者會有不同於原來胺基酸的功能。

我覺得英文的片語很有趣，有類似前述那種層次的特質。例如，put, up 及 with 三個單字的意思大家都能理解，然而把三個字變成片語 put up with，就變成『忍受』的意思，與原來的字義毫不相干。

以遺傳信息而言，核酸最為神奇，因為它不只可以貯藏，而且還可以複製其所含的遺傳密碼。而核酸所用的基本字母，居然只有四個，然後任取三個字母為一組單字，可以轉譯為胺基酸，進而連接成蛋白質。這就是生命運轉最重要的一條大道，F. Crick 稱之為 Central Dogma (生命的中心教條)。

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核酸序列可說蘊藏著生命的祕密，因為所有生命都是由其所含基因的核酸序列，決定將表達出何種蛋白質，然後蛋白質藉著其功能性質，表現細胞的種種生命特質。因此過去十年來，科學家開始對各種生物的基因，進行其核酸序列的解碼工作，人類的基因在 1999 年初步解碼，以 ATCG 為字母，全部共達 30 億個密碼，可寫滿一張 DVD 光碟。植物方面，阿拉伯芥是實驗室最常見的研究對象，也被歐美日的研究團體合作解碼 (2000 年)。

刺激人類基因解碼的科學家 C. Venter 後來又自創 J. Craig Venter Institute，挑戰人造生命形式，嘗試轉殖整個微生物的染色體，並在 2007 年六月的國際會議發表初步成果。早先在 2002 年紐約州立大學 SUNY 科學家 E. Wimmer，由網路下載病毒基因序列，經郵購得到合成的基因，再依照一般程序把病毒組合起來，注入病毒的小鼠立刻痲痹後死亡。

■ 請參考新聞 Science (2002) 297: 174；原始論文 Science (2002) 297: 1016。

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人類的染色體總共約有兩萬四基因，存放在 23 對染色體，每一對分別由精子與卵子而來。因此每一條都有一條對應染色體，含有對應基因，互稱同源染色體，故一般人體細胞核內共有 46 條染色體。染色體平時是一長條核酸，散佈開在細胞核中運作；當細胞準備分裂時，此長條染色體先複製成為兩條，並捲繞成為我們所熟知的染色體模樣 (X 型)。

若把人體細胞核比擬成電腦硬碟，則所含共 24,000 個檔案，分別存放在 23 個子目錄中。然而這 23 個子目錄，每一個都有一對應子目錄，兩者所含的檔案類似，檔名也相同，但內容可能有點不一樣，有時只會使用其中的一個檔案 (顯性基因)。而這兩套子目錄，是分別由兩個不同的來源 (精子及卵子) 所得到的。

體細胞分裂前，46 個子目錄先複製所含的檔案 (上圖右側 X 形染色體)，每個 X 形染色體由中心粒分裂成兩半，其中的一半移到另一磁片；因此新的磁片也將含有 46 個子目錄，與原先的磁片沒什麼不同。

但是產生精子或卵子時，當所有檔案複製後，相對應的同源染色體之間，先互換其檔案或內容；然後每一對同源染色體，只選取其中之一，因此新磁片中的染色體只有 23 條。精子與卵子的染色體數目，只有一般細胞的一半，稱為減數分裂。

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人體基因序列解碼是一浩大工程，共有三十億個鹼基序列，在 2001 年已完成初稿，是一部蘊藏著人類生命奧祕的『有字天書』，也開啟了『基因體學 genomics』及『生物資訊學 bioinformatics』的時代。

除了紅血球沒有細胞核，以及精子或卵子細胞只含有一半染色體，我們身體上每個細胞，都攜帶有上述的完整遺傳資訊，理論上都可以重新建構一個新的個體。但只有遺傳訊息，還不能啟動發育，以形成完整的生物體。染色體上的基因，要有種種之調控系統，以協調並組織生物體的正常發育。

這有點像你擁有一片光碟，裡面有 46 首音樂，但必須放在光碟機中播放，才會產生音樂；光碟機可以啟動光碟，並有解讀資訊以轉換成聲波的功能。只有一張光碟，你是聽不到任何音樂的。

基因序列剛解碼時，所得到的序列都只是初步的草圖，並且有許多地方無法定出。除了要仔細比對確認序列，並且耐心檢查核酸序列的意義。例如找出每個基因的首尾，確定其 intron/exon 位置。如此經過定義註解後的序列資料，對科學家才有進一步的用處，可以開始使用電腦進行種種序列上的運算與比對，這就是生物資訊學的範疇。

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比對一些不同動物的基因後，發現基因的大小有很大差異，但卻都能行使完整的生物功能，顯然那些染色體過大的動物細胞中，含有許多『不必要』的核酸。河豚的基因令科學家極感興趣，因為它的染色體大小約只有人類的十分之一，但是卻含有相似數目的功能基因。初步瞭解是河豚的基因比較不會任意『複製副本』，也就不會做出一大堆功能相似的基因，或者無用的假基因，佔據著染色體。

■ Science (2002) 297: 1301 (Perspectives)。

染色體所有密碼中，最後只有 1% 是會表達出蛋白質的基因，而人類與黑猩猩的基因中有 99% 是相同的，只有 1% 差異 (但 2007 年研究認為可能差異更高，也許相差到 6.4%)。

■ 請參考新聞 Science (2007) 316: 1836。

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地球上的生物，小至病毒、細菌，大至人類、鯨魚、杉木，所有生物的基本運作，都基於 Central Dogma。因此當動物吃了植物，把植物的核酸、蛋白質、糖類等巨分子分解成小分子，就可被動物吸收利用；而當動物死後，也會被細菌等微細生物分解吸收；事實上在這個大循環裡，誰都沒有佔到太大便宜。

巨分子之間，會有互相指引的關係，例如 DNA 指引 RNA 的產生，RNA 再引導蛋白質合成，蛋白質的功能也會調節 DNA 或 RNA 的表現。三者間互有分工機制，如此應用各種巨分子的不同特性。

另外引發了一個問題，假如真有外星生命，則構成此外星生命的分子形式將如何？也就是說，他們是否也是以 Central Dogma 來進行生命機制？是否也使用 A, T, C, G 四種鹼基？也是利用我們所用的二十種胺基酸？這些問題目前無法明確回答。但是推論外星人可能使用相同或類似的原子，相信是較為確定，因為整個宇宙都由週期表上的原子所構成；但它們所使用原子的種類與組成，則可能與人類有差異，因為不同的星球可能有不同比例的蘊藏元素。

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Richard Dawkins 的巨著 The Selfish Gene 引起了相當的震撼，因為他明白地指出，人類或萬物不過是基因利用來繁衍基因自身的一種工具而已；以生物或演化的角度看來，事實上確是如此。基因的所有行為及目的，都是以其自身的傳遞為第一優先。這個概念使得人類對自己存在的意義，產生極大的懷疑與恐慌。

更令人驚訝的是，本以為基因繁衍的是 DNA 這種分子，我們出生、成長、及結婚生子、死亡等過程，全在傳遞我們細胞核中的那長條 DNA 分子。但在發現地球上最早的分子可能是 RNA 而非 DNA 後，大家又對所要傳遞的東西是否真的是 DNA，開始感到懷疑。因為假如 RNA 真的是最早的傳遞分子，為何會被 DNA 篡位？

因此，生物所要傳遞的，也許不是物質層面的 DNA 或 RNA 分子，而是其上面的分子序列；也就是說，是 DNA 或 RNA 都不重要，重要的是上面所攜帶的信息。若物質的 DNA 是以一種叫基因 gene 的單位來傳遞，那麼上述這種信息傳遞，也好像可有一種單位，Dawkins 創造了一個新名詞叫做 Meme (迷因)。 Meme 寄生在基因中，以基因為『肉身』把自己一直傳遞下去，而此肉身可以是早期的 RNA，也可以是現在的 DNA，甚至是電腦光碟。 Meme 的概念事實上無所不在，例如我們到處散佈教條、傳播觀念，我們都要別人聽自己的想法，否定別人的想法，這是微觀的 meme 的鉅觀表現。

■ 若有興趣，天下有本書的翻譯本『自私的基因』可以一讀。

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從另一觀點看，不管是病毒或鯨魚或是人類，都是使用相同的四種核苷酸、二十種胺基酸、若干種主要單醣類。各種生命形式間，都是可以互通的；因此各生物間只有複雜與簡單之分，而無所謂高低善惡，因為能夠歷練演化過程而存活至今者，都是相當奇妙。

而生物間的相互殘食，可看成是一種互相依賴的關係，不見得只是無意義的消滅對方；就整個地球看來，並不會因某一物種的壯大或消滅，而有所增減。甚至表面上敵對的雙方，真正卻可能互相有所依賴。例如病毒一向寄生並危害人類，但若人類把所有的病毒一舉消滅，則人類可能在短期內也漸漸滅亡。因為某些病毒可能刺激人類的免疫系統，幫助誘發人類對環境的抵抗力。

你的人身，也是各種奇妙生命活動的組合，其中蘊藏著所有生物學大發現的根本。雖然一般人並不確知細胞如何運作，但他身上所有的細胞，卻是孜孜不倦地工作著；該呼吸的呼吸，該心跳的心跳，二十四小時維護你的舒適生活，毫無怨言。因此，我們應該好好感謝身上所有的細胞，並且努力且有意義地活著。

我常常覺得，我們身上細胞本能地努力工作 (有彼良能)，而我們卻不知道它們的存在與貢獻 (無此良知)。

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