生物化學 Biochemistry Basics 2008

細胞與分子 Cell and Molecule

回首頁

講義下載

   

 

目 錄

1  第一節

組合式宇宙粒子  分子演化 

2  第二節

組合式宇宙粒子  分子演化 

3  第三節

組合式宇宙粒子  分子演化 

問題集 

 Wikipedia

生命源起

原核細胞

 

 

細胞與分子

相關投影片

細胞是生命的單位,所有生物皆由細胞構成,探討生命現象可由研究細胞開始。最近數十年來注重分子層次的研究,特別是蛋白質、核酸、酵素等巨分子,是分子生物學的主流。生物依其複雜性,可分為單細胞與多細胞生物,後者由許多細胞共同組成個体,這些細胞分司不同功能以維持個体生存,稱為分化;分化是細胞演化的重要關卡。就單一個細胞組成來看,有較原始簡單的 原核細胞 (prokaryote) 及較複雜的 真核細胞 (eukaryote),在構造與功能上有很大差異。

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)

 圖 1 原核細胞與真核細胞的比較

 

C1-1

C1-2

1  生命源起:

 a. 組合式之宇宙粒子

宇宙誕生後所生成的基本粒子,先組合成各種不同大小的元素,集合一些原子再組合成簡單的基本小分子。這些小分子在地球演化初期的巨大能量催化下,可生成胺基酸或核酸等單位小分子,後者再聚合成組合生命基礎的幾大類巨分子。

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

 

 圖 2 由大霹靂到原始細胞的產生

 

投影片 C1

 

 

C1-3

C1-14

 

 

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,就是 molecular cell biology

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) 是由胜聚醣 (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。

2.2 古生菌 (archaebacteria):

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;喜好生長在極端的條件,極類似地球演化的早期狀態。可分為三大類:

1) Methanogens:甲烷菌極度厭氧,利用二氧化碳及氫氣產生甲烷。

2) Halophiles:嗜鹽菌,生長在如死海的高鹽濃度區。

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

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),原核細胞沒有細胞核。

 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)。細胞核的形成,可能是由細胞的外膜向內皺縮,包圍住染色體後所造成的球狀體。

 

 

投影片 C2

 

C2-1

 

 

 

 

 

3  細胞分子: 

構成生物細胞的大部份分子都帶有電荷,有帶正電荷、有帶負電。許多分子上同時帶有正電及負電基團,具有兩性 (amphoteric) 性質;可計算其正、負電荷數目的多寡,決定淨電荷之正或負。而環境 H+ 濃度 (pH) 的變化,會影響分子淨電荷的正負 ( 3)。這種分子的帶電性質,及其因環境影響所導致的變化,是決定分子構造與功能的重要因素。

分子與分子之間,或者同一分子裡面,有多種非共價的作用力存在。這些微弱作用力是構成分子構形 (conformation) 及分子間親和力 (affinity) 的主要因素,統稱為二級鍵 (secondary bonds)

 a. 離子鍵 (electrostatic bond) 是正電荷與負電荷之間的吸引力,但容易因水合而破壞。

 b. 氫鍵 (hydrogen bond) 乃因分子中的氫原子陰電性太弱而保不住電子,使得原子核裸露出來,而帶有正電荷,與帶負電荷的氧原子 (或氮原子) 之間,所生成的引力。

 c. 疏水性引力 (hydrophobic interaction):非極性分子具疏水性,兩個疏水性分子,因受環境極性水環境的排斥,分子間會生成 非極性-非極性的疏水性引力。水溶液中的巨分子,其疏水性引力多發生在分子內部。

 d. 凡得瓦爾力 (van der Waals force)非極性或極性很弱的分子表面,其原子受到鄰近分子上面電子的影響 (吸引或排斥),會產生局部且短暫的偶極,因而有微弱的引力,是為凡得瓦爾力。兩個原子的距離要適中,以求得最大的凡得瓦爾力,稱為該原子的凡得瓦爾半徑。兩分子之間因構形互補 所生成的專一性吸引力,主要是由許多凡得瓦爾力所共同構成的。

 

下圖 4 以基本的原子軌道的觀點,整理從原子組成簡單有機分子的過程。

 

 圖 4 由原子到有機分子的組合

投影片 C3

 

C3-1

問題集   題目不一定有標準答案,甚至會引起很大的爭議,但這就是問題集之目的。

 1. Stanley Miller 把一些簡單的小分子放在一真空容器中,給予能量反應一週後,可以生成哪些物質?

 2. 請以演化觀點說明細胞內粒線體的來源。

 3. 請舉出五種生化的構造或分子,其中含有氫鍵。例如:蛋白質的 alpha helix

 4. 分子的極性是如何產生的? 為何極性分子只喜歡與極性分子結合?

18. 是非選擇題 (答案寫在內,是→○、非→╳)

1) 那些胞器具有雙層胞膜?

      細胞核  葉綠体  粒線体  造粉体  微体 (microbody)

2) 在演化上是外來的胞器:

      細胞核  葉綠体  粒線体  質体  □ 微小体 (microsome)

 

 

 

 

本網頁最近修訂日期: 2008/02/01