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生物化學 Biochemistry Basics 2008 細胞與分子 Cell and Molecule |
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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 |
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■ 細胞與分子 |
■ 相關投影片 |
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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。
圖 1 原核細胞與真核細胞的比較 |
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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，可生成胺基酸或核苷酸等單位小分子，後者再聚合成組合生命基礎的幾大類巨分子。
圖 2 由大霹靂到原始細胞的產生 |
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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) 是由胜苷聚醣 (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。 |
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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 (圖 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 |
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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)
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