Biochemistry Basics

細胞與分子 胺基酸 蛋白質 酵 素 核 酸

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細胞與分子 

   
   
 

[1] 生命源起   [2] 細胞的生物化學  [3] 細胞分子  [Q] 問題集 

 

圖1   圖2   圖3   圖 4   幻燈片集成   Reference 

   
 

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個体生存,稱為 分化; 分化是細胞演化的重要關卡。 就單一細胞來看,有較原始簡單的 原核細胞 (prokaryote),及較複雜的 真核細胞 (eukaryote)。

   
 

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。

 

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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)

   
    
 

 

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)

 

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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。

 

(3) 病毒 無法歸類入任何一類生物,卻能在細胞中寄生繁衍;因病毒在各種細胞、甚至物種間游走,夾帶部分染色體片段,可能對演化有所影響。對人體而言,病毒可刺激免疫系統,也許不全都是負面的影響。

 

Viruses (Cells Alive 的病毒部份: Bacteria phage, HIV)

 

Horizon: The Virus That Cures (最頂級公視節目,前蘇聯喬治亞科學家以病毒替代抗生素)

   
 

到幻燈片集成

   

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;則視其正、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,及其因環境的變化,是探討分子構造功能的重要因素。

   
 

第三節 細胞分子  (細胞內的分子與微弱鍵結力量)

   
 

 

圖 3  環境 pH 的影響

 

通常一個蛋白質分子上都會帶有電荷,有正電荷、也有副電荷,這些正、負電荷的淨值,即為此蛋白質所帶的 淨電荷;蛋白質的淨電荷可能為正、也可能為負,在某 pH 下蛋白質的淨電荷可能為零,則此 pH 稱為此蛋白質的『等電點』(isoelectric point, pI),一個蛋白質的 pI 通常不會改變。當環境的 pH 大於某蛋白質的的 pI (如上圖某蛋白質的 pI = 6,環境 pH = 9),則此蛋白質的淨電荷為負;反之則為正值。另外,環境的 pH 離其 pI 越遠,則其所帶的淨電荷數目將會越大;越接近 pI 時,所帶淨電荷變小,最後在其 pI 處淨電荷為零。因此,蛋白質溶液的 pH 要很小心選擇,以便使該蛋白質帶有我們所需要的淨電荷,或者不帶有淨電荷。

   
 

3.1

 

Chaplin, Water: Its Structure and Importance (你大概不會想像到水有這麼大的學問)

 

        

a.

生物体內最多的分子是水,水雖然是有 H2O 的分子式,但實際上大部分水分子是以離子形態 (如下兩式),或其他更複雜的構造存在 (水分子組成的冰晶格)。

 

 H2O → H+ + OH-     或    H2O + H+ → H3O

 

Lars Ojamae, Liquid Water, H5O2+ (動畫顯示水分子的運動情形)

 

Chaplin, Ionization of Water, (說明水分子如何離子化成 hydronium)

b.

細胞內 H+ 的濃度,對維護生物体內的正常生理活性非常重要,其實用的尺度即為 pH。 任何生物体內或試管中的生化反應,必須保持恆定的 pH,因為環境 pH 會影響溶液中分子的帶電情形,進而影響其生化反應。

c.

各種生化溶液,均需維持其 pH 的恆定,是為 緩衝作用 (buffering);緩衝液是因為其中含有 緩衝分子,當溶液系統的 pH 改變時 (即其 H+ 濃度改變),緩衝分子可吸收或放出 H+,如此可以調節溶液中的游離 H+ 濃度,因而保持 pH 恆定。

d.

水因為其分子的高度 偶極化,因此有很高的 介電常數 (dielectric constant),會促進極性溶質分子溶入水中,稱為 水合 (hydration)。 只要是在水溶液中進行的反應,水合作用的影響即不可忽視。

   
 

3.2

細胞的組成分子

 

生物体內許多重要的巨分子,都是由單位小分子所組成。古典生化注重上述分子的化學反應以及生理代謝,近代生化則以核酸、蛋白質及酵素為研究中心,現代則深入分子生物學層次,探討 基因 及其 調節機制

a.

生物分子依其大小,可分為小分子及巨分子 (macromolecule),巨分子是由小分子的 單元体 (monomer) 為堆積單位,一個個接起來。例如蛋白質是由胺基酸所組成的。

 

有規則的序列  (序列是很重要的)

b.

常見的小分子有胺基酸、單醣、脂質、核酸等,都是体內分子的 運輸 形式; 而大分子有蛋白質、多醣、核酸等,是 功能構造貯藏 形式。 另有許多具有生物活性的小分子,如輔脢及維生素,其中以水含量最多,作用也最廣泛。

 

細胞內的三種巨分子  (核酸、蛋白質、多糖類)

c.

巨分子的 序列 是極為重要的,核酸的序列藏著遺傳信息,蛋白質的序列是取決於核酸的序列,而蛋白質的序列決定其構造與生理功能。 因此,在巨分子的世界裡,序列幾乎決定一切;『自私的基因』一書指出,生物的繁衍只是在傳遞其所含的那段核酸 (gene),甚或只是要傳遞核酸上面的序列信息而已 (meme)。

 

Selfish Gene 自私的基因  人體細胞核內共有三萬基因  DNA → RNA → Protein  ACTG

 

自私的基因  DNA 的語言  (天下科學人文系列)

 

RNA Word  (Cosmic Ancestry 對生命來源的說明)

   
 

3.3

分子間的作用力

 

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,可使得分子間相吸的是引力,互相排斥的為斥力。 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)。

 

Like dissolves like 近朱者赤  (為何極性物質喜歡極性物質?)

 

各種二級鍵的能量也不同  (各種二級鍵事實上都是同一類)

a.

離子鍵 (electrostatic bond) 是正電荷與負電荷之間的吸引力,容易被水合破壞。

b.

氫鍵 (hydrogen bond)  是分子中的氫原子,因其 陰電性 太弱,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 bond): 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,其分子間會生成 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 bond): 非極性或極性很弱的分子表面,其原子受到鄰近分子上面原子的影響 (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。

 

凡得瓦爾力如何形成  (造成兩分子間的構形契合)

 

Bonding and Protein Structure (以蛋白質構造說明各種鍵結力量,需 Chime)

 

Chymotrypsin: A Serine Protease  (Stryer Biochemistry 試用網路版,僅供 Netscape + Chime)

 

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

 

大爆炸之後,基本粒子組成了原子,較輕的元素比較容易產生,因此生物多利用 C, H, O, N 等元素來組成。 碳原子外層軌道有四個電子,所形成的 sp3 混成軌道,可與四個其他原子鍵結;同時 sp3 軌道有很強的立體限制性,以碳原子為中心的有機化學,因此產生許多立體構造的課題,後來也是蛋白質構形產生的基本因素。當碳與其他原子組合成分子之後,兩個相鄰原子之間 搶奪電子 的能力不一 (陰電性 不同),因此會造成所形成基團的穩定性不同,也就是各種官能基反應性強弱不同的根本。也因為如此,由氫和氧所組成的 水分子,因為電子都集中在氧分子,因此水分子有很強的 極性,在生物化學上很重要。

 

The Periodic Table of Comic Books (非常另類的漫畫形式週期表)

 

Atomic Orbitals (可自行選取所要看的原子軌域,不需 Chime)

 

Atomic and Molecular Orbitals Page (觀察原子軌域,需 Chime 也只用 Netscape)

 

 

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Q

問題集

 

以下題目都沒有標準答案,許多甚至會引起很大的爭議;這樣就達到問題集之目的了。

   

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.

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 a 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?

5.

為何水分子有很強的極性? 為何水分子有很強的介電常數?

6.

真核細胞 (eukaryotic cell) 與原核細胞 (prokaryotic cell) 有何相異之處?

7.

為何細胞內的分子多由較輕的原子所構成?

8.

二級鍵雖然分成四種,但事實上有相同的基本性質,請以電子的角度說明之。

9.

有機物幾乎是碳原子的天下,為何大自然會選擇碳? 請從週期表的行與列討論。

10.

何為陰電性? 陰電性是如何造成的? 陰電性對分子的性質有何影響?

11.

假如正如 Dawkins『自私的基因』一書所言,生物只是在傳遞其細胞內的那段基因,甚至只是在傳遞基因的序列而已 (meme 的概念),則生物的存在有何意義?

12.

一般相信地球演化之初為一 RNA 世界,請提出三個可能的證據。

13.

細胞內的各種巨分子歸納來說,有哪三種功能? 請各舉例說明。

14.

為何強酸或強鹼不能作為緩衝分子?

15.

分子的 兩性 amphoteric 性質是什麼? 請列舉兩性分子說明之。

16.

為何生物細胞內的巨分子,一定要由單位小分子聚集而成,而不直接合成該巨分子?

17.

若真有外星生物,以分子層次來看,與地球生物差異有多少?會不會也用 A, T, C, G?

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)

 

3) 有關氫鍵的性質描述:

 

□ 氫鍵可在室溫中穩定存在  □ 氫鍵要有氫原子居中架橋  □ 非極性基團間也可生成氫鍵  □ 氫鍵的形成 方向性不重要  □ 氫鍵可看成微弱的耦極作用

 

4) 有關二級鍵的性質描述:

 

□ 二級鍵的強度都很弱  □ 凡得瓦爾力是最強的二級鍵  □ 離子鍵在水溶液中不易形成  □ 二級鍵造就了兩蛋白質分子間的專一性吸引力

 

 

 

   

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建立日期:2000/12/29   更新日期:2005/09/18  © 版權所有