2008年9月29日

生命科學基本概念-細胞與病毒

學習生物學,認識細胞是非常重要的第一步;因為「細胞」是生物最小的功能單位 - 意思是生物體內最基本的化學反應與生理功能都在細胞中進行。

地球上的生物所具有的細胞分成兩大類。一類是真核細胞,一類是原核細胞。兩者的差別在於細胞核的有無。動物、植物、真菌、原生生物的細胞都是屬於真核細胞;而細菌則是屬於原核細胞。我們以動物,植物和細菌為例來看細胞主要的結構有哪些。




植物和細菌的細胞都具有細胞壁;但是兩者的結構和成份不同。

植物細胞的細胞壁是由纖維素纖維交錯編織構成。除了纖維素之外,植物細胞壁中還含有醣蛋白以及果膠。食物中的纖維素可以刺激我們腸胃的運動,但是人類的腸胃道因為缺乏適當的酵素,所以不能消化纖維素;反之,草食性動物的腸胃內具有特殊的微生物可以幫助他們消化纖維素,因此他們能夠以植物為主食。






細菌的細胞壁有兩類;細菌也因此分為兩大類。革藍氏陽性的細菌,其細胞壁為厚厚的多層肽聚醣所構成。革藍氏陰性的細菌,其細胞壁有兩層;內層是薄薄的一層肽聚醣,外層則是磷脂膜。使用結晶紫染劑對細菌進行染色,再以水沖洗之後;革藍氏陽性的細菌因為厚厚的細胞壁的關係,染劑被保留在細胞中,因此最後染色得到的革藍氏陽性細菌氏紫藍色(深紫色);相對的,革藍氏陰性的細菌則會呈現較淡的粉紫色。


通過細胞壁之後,便是細胞膜 - 不論動物,植物或細菌都具有細胞膜。細胞膜由磷脂所構成。細胞膜是雙層磷脂膜 - 即由兩層磷脂組合而成。磷脂是一種極性分子,一端是親水的磷酸根,而另一端則是厭水的脂肪長鏈。細胞膜因此具有兩面親水而內部厭水的特性。

 
因為細胞膜的特性,使得極性分子,比如水分子,無法藉著擴散作用通過細胞膜。細胞膜上面有許多的蛋白質,這些蛋白質的作用在於幫助各類分子通過細胞膜。若某分子細胞外的濃度比細胞內的濃度高,則該種分子可以藉由擴散作用經由特定的蛋白質進入細胞內。若某分子細胞外的濃度比細胞內的濃度低,則該種分子可以藉由特定的蛋白質將其運輸進入細胞內。前者,經由擴散作用的運輸,稱作被動運輸;後者,特定的蛋白質消耗細胞內的能量,將分子由低濃度的地方往高濃度的地方運送,稱為主動運輸。

細胞膜是細胞的邊界,將細胞與外界隔開來,管空物質進出細胞。穿過細胞膜之後進入細胞質;細胞質則是化學反應的大熔爐,細胞中許多的生化反應都在細胞質中進行著。

細胞質中有兩個重要的細胞器官(胞器),粒腺體和葉綠體。粒腺體存在動物和植物細胞之中,粒腺體為一個具有兩層雙層磷脂膜的胞器,在它的內膜上有ATP合成腜;粒腺體製造大量ATP分子 - 一種高能分子,細胞的能量來源,因此他可以說是細胞的發電廠。葉綠體則是植物細胞特有的胞器;它也是一種具有兩層雙層磷脂膜的胞器。葉綠體的內膜折疊形成葉綠餅,在這些餅上具有特殊的酵素,光合作用便在此進行。光合作用會產生兩種高能分子 - ATP 和 NADPH ,這些高能分子會被運送至葉綠體的基質(葉綠體內膜空腔)進行故氮反應合成葡萄糖。光合作用需要光(紅光),所以這部份的化學反應被稱作光反應;而合成葡萄糖的化學作用則是暗反應。




粒腺體



葉綠體

細胞質之中還有一個重要的胞器 - 核醣體;它存在於所有真核細胞和原核細胞中。DNA將其上的密碼轉錄到mRNA分子上,而核醣體則利用mRNA上的密碼子進行轉譯的工作;將mRNA上的密碼子轉換成為對應的氨基酸;氨基酸長鏈被合成好之後,會被釋放,再折疊成具有功能的蛋白質。因此,核醣體可以說是細胞中的蛋白質製造廠。



細胞的最高層管控中心就是細胞核了。所有真核生物都有細胞核,原核生物則不具有細胞核。細胞核以雙層磷脂膜將其與細胞的其他部份分隔開來。細胞核內有懸浮在其中的DNA分子;DNA分子上某些區段為基因,這些基因在適當的時候會“表現“,也就是開始轉錄出mRNA,而mRNA被送出細胞核之後再在核醣體中轉譯成氨基酸長鏈。細胞核中的核仁部份則不含有DNA分子;核仁主要成份為rRNA和為成熟的核醣體顆粒。

病毒是唯一不具細胞構造的生物。一般而言,病毒的體積遠小於細胞;並且,病毒是絕對寄生,他必須要寄生到適當的細胞中才能生存繁殖。病毒必須寄生在細胞中,而且它對細胞具有專一性;也就是說,特定的病毒只會寄生在特定的細胞類型中。

病毒的結構非常簡單。遺傳物質(DNA或RNA)外面包裹著由蛋白質顆粒組成的外殼是基本的病毒結構。動物病毒除了外殼之外,某些還會具有雙層磷脂膜的外套膜。



病毒感染細胞的過程大致上可分為(1)病毒辨識特定細胞與之結合。不具外套膜的病毒會利用胞飲作用進入細胞內。具有外套膜的病毒,則會將其外套膜與細胞膜互相融合,病毒顆粒然後進入細胞內。(2)在細胞內病毒外殼溶解,露出病毒的遺傳物質。(3)病毒基因開始利用細胞內的酵素進行複製和轉錄的工作。(4)病毒蛋白質和複製出的病毒遺傳物質在細胞質中結合產生新的病毒顆粒。(5)病毒離開細胞,感染下一個細胞。

病毒與人類的生活有密切的關係。人類約60%的疾病由病毒所引起。受感染的範圍廣;疾病種類多。此外,病毒亦會感染家禽和農作物,影響經濟發展。人類後天性免疫不全症後群(AIDS,愛滋病)是一種在全球流行的疾病,至今仍未有疫苗或有效藥物治療,威脅著全球數百萬人的生命。腸病毒所引起的疾病,每年夏秋兩季在台灣流行,造成許多父母的恐慌。以下兩個連結,介紹關於AIDS和腸病毒的基本知識:


AIDS

腸病毒