人體生理學

1. 人體生理學 CHAPTER 2 細胞構造與 基因調控

2. 蛋白質的合成及分泌 • 當mRNA進入細胞質後，會與在電子顯微鏡下呈小顆粒的核糖體結合 • mRNA會穿過數個核糖體進而形成如「珍珠串」的構造，稱為核糖多體 • 每三個鹼基形成一組可合成特定胺基酸的密碼，稱為密碼子

3. 全中英文圖 蛋白質的合成及分泌 圖2.20　核糖多體的電子顯微照相圖。一般RNA與核糖體接合在一起。

4. 蛋白質的合成及分泌

5. 全中英文圖 蛋白質的合成及分泌 圖2.21　轉錄與轉譯。遺傳密碼首先轉錄為mRNA中的三鹼基序列組 ( 密碼子 )；進而轉譯為多胜肽中的特定胺基酸序列。

6. 蛋白質的合成及分泌 • 轉移RNA • 密碼子的轉譯需要tRNA和特定酵素共同完成 • 細胞質中含有與特定胺基酸結合的tRNA分子，此tRNA分子可藉其反密碼子的三鹼基序列與mRNA上的特定密碼子接合

7. 全中英文圖 (b) (a) 圖2.22　轉移RNA (tRNA) 的構造。(a) 以簡化的苜蓿葉型態呈現；(b) tRNA的立體構造。

8. 蛋白質的合成及分泌 • 多胜肽的合成 • 當mRNA在核糖體內移動時，tRNA上的反密碼子會與mRNA的密碼子結合。由於每個tRNA分子帶有一個特定的胺基酸，而這些胺基酸以胜肽鍵相接合後形成多胜肽。此多胜肽上的胺基酸序列是由mRNA的密碼子序列所決定 • 多胜肽鏈延長後，其胺基酸的交互作用會使多胜肽鏈扭轉成螺旋構造( 二級結構)，進而折疊並向自身彎曲( 三級結構)。此過程結束時，會加入最後一個胺基酸，形成新合成蛋白質

9. 蛋白質的合成及分泌 全中英文圖 圖2.23　傳訊RNA (mRNA) 的轉譯。當每個新的胺醯化tRNA中的反密碼子與mRNA的密碼子接合後，新的胺基酸則會連接在延長中的多胜肽鏈之末端。

10. 蛋白質的合成及分泌 • 內質網與高基氏體的功能 • 分泌性蛋白質不會被限制在顆粒性內質網中，而會被運送到另一個稱為高基氏體的胞器中( 如前所述)，此胞器提供三個彼此相關的功能： • 蛋白質在高基氏體中會進一步被修飾 • 不同種類的蛋白質會依據其功能及目的地分門別類 • 終產物會被包圍在高基氏體所形成的液泡中，被運送到其目的地( 見圖2.13 )

11. 全中英文圖 圖2.24　分泌性蛋白質如何進入內質網。蛋白質被製造為分泌性蛋白質時，會有引導序列幫助其插入內質網的池槽 ( 腔 )。一旦插入內質網，蛋白質的引導序列會被移除，蛋白質上也會加入醣類。

12. 蛋白質的合成及分泌 圖2.25　前胰島素到胰島素的轉變。長胜肽鏈的前胰島素可藉由酵素切除一段胺基酸 ( 灰色 )，而轉換為具有活性的胰島素。如此產生的胰島素分子，是藉由雙硫鍵將兩多胜肽鏈 ( 紅色圖形 ) 連接在一起。

13. DNA合成及細胞分裂 • DNA複製 • DNA的複製過程俱備需要含多種酵素及蛋白質的複合物 • 腺嘌呤鹼基會與含有胸腺嘧啶的核啟酸配對 • 鳥糞嘌呤鹼基則與含有胞嘧啶的核啟酸配對 • DNA複製時，每個新複製的DNA都含有一股新合成的多核啟酸鏈，以及一股源自親代的DNA，這種複製方式稱為半保留

14. 全中英文圖 DNA合成及細胞分裂 圖2.26DNA的複製。每一個新的雙股螺旋都是由一新股與一舊股所組成。由於鹼基互補配對的原則，每一個新的DNA分子都與其親代DNA分子有相同的鹼基序列。

15. DNA合成及細胞分裂 • 細胞週期 • 生物體由生到死是呈線性過程，而細胞的生命則屬週期性的模式 • 非分裂的細胞停留在細胞週期的間期(interphase) ( 圖2.27 )，間期又被分為G1、S及G2期

16. 全中英文圖 DNA合成及細胞分裂 圖2.27　細胞的生命週期。有絲分裂的不同時期如圖所示，然而須留意，並非所有細胞皆會進行有絲分裂。

17. 全中英文圖 DNA合成及細胞分裂 圖2.28DNA複製後染色體的構造。此時期，染色體包含了2條相同的染色絲。

18. DNA合成及細胞分裂 • 週期素和p53 • 週期素的蛋白質可促進細胞週期中不同時期的進行 • p53是一個非常重要的抑癌基因，這個基因是由其基因形成的蛋白質分子量53,000而命名

19. DNA合成及細胞分裂 • 細胞死亡 • 病理原因或自然因素皆可引發細胞死亡 • 細胞缺乏血液供給會先腫脹、隨後細胞膜破裂、接著整個細胞會脹破，這種細胞死亡的方式常會導致組織死亡，稱為壞死 • 細胞不會腫脹反會萎縮、細胞膜保持完整但會出芽形成液泡、而細胞核會濃縮，這樣的情況稱為細胞凋亡(apoptosis) • 細胞死亡的方式是由一群稱為串聯酶(caspases) 的酵素所催化而成

20. DNA合成及細胞分裂 • 有絲分裂 • 有絲分裂可分為四個階段 • 前期(prophase) • 中期(metaphase) • 後期(anaphase) • 末期(telophase)

21. 全中英文圖 • (a) 間期 • 染色體呈延展狀態，而在電子 • 顯微鏡下可看到染色質 • 可見細胞核 • (b) 前期 • 染色體由二條由中央節接合 • 的染色絲組成 • 中心粒分別向細胞兩極移動 • 紡錘絲由中心粒形成並延伸出 • 來 • 核膜開始消失 • 無法看到核仁 • (c) 中期 • 染色體排列於細胞的赤道面 • 中心粒延伸出的紡錘絲附著 • 於染色體的中央節上 • 核膜消失

22. 全中英文圖 • (d) 後期 • 中央節分裂，二條染色絲 • 分為單條，且被拉向細胞 • 兩極 • (e) 末期 • 染色體變得較細長，且不 • 明顯 • 形成新的核膜 • 核仁出現 • 細胞分裂將近完成 圖2.29　有絲分裂的分期。每一時期會發生的事項皆如圖所示。

23. DNA合成及細胞分裂 • 中心體的角色 • 所有動物細胞皆含有中心體(centrosome)，位於非分裂細胞的細胞核附近 • 若細胞將進行分裂，中心體在間期會透過尚未完全瞭解的機制自行複製

24. DNA合成及細胞分裂 (a) (b) 圖2.30　中心粒。(a) 中心體中兩個中心粒的顯微照相圖；(b) 如圖所示，兩個中心粒相互以直角排列。

25. DNA合成及細胞分裂 (a) (b) 圖2.31　染色體與紡錘絲。(a) 複製後的染色體清晰可見，但紡錘絲僅勉強可見；(b) 利用免疫螢光技術，使螢光與紡錘絲中的主要成份 ── 微小管接合，便得到發光的紡錘絲。

26. DNA合成及細胞分裂 • 染色體尾端和細胞分裂 • 老化所導致的細胞分裂能力降低，可能與染色體末端DNA序列的減少有關。這個區域稱為尾端(telomeres) • 產生配子的生殖細胞之所以可持續不斷分裂，可能是因為它們會產生可複製尾端DNA的酵素，稱為尾端酶，尾端酶可能是這些細胞無止盡分裂的因素之一

27. DNA合成及細胞分裂 • 肥大與增殖 • 有絲分裂速率增加而增加細胞數目的生長方式稱為增殖 • 組織或器官因為細胞大小增加而生長則稱為肥大

28. DNA合成及細胞分裂 • 減數分裂 • 減數分裂(meiosis) 有先後兩次分裂過程，是一種僅發生在性腺( 睪丸和卵巢) 產生配子( 精細胞和卵細胞) 的特殊細胞分裂 • 減數分裂的現象又依其發生在第一次或第二次減數分裂而分期，不同的階段被命名為前期I、中期I、後期I、末期I；以及前期II、中期II、後期II、末期II ( 表2.3和圖2.33 )

30. 網路參考資料 細胞染色體、核型 圖2.32　核型，依據配對的同源染色體排序。男性染色體的套色光學顯微照相圖。圖中配對的同源染色體是由大至小編號排列。

31. 全中英文圖 圖2.33　減數分裂，又稱減少分裂。在第一次減數分裂中，一個雙套母細胞中同源染色體會分離而形成兩個單套子細胞；此時，每個染色體含有兩條相同的染色絲。在第二次減數分裂中，染色體中兩條相同的染色絲會分開且分配到兩個新的單套子細胞中。

32. DNA合成及細胞分裂 • 前期I的同源染色體亦可能發生部分互換的現象，也就是配對同源染色體中的一條染色體的部分可與另一條染色體的部分交換，這個過程稱為互換(crossing-over) ( 圖2.34 )

33. 全中英文圖 圖2.34　互換。(a) 遺傳變異是由第一次減數分裂前期中四聯體發生互換所導致；(b) 圖中描繪四聯體互換會造成染色體的重組。

34. Summary 細胞膜與相關構造 • 細胞膜的結構可用流體鑲嵌模型說明 • 細胞膜主要由雙層磷脂質組成 • 細胞膜中含有蛋白質，蛋白質多跨越整個細胞膜 • 有些細胞靠著延展的偽足移動，有些特化的細胞則具有由細胞膜延伸出的纖毛或鞭毛

35. Summary • 在胞吞作用的過程中，向內凹陷的細胞膜可讓細胞攝取外在環境的分子 • 在胞噬作用中，細胞延伸出的偽足最後會融合在一起形成食泡；胞飲作用中，細胞膜向內形成窄溝，最後也會相互融合 • 接受器媒介性的胞吞作用需有胞外環境的特殊蛋白質與細胞膜上特定的接受器結合才能完成 • 胞吐作用則與胞吞作用相反，是細胞分泌其產物的過程

36. Summary 細胞質及胞器 • 微絲與微小管構成的細胞骨骼有助於胞器在細胞內移動 • 溶小體含有酵素可清除細胞內的構造與分子，並消化食泡內被吞噬的物質 • 粒線體是細胞內主要的產能胞器，它們具有平滑的外膜及稱為嵴的向內折疊內膜 • 核糖體是由含核糖體RNA與蛋白質的兩個次單位組成的小蛋白質工廠

37. Summary • 內質網是細胞中的膜狀小管系統 • 顆粒性內質網表面有核糖體，並參與蛋白質的合成 • 無顆粒性內質網為許多酵素反應地點，在骨骼肌細胞中可儲存鈣離子 • 高基氏體是一系列的膜狀囊，可接收由內質網而來的產物，並可修飾這些產物，進而將產物釋放到液泡中

38. Summary 細胞核及基因表現 • 細胞核由雙層核膜包圍，在某些位置上兩層核膜會合成核孔，可供分子通過 • 基因表現分為兩個階段：轉錄( 合成RNA ) 及轉譯( 合成蛋白質) • 細胞核中的DNA與蛋白質結合形成線狀構造，稱為核小體 • 染色質形式的DNA纏繞在稱為組織蛋白的調控蛋白質上，所形成的顆粒稱為核小體 • 指引RNA合成的活化染色質稱為正染色質；高度壓縮、不活化的染色質稱為異染色質

39. Summary • RNA是單股分子，在細胞核中有四種型式：核糖體RNA、tRNA、mRNA 及mRNA先驅物 • 活化的正染色體決定了RNA的合成，這個過程稱為轉錄 • RNA聚合酶可使含有基因的兩股DNA序列分開 • 分開的兩股DNA中有一股作為合成RNA的模板。過程中DNA鹼基會與核糖核啟酸鹼基互補配對

40. Summary 蛋白質的合成及分泌 • mRNA離開細胞核，並與核糖體結合 • 帶有特殊三鹼基反密碼子的tRNA，會與特定的胺基酸結合 • mRNA在核糖體上移動時，tRNA的反密碼子，會與mRNA的密碼子之鹼基互補配對 • tRNA分子成功與其互補的密碼子結合後，其所攜帶的胺基酸會加到延長的多胜肽鏈末端 • 分泌性蛋白在顆粒性內質網上的核醣體合成後，會進入內質網的池槽中

41. Summary • 分泌性蛋白進一步由內質網移動到高基氏體 • 高基氏體會修飾所含的蛋白質，並且將不同的蛋白質分裝於不同液泡中 • 從高基氏體產生的分泌性液泡會與細胞膜融合，且利用胞吐作用將其產物釋出

42. Summary DNA合成及細胞分裂 • DNA以半保留方式複製，每條DNA股皆可作為合成新股的模板 • DNA原來的雙股鍵結構會漸漸整條分開，藉著互補鹼基的配對合成一股新的互補DNA • 因此，每個DNA分子皆由一股新的、和一股舊的DNA組成 • 在細胞週期的G1期，DNA指引RNA的合成，而RNA可再引導蛋白質的合成 • 在細胞週期的S期，DNA指引新的DNA合成，以自我複製

43. Summary • 短暫的G2期後，細胞開始進行有絲分裂( 細胞週期的M期) • 有絲分裂包括了以下幾個時期：前期、中期、後期及末期 • 有絲分裂中，同源染色體以單行形式排列，且由紡錘絲將兩條染色絲分別拉向細胞兩端 • 有絲分裂產生的兩個子細胞與母細胞相同，皆含46條染色體

44. Summary • 減數分裂是性腺產生配子的特殊細胞分裂方式 • 同源染色體互相配對排列，因此同源染色體中的兩條會被拉向細胞的兩端 • 如此產生的兩個子細胞中只含23條染色體，但此23條染色體仍為複製的染色絲 • 第二次的減數分裂中，複製的染色絲會進一步分開到兩個新的子細胞中

45. The end

46. 蛋白質的合成及分泌 核糖體 新合成的蛋白質 傳訊RNA 圖2.20　核糖多體的電子顯微照相圖。一般RNA與核糖體接合在一起。

47. 蛋白質的合成及分泌 DNA 雙股螺旋 DNA 密碼股 轉錄 傳訊RNA 轉譯 甘胺酸 甲硫胺酸 甘胺酸 絲胺酸 異白胺酸 丙胺酸 丙胺酸 蛋白質 圖2.21　轉錄與轉譯。遺傳密碼首先轉錄為mRNA中的三鹼基序列組 ( 密碼子 )；進而轉譯為多胜肽中的特定胺基酸序列。

48. 胺基酸接受端 環三 胺基酸接受端 環三 環一 環一 環二 反密碼子 反密碼子 環二 (b) (a) 圖2.22　轉移RNA (tRNA) 的構造。(a) 以簡化的苜蓿葉型態呈現；(b) tRNA的立體構造。

49. 密碼子 反密碼子 傳訊RNA 蛋白質的合成及分泌 下一個胺基酸 密碼子 下一個胺基酸 延長中的胜肽鏈 核糖體 圖2.23　傳訊RNA (mRNA) 的轉譯。當每個新的胺醯化tRNA中的反密碼子與mRNA的密碼子接合後，新的胺基酸則會連接在延長中的多胜肽鏈之末端。

50. 細胞質 游離性核糖體 核糖體 傳訊RNA 顆粒性內質網 引導序列 移除引導序列 蛋白質 醣類 內質網的池槽 圖2.24　分泌性蛋白質如何進入內質網。蛋白質被製造為分泌性蛋白質時，會有引導序列幫助其插入內質網的池槽 ( 腔 )。一旦插入內質網，蛋白質的引導序列會被移除，蛋白質上也會加入醣類。