310,311,317
1.p38~p41題目
2.複習酵素
3.複習動物組織並寫p4
4.複習植物組織
5.看老師光合作用中二影片並留言回覆心得
若學會光合作用之歌並唱給老師聽,可以加分!
313,316
1.p38~p41題目
2.複習酵素
3.完成p30,p31,p33
4.看老師光合作用中二影片並留言回覆心得
若學會光合作用之歌並唱給老師聽,可以加分!
小科學家們!閱讀科學月刊的科學文章吧!
粒線體老化理論──兼談粒線體疾病與老化
在地球上的生物世界中，真核（eukaryotes）與原核（prokaryotes）生物都有賴遺傳與代謝以表現生命的現象：遺傳決定物種的延續與恆定；代謝則是維持生物體的正常運作及能量的攝取、儲存、轉化與運用。所不同的是：原核生物的這些不同之生化反應及參與反應的酵素系統皆處於同一大環境─細胞質（cytoplasm）─之中，而真核生物則將不同性質的生化反應（如遺傳基因的複製和轉錄、能量代謝與蛋白質的合成）及參與反應的蛋白質、酵素及相關的生化分子區隔在不同的胞器（organelle）裡。
食物中的三大養分：醣類、脂肪及蛋白質是生物體能量的來源，這些「燃料」在動物或人體的消化系統中水解為其各自的建構分子（單糖、脂肪酸及胺基酸）進入細胞之後，必須分別在細胞的不同部位，經過一連串複雜的生物化學反應的轉化（transformation），方能形成可被細胞利用的「電力」──腺核
三磷酸（adenosine 5'-triphosphate，簡稱ATP）。這個過程中最後的能量轉化（energy transduction）工作就是發生在素有細胞發電廠之稱的胞器──粒線體（mitochondria）之中（圖一）。
粒線體的構造
粒線體是真核生物細胞中一個重要的胞器，外型呈橢圓形柱狀，大小約為0.3×0.5微米（10-6m）。它擁有雙層膜的構造，內膜高度皺摺形成
（cristae）。內膜所圍成的間質（matrix）含有各式各樣參與氧化代謝（oxidativemetabolism）的酵素群，其中最主要的就是推動三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，簡稱TCA cycle）的酵素群，能把醣類、脂質及蛋白質代謝後所形成的共同分子──乙醯輔
A（acetyl CoA）進一步代謝生成二氧化碳及菸草醯胺腺嘌呤二核酸（NADH）及黃素腺嘌呤二核酸（FADH2）等還原態分子。位在粒線體內膜上的呼吸酵素複體（respiratory enzyme complexes，圖二）再以氧分子經電子傳遞鏈把NADH及FADH2等還原態分子氧化為NAD+及FAD，同時產生水及ATP。ATP由腺嘌呤（adenine）、戊糖（α-D-ribose）及三個磷酸分子（α、β、γ--phosphates）所構成，ATP所含的能量則是儲存在三個磷酸分子中的β及γ--phosphates兩個磷酸鍵上，當ATP水解成ADP（腺核二磷酸，Adenosine 5'-diphosphate）或AMP（腺核單磷酸，Adenosine 5'-monophosphate）時，能量就會被釋放出來：
【瀏覽原件】
（註：△Go'=標準自由能變化，「-」號表示這個反應是釋能反應。）
粒線體電子傳遞鏈在氧化NADH及FADH2的過程中，會把間質內的氫離子（H+）泵出到膜間（intermembrane space）及細胞質中，使粒線體內外形成一個氫離子的電化梯度差（electrochemical gradient）。粒線體內膜上的電化梯度差所帶動的氫離子的回流就是推動粒線體呼吸酵素複體V（ATP合成酵素，ATPsynthase）把ADP分子磷酸化成ATP的原動力。因此，這整個能量轉換過程又叫作「氧化磷酸化」（oxidative phosphorylation）。
粒線體在動物及人體細胞中的數目視細胞的種類而定；少者可能僅含一至數十個，多則可達上千至數千個之譜。一般而言，消耗能量越大的組織或器官（如：腦、肌肉、骨骼及內分泌腺體等），其細胞所含的粒線體數目也就越多，值得注意的是，運動及生理環境的改變也會影響粒線體的質與量：經常運動的人，其肌肉細胞蘊含較高密度的粒線體以提供運動所需的能量（ATP）。
粒線體除了具有執行能量代謝以生產ATP的功能之外，它本身也含有遺傳物質──粒線體DNA（圖三）。粒線體是動物細胞中除了細胞核之外，另一個含有DNA的胞器。值得一提的是，在人類精子與卵子結合產生新生命的過程中，胎兒所含的粒線體及粒線體DNA都是由母親的卵子所供應的；這種遺傳方式叫母系遺傳（maternal inheritance）。人類的粒線體DNA為雙股環狀DNA分子，長度為16,569配對（base pair，簡稱bp）的核酸分子，其大小約為核染色體DNA的二十萬分之一，但其所含的基因都是和粒線體電子傳遞鏈的功能有關。例如，電子傳遞鏈中呼吸酵素複體Ⅰ（Complex Ⅰ，NADH：CoQ oxido-reductase）的40多個蛋白質中，有7個（ND1,ND2,…,ND6及ND4L）的基因是位於粒線體DNA上的；呼吸酵素複體Ⅲ（ComplexⅢ，ubiquinol：cytochrome c oxidoreductase）的12～13個蛋白質中有1個蛋白質（cytochrome b）的基因來自粒線體DNA；呼吸酵素複體Ⅳ（ComplexⅣ，cytochrome c oxidase）中最大的3個蛋白質（COⅠ、COⅡ及COⅢ）亦由粒線體DNA上的相對基因所表現而合成的；呼吸酵素複體Ⅴ中也有2個蛋白質（ATPase 6及ATPase 8）由粒線體DNA所負責製造。除此之外，粒線體DNA也攜帶了和粒線體蛋白質合成有關的2個核糖RNA（12S及16S ribosomal RNA, rRNA）及22個傳送RNA之基因（transfer RNA, tRNA）。至於呼吸酵素複體Ⅱ（Complex Ⅱ,succinate: CoQ oxido-reductase）以及和粒線體DNA複製、轉錄及轉譯有關的各類酵素及生化因子（譬如轉錄因子, transcription factors）則由核DNA所供應。因此，一個完整的粒線體電子傳遞鏈是必須由核DNA及粒線體DNA上的基因協合表現的產物（蛋白質）共同合作裝配（coordinative assembly）方能組成。
粒線體與自由基
自由基（free radicals）是具有一個或數個不成對電子的分子之總稱。自由基極端不穩定，卻又具很強的生化反應性，極易與細胞內的細胞膜、脂質、蛋白質、DNA及RNA等生化分子發生作用，並破壞這些分子的結構與正常的生化功能。其中尤以對DNA的破壞最易造成基因的突變而導致如癌症之類的疾病的發生。高等生物細胞中最常出現的自由基分子就是氧自由基（reactive oxygen species，簡稱ROS），它是氧分子參與細胞內一些氧化還原反應時的副產品。事實上，細胞內90％以上的氧是由粒線體所消耗掉，其中1％～5％的氧分子在正常生理情況下會轉變成ROS。此外，粒線體內也會在正常代謝過程中產生其他的自由基（如ubisemiquinone及flavosemiquinone等半酮基）。在過去幾年的研究中，科學家發現粒線體內受ROS攻擊所產生的產物比細胞其它部位高了好幾倍。例如，ROS對DNA分子的破壞會產生的8-羥基去氧鳥酸（8-hydroxyl-deoxyguanosine），而動物細胞粒線體DNA所含的8-羥基去氧鳥
酸的含量是染色體DNA的80～200倍。丙二醛（malondialdehyde，簡稱MDA）是不飽和脂肪酸受ROS攻擊的最終產物，而粒線體中的MDA含量也遠高於細胞其它部位的含量。這些發現皆顯示粒線體比細胞其他任何部位（或胞器）承受了更大的氧化性壓力（oxidative stress），並遭受較多的自由基損害（free radical damage）。除此之外，有不少研究也顯示，粒線體本身對DNA破壞的修補能力是非常差的，粒線體DNA本身也缺乏具保護性的組織蛋白（histones）或其他DNA結合蛋白（DNA binding proteins）；因此，粒線體DNA的突變發生率也就遠高於染色體DNA。
粒線體與神經肌肉疾病
由於粒線體DNA非常容易發生突變，所以生化遺傳學家在過去幾年來積極熱烈地探討跟粒線體DNA突變有關的疾病。在1980年代末，英國神經遺傳學家Morgan-Hughes及Harding等人首度在一種稱為Kearns-Sayre syndrome（簡稱KSS）的神經肌肉疾病及慢性進行性外眼肌病變症候群（簡稱CPEO）的病人組織細胞中發現有大量的斷損型粒線體DNA（deleted mitochondrial DNA）以異質性（heteroplasmy）的方式存在。斷損的長度不一且發生突變的核酸位置也變化甚大，但最常見的一種為4,977hp的斷損。大約在同一時期，美國的科學家也在某幾類的母系遺傳性疾病患者的組織細胞中發現特異的粒線體DNA點突變。例如，位於美國喬治亞州之Emory University的Wallace等人首度發現一種與Leber氏視神經病變（Leber's hereditary optic neuropathy，簡稱LHON）有關的點突變發生在粒線體DNA之ND4基因上的11,778核酸位置。日本的國立神經醫學研究所的Nonaka及其合作研究者則發現在粒線體DNA第3,243核酸位置所發生的點突變與MELAS腦肌肉病變有關；另一個發生在粒線體DNA第8,344核酸位置的點突變則被證實與MERRF腦肌肉病變的發生有關。此外，還有一些神經肌肉疾病已被證實是由粒線體DNA的序列加插（insertion）或序列重複（tandem duplication）等基因重排（gene rearrangement）所造成。這些疾病通稱為粒線體疾病（mitochondrial diseases），它們有以下幾點共同的特徵：
一、這類疾病主要侵犯大腦、神經、肌肉及內分泌腺體、心臟等組織器官，這是因為這些組織器官的能量需求比較高，因此比較依賴粒線體氧化磷酸化反應所提供之ATP。一旦粒線體的能量代謝發生缺陷就很快表現出病變的症狀出來。而且，這類疾病患者通常都伴隨多系統（非單一器官或組織）的病變（multiple system disorders）。
二、患者肌肉粒線體的電子傳遞鏈功能比正常人下降了許多，表示這些疾病的病因與粒線體功能異常有密切關係。而且，大多數的粒線體疾病患者之病變組織細胞粒腺體的功能缺陷皆位於呼吸酵素複體Ⅰ及Ⅳ，極少發生在呼吸酵素複體Ⅱ或Ⅲ。這一觀察提供了一項重要的訊息：粒線體疾病與粒線體DNA的突變有極為密切的關係。的確，有八成以上的粒線體疾病已被證實是肇因於某幾種特異之粒線體DNA的突變。
三、在遺傳性的神經肌肉疾病（如：LHON、MELAS及MERRF等）中，科學家發現它們的遺傳方式不符合孟德爾遺傳定律。從這類疾病患者的譜系研究（pedigree study）中可以發現其大多為母系遺傳性。這種遺傳方式正是粒線體DNA的遺傳模式。
四、患者病情的嚴重性和組織器官中突變型的粒線體DNA的含量成正相關。突變的粒線體DNA的含量越高，對粒線體功能的影響也就越顯著；當能量的供應降低至該組織器官的能量閥值（energetic threshold）以下時，疾病的臨床症狀就出現了。
粒線體與老化
老化是動物或人體逐漸失去其維持恆定性的功能，導致個體本身易受疾病纏身、身體活力降低，終至死亡的過程。導致生物體老化的原因很多，長久以來就不斷地受到生物醫學研究者的重視，學界也莫衷一是，研究方向及被提出的假說也非常多。而這些假說大致歸納起來可分成兩大類：
一、命定論：屬於這一類的假說認為，老化是一個命定（programmed）及不可逆轉（irreversible）的過程，而控制這個過程的訊息或基因都已記載在細胞的DNA中。基本上，這一派的科學家認為生物的老化是生物發展（development）過程的一部份。
二、錯誤累積論：這一類假說認為生物在生長過程中，體細胞會不斷地累積內源性（endogenous）及外源性（exogenous）破壞因子對組織器官的損傷。當組織器官內的損傷累積至一定量並嚴重影響維持其生命的各種生化功能時，組織器官就會發生病變以至死去。在這個過程中，各種損傷的累積會逐漸影響組織器官的正常運作。在上文中曾提到的ROS就是屬於內源性破壞因子，外源性破壞因子則包括病毒、細菌、紫外線、輻射線、藥物及環境污染物等等。
在上文中，我們提到了真核生物細胞粒線體所處的環境是一個充滿ROS的高氧壓環境，而ROS及其他種類的自由基對DNA的損害極可能會導致粒線體DNA的突變。這種想法引導一些科學家在近五年來積極地尋找與人類或動物老化有關的粒線體DNA突變。因此，在以粒線體作為老化研究指標的實驗中，科學家也發現下面幾個重要的現象：
一、動物及人體組織細胞的粒線體電子傳遞鏈功能及產生ATP的效率隨著個體年齡的增加而下降。尤其在能量消耗越大的器官（如腦、肝臟、骨骼肌及心臟肌等），這種下降的趨勢也越顯著：這些器官活動力的衰減也是老化初期最先顯現出的症狀（如記憶力衰退及肌肉活力降低等）。因此，科學家推論這些組織器官活動力衰減可能是粒線體能量的供應已下降至該組織器官的能量閥值之故。
二、老年人或老化動物的組織粒線體中的8-羥基去氧鳥酸及脂質過氧化物（如：MDA）等的含量遠高於年輕對照組（圖四）。這些ROS的損害指標顯示粒線體功能指標的下降有可能和粒線體DNA損傷有關。氧化性損傷所造成的粒線體DNA突變量倘若增加至一定程度時就會影響粒線體的正常功能。值得一提的是，最近的研究顯示這些ROS損傷的程度和組織或器官的耗能需求（energy demand）成正比關係。
三、由於以上的發現，科學家乃進一步從老化組織器官中找尋粒線體DNA的突變。近五年來的研究結果也證實了這一點：在老化組織器官中，粒線體DNA出現多種不同的斷損（圖五）及點突變。值得注意的是，這其中也包括了那些先前在腦肌病變及母系遺傳性 神經肌肉疾病中所發現的粒線體DNA 突變：如4,977hp斷損、7,436bp斷損、3,243點突變及8,344點突變等。
由於以上的發現，使得科學家們確信粒線體DNA的突變，在老化過程中對組織細胞的能量供應會發生漸進性的影響。最近的研究更進進一步顯示，這些突變粒線體DNA的種類與數量也隨著生物體年齡的增長而增加（圖六），且和粒線體功能的下降有同步化的現象。而在初生嬰兒及青少年的組織器官中，上述這些粒線體DNA的突變並無法被偵測到。因此，我們乃提出一個新的老化假說──自由基→粒線體DNA突變→粒線體能量代謝缺陷→ATP供應不足→老化（圖七）。構成這個假說（粒線體老化假說）的基礎是：
一、氧自由基是導致粒線體DNA突變，繼而影響粒線體功能下降的主因。
二、生物體組織器官正常生理功能及恆定性的維持取決於能量（ATP）供應的充份（超過閥值）與否。
支持這個新興學說的學者們認為：內源性及外源性破壞因子（如：自由基）對於粒線體DNA的破壞及突變的發生最為顯著且具最大殺傷力。突變型的粒線體DNA會隨著個體年齡的增加而逐漸累積，繼而影響粒線體電子傳遞鏈功能及其產生ATP的能力。當組織中ATP的生產低於該組織的能量閥值時，就會影響組織或器官的整體生化生理功能與表現。由於腦、神經及肌肉這些能量需求較高的組織自生成以後，其細胞就不會有太多的汰換（turn-over），因此，當粒線體DNA突變產生後就不易被細胞所淘汰，反而會因能量供應不足（無法有效清除有氧代謝副產品及廢物）而增加更多的ROS及其他種類的自由基，繼而破壞更多的DNA分子，造成突變型粒線體DNA隨著年齡增加而不斷地累積。而就實際的臨床觀察，腦、神經、骨骼肌及心臟肌這些器官的確是老化現象最早出現的組織。我們最近的研究也顯示，這些組織器官粒線體電子傳遞鏈功能的衰退和脂質過氧化現象與粒線體DNA突變的出現及累積量有顯著的關係（圖八）。相反地，對於汰換速率比較高的組織或細胞（例如血液中的白血球細胞），則無法顯示出與老化有關之粒線體功能下降及粒線體DNA的突變現象。
皮膚老化與粒線體DNA突變
皮膚是人體與外界接觸最直接而頻繁、也受環境因子侵襲最劇烈的人體組織。由於人類愛美的天性及各種皮膚病與皮膚癌在西方國家的肆虐，過去有關環境因子（尤其是紫外線）對皮膚生理、生化及形態等影響的研究也最多，但這些研究卻從未曾將這些環境因子對粒線體的破壞列入考慮，可能的原因是皮膚（相對於腦、肝臟及肌肉等組織來說）不是一個能量消耗很大的組織。但在上述的粒線體老化假說提出之後，我們也開始研究粒線體在皮膚老化過程中所可能扮演的角色。結果我們首度發現：老化皮膚組織的粒線體DNA的突變種類及數量比在同齡層個體的腦、肝臟及肌肉組織中的相對量要高出甚多。另外，在探討光照對皮膚老化影響的研究中，我們分別對被曝曬（exposed）及不被曝曬（non-exposed）部位皮膚分析其粒線體DNA的突變，結果發現被曝曬皮膚的粒線體DNA突變比非曝曬皮膚的突變量高出許多（圖九）。而從同一個人身上所取得的曝曬皮膚部位所含突變型粒線體DNA也遠高於非曝曬皮膚部位的含量。在有些案例中，被曝曬皮膚的突變型粒線體DNA含量甚至佔了粒線體DNA總數的50％以上！這個百分比和我們在KSS及CPEO病人肌肉組織中所發現的粒線體DNA突變量幾乎不相上下！此一發現可佐證陽光紫外線對我們皮膚的傷害的嚴重性。這也同時提醒我們，想要保持年輕的肌膚，減少陽光紫外線的傷害是必要的。
雖然粒線體在正常生理情況下不斷製造ATP以供應動物及人體各組織器官執行其功能所需的能量，但卻也不斷地製造氧自由基（ROS）及ubisemiquinone（來自ubiquinone的不完全氧化）等高反應性的代謝副產物，這些具傷害力的副產物通常可以被細胞本身的抗氧化劑（如維生素C及E等）以及自由基清除酵素（free radical scavengers，如超氧化物歧化
，superoxide dismutase）等所中和而排除，因而不會對組織造成傷害。然而，在某些疾病患者或老年人的組織細胞中，抗氧化劑的不足及自由基清除酵素系統的缺陷可導致細胞內氧自由基增加並破壞細胞內（特別是粒線體）的生化分子（如DNA、RNA、脂質及蛋白質等）。這類內源性、伴隨正常生理生化代謝所衍生的氧化性破壞，通常比較不容易介入調控；然而外源性的氧化性破壞則大多數是由環境因子（如陽光曝曬、空氣及食物中的污染物、藥物及毒物等）所造成，應該盡量避免其侵害皮膚或人體的其他組織。有相當多的研究顯示人類老化及許多老年性疾病的發生與人體某些器官或組織中的促氧化物／抗氧化物的平衡失調（pro-oxidant/antioxidant imbalance）有密切的關係。誠如上文所述有關皮膚研究中所發現的一樣，我們確信陽光曝曬可以增加氧自由基對皮膚組織的氧化性破壞，繼而影響皮膚組織能量的供應及正常之生化生理功能，并加速皮膚組織的老化及其他皮膚病變的產生，雖然不至於對生命造成危害，卻影響皮膚的健康及美觀。這對於不斷追求高品質生活及身心健康的現代人而言卻不可不慎加防範。
參考文獻
1. Wei,Y.H.Mutat.Res.Vol.275,145-155,1992.
2. Wallace, D.C. Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol.91, 8739-8746, 1994.
3. Shigenaga, M.K., Hagen T.M., and Ames, B.N. Proc. Natl. Acad.Sci.USAVol.91, 10771-10778, 1994.
4. Ozawa, T.Biochim.Biophys.ActaVol.1271, 177-189,1995.
5. Lee,H.C., Pang, C.Y., Hsu,H.S., and Wei, Y.H.Biochim. Biophys. ActaVol.1226, 37-43, 1994.
6. Yen, T.C., King, K.L., Lee, H.C., Yeh, S.H., and Wei, Y.H. Free Radic.Biol.Med.Vol.16, 207-214, 1994.
7. Pang, C.Y., Lee, H.C.,Yang, J.H., andWei, Y.H. Arch. Biochem. Biophys.Vol.312, 534-538, 1994.
8. Yang, J.H., Lee, H.C., and Wei, Y.H.Arch. Dermatol.Res. Vol. 287, 641-648, 1995.
小辣椒碎碎念 (3)
{{ article.title }}