真核細胞隔間化(Eukaryotic Cell Compartmentation) 10-30-2018

真核細胞隔間化(Eukaryotic Cell Compartmentation)

真核細胞(Eukaryotic Cell)內，擁有一個個分別具有不同用途的工具箱(=胞器)，來協助真核細胞完成特定的生理功能。 真核細胞基因表現的分泌型蛋白質，都會進入內質網(ER)進行初級糖化，再送到高基氏體進行次級糖化。最後，如果這個蛋白質不需要糖分子，在分泌前會將糖分子切除。

1.  溶酶體(Lysosome)的功能—水解各種物質(老舊的胞器、胞吞的異物、侵犯細胞之細菌…)

內質網(Endoplasmic Reticulum, ER)的功能—合成蛋白質、初級糖化新合成的蛋白質…(詳細的功能請見圖06.)

高基氏體(Golgi complex)的功能—形成溶酶體、次級糖化新合成的蛋白質(包裝Packaging)、將不同的糖蛋白分配(sorting)到不同的胞器或形成分泌小泡，分泌到細胞外…

2.  為何由細胞核基因表現的分泌型蛋白質必須糖化(Glycosylation)？

a.   產生正常的摺疊(三級構造)，形成有功能的醣蛋白

    (Folding)。

b.  維持蛋白質穩定，延長半衰期的時間(Stability)。

c.   與其它巨分子做正確的認知(Recognition)。

圖01. 經由內質網初級糖化以及高基氏體次級糖化的醣蛋白，才能摺疊成有功能的三級構造、延長存活的時間、與其它巨分子作正確的認知。

圖左上方不同顏色、不同形狀的構造，代表不同種類的單糖。

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/10613641/36/images/2/Glycosylation+Affects+Protein+%26+Lipid+Function.jpg

圖02. 初級糖化在由粗糙內質網(Rough Endoplasmic Reticulum, RER)發生。

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/10613641/36/images/3/Glycosylation+Begins+in+the+ER.jpg

圖03. 次級糖化在高基氏體中進行。每個不同的糖化步驟，由不同的酵素催化。

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/10613641/36/images/4/Glycosylation+Continues+in+the+Golgi.jpg

3.  為何各種的胞器，分別扮演不同的角色？因為真核細胞用性質各異的膜，將一些功能相同的酵素，包裹集中於特殊的膜狀胞器內，然後在胞器中行使特殊的功能，這也就是隔間化(compartmentation)的目的。

4.  由分泌型蛋白質糖化的例子，網友們該可以感覺到真核細胞的複雜性(complexity)。而且複習到分泌型蛋白質上醣分子的重要性。

5.  真核細胞由細胞核DNA上基因，表現之前驅蛋白，最後能準確無誤的「宅配」到正確的胞器中，各司其職。形成所謂隔間化的蛋白質(Compartmentalized proteins)，這應該是真核細胞能演化成功的重要關鍵！

6.  再舉一例：葡萄糖代謝過程中，乙醯輔酶A的形成(Acetyl CoA formation)的酵素；克式循環(Krebs cycle)的酵素；氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation)的酵素，絕大部分都是細胞核內的基因所表現，都能準確無誤的「宅配」到粒線體中，不只送抵粒線體，還送到粒線體的正確位置。這是多麼不可思議的事情，而真核細胞就是辦到了！

圖04. 代謝葡萄糖的過程：乙醯輔酶A的形成；克式循環的酵素是在粒腺體的基質(Matrix)；氧化磷酸化的電子傳遞鏈以及ATP合成酶是在粒腺體的內膜嵴(Crista)上。每一個相關的酵素或是酵素的次單位，都能精確無誤的送到正確的位置。

圖片來源：https://yamol.tw/itemtag-%E6%AA%B8%E6%AA%AC%E9%85%B8%E5%BE%AA%E7%92%B0-77328.htm

圖05. 真核細胞隔間化(Cellular Compartmentation)—真核細胞精緻又井然有序的，形成細胞膜(plasma membrane)、細胞核(nucleus)、內質網(endoplasmic reticulum)、高基式體(golgi complex)、溶酶(=素)體(lysosome)、過氧化氫小體(peroxisome)各式各樣的膜狀胞器的過程，稱為細胞隔間化。

自從電子顯微鏡問世後，細胞學家觀察到這樣的事實，但至今仍然不知是用甚麼樣的機轉辦到？

此圖是以動物細胞為例。

圖片來源：http://osomeweb.com/eukaryotic-protist-cell-diagram-labeled.html

圖06. 真核細胞隔間化後各種膜性胞器之功能。

細胞核	DNA的複製、RNA的合成(=DNA轉錄)
粒線體	丙酮酸的氧化去羧化、檸檬酸循環(Citric Acid Cycle)、RCh、脂肪酸的β-氧化、KB/尿素/血色質/麩胺酸醯胺的合成、天門冬胺酸轉氨酶(AST)反應=SGOT反應
粗糙內質網	其上覆著的核醣體，進行蛋白質合成(訊息RNA的轉譯)
平滑內質網	三酸甘油脂/膽固醇的合成、脂肪的去飽和化、多源性化學物質的水解
溶酶(素)體	非特異性的水解各種物質
細胞膜	分子/離子/訊息分子訊息的運輸(訊息經由運輸蛋白/通道/接受器來傳送)
高基氏體	蛋白質的次級糖化、包裝分配各種醣蛋白
過氧化氫小體	形成及分解過氧化氫(H2O2)及過氧化物
細胞質液	糖解、糖質新生、儲存肝糖、五碳糖循環、轉胺基化、脂肪酸/尿素/尿酸/血色質合成、乙醇(=酒精)氧化

圖片來源：https://www.slideshare.net/MUBOSScz/cac-9323454

7.  真核細胞演化的趨勢，越來越複雜化(Complexity)！

原核細胞演化的趨勢，越來越單純化(Simplicity)！

Prokaryotic Vs. Eukaryotic Cells  (原核細胞與真核細胞之比較) Prokaryote意思before nucleus (細胞核之前)。 Eukaryote的意思true nucleus (真的細胞核)。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=RQ-SMCmWB1s

最接近真核細胞之原核細胞—洛基古菌(Lokiarchaeota) 10-28-2018

最接近真核細胞之原核細胞—洛基古菌(Lokiarchaeota)

1.  古生物學家估計大約20億年前，真核細胞出現在地球上，但是真核細胞到底是由何種原核細胞演化而來？大家一直疑惑不清！

2.  2015年發現洛基古菌(Lokiarchaeota)！洛基古菌基因組(genome)中的基因，是原核細胞中目前最接近真核細胞的：

a.   細胞骨架(Cytoskeleton)的基因 (5對肌動蛋白(Actins)的基因)  

b.   細胞膜重塑(Membrane remodeling)的基因

c.   修飾泛素(Ubiquitin)的基因

d.   胞吞或胞噬作用(Endocytosis and/or phagocytosis)的基因

e.   許多對GTPase的基因

   都與真核細胞的基因相似。

圖01.  2015年，於格陵蘭與挪威之間，大西洋中洋嵴，海深2,352公尺的深海熱泉—洛基城堡(Loki Castle)旁15公里，發現的洛基古菌(Lokiarchaeota)，被認為是目前最接近真核細胞之原核細胞。

(Lokiarchaeota are the closest known prokaryotic relatives of eukaryotes.)

圖片來源：https://www.nature.com/articles/nature14522/figures/1

圖02.  洛基古菌的基因與真核細胞的基因，有著驚人的相似性，表示牠們很可能具有相同的祖先。

(The Lokiarchaea are surprisingly similar to modern eukaryotes, suggesting they share a relatively recent common ancestor.)

圖片來源：https://astrobiology.nasa.gov/news/a-disputed-origin-for-eukaryotes/

圖03.  2015年，在它附近15公里處，發現洛基古菌的洛基城堡(Loki Castle)，是一處深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent Ecosystem)。

圖片來源：https://astrobiology.nasa.gov/news/a-disputed-origin-for-eukaryotes/

Loki's Castle - Black-smoker (洛基城堡—黑煙囪=深海熱泉生態系) 30秒的短片，拍攝海深2,352公尺洛基城堡黑煙囪的實景。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=d_yqE7VlAyw

3.  瑞典烏普薩拉大學(Uppsala University)由 Thijs Ettema領導的研究小組表示，在格陵蘭和挪威間的大西洋深海，2015年發現的微生物洛基古菌(Lokiarchaeota)，應該就是原核細胞演化為真核細胞的關鍵。

4.  對原核細胞演化的軌跡，古生物學家只能從 DNA 序列的比對來推敲，因為這些，必須以顯微鏡才能觀察得到的單細胞微生物，沒有任何堅硬的構造，很難沉積成化石讓古生物學家檢驗。

5.  而生命的演化來自海洋，所以古生物學家們認為，或許還有一些，存活於深海中的古老微生物，以數億年完全沒有改變的古老方式，(也就是基因組中的基因，沒有任何變化的狀態)，依然存活著。

6.  基於這樣的考量，在深海探勘的技術足夠進步之後，許多的古生物學家，一直熱衷於研究深海微生物這塊領域。

7.  2015年找到的洛基古菌(Lokiarchaeota)，發現的團隊認為是，原核細胞與真核細胞之間的橋梁。

圖04. 洛基古菌(Lokiarchaeota)，有可能是原核細胞(Prokaryotic cells)與真核細胞(Eukaryotic cell)間之橋梁。

此圖洛基古菌圈圈的用色較淡，而且還打上？因為還是有專家對洛基古菌的存在存疑。

或是洛基古菌，是否是原核細胞與真核細胞間之橋梁，這樣的說法存疑。

圖片來源：https://whyfiles.org/2015/first-animal-ancestor-discovered-in-deep-mud/index.html

圖05. 細胞學以及分子生物學方面，比較細菌(Bacteria)、古菌(Archaea)以及真核生物(Eukarya)之異同。

圖片來源：https://www.quora.com/How-do-we-know-that-eukaryotes-are-more-closely-related-to-archaea-than-to-bacteria

表一、細胞學以及分子生物學方面，細菌、古菌以及真核細胞之異同。

特          徵	細       菌	古        菌	真   核   細   胞
細    胞    核	無	無	有
染    色    體	單條環狀	單條環狀	多條直線狀
組  織  蛋  白	無	類似組織蛋白	有
細胞分裂方式	二分裂	二分裂	有絲分裂/減數分裂
核醣體之大小	70S	70S	80S
細胞隔間化	無	無	有
細胞壁	胜肽聚醣	非胜肽聚醣	植物纖維素 真菌幾丁質(chitin)
基因有無插入子	無	有些具有	有
RNA聚合酶	1種	數種	3種
結構基因之啟動者	-35及 -10序列	TATA box	TATA box
蛋白質合成之啟始胺基酸	醛基甲硫胺酸	甲硫胺酸	甲硫胺酸
演化出現的時間	最早	其次	最晚

8.   不管是圖05.及表一、網友們不用在乎看明白多少，只要大家能感覺得到，古菌與真核生物的親緣關係較密切就好。

圖06. 古菌雖然稱為古老細菌(ARCHAEA)，但在演化上比真的細菌(BACTERIA)較晚出現。

EUKARYOTES真核生物的種類

SINGLE-CELLED EUKARYOTES單細胞真核生物

ALGAE藻類

FUNGI真菌

PLANTS植物

ANIALS動物

參考資料：

Anja Spang et al.

Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes.

Nature, published online May 06, 2015; doi: 10.1038/nature14447

9.  就好像天文學家，沒有人願意去碰觸，大霹靂之前的宇宙是甚麼樣子？這一類的問題。生物學家也一樣沒有人知道，為何細胞體積約只有真核細胞1/1,000的原核細胞，突然體積增大了一千倍？還不只體積增大一千倍，細胞裡面增加許多的胞器(organelles)，而且這些胞器非常精緻而井然有序的排列著，所謂細胞的隔間化(Cellular Compartmentation)！既使到今天，我們對這些事實只能說：知其然，而不知其所以然？

10. 更別問：蛋白質在地球早期那鍋濃湯中，是怎麼產生的？

    DNA、RNA又是由何而來？基因呢？

基因是從哪來的？– 卡爾‧季默  (Where do genes come from? - Carl Zimmer) 4分23秒之TED短片，以卡通圖的方式表達，新的基因從何而來？ 主要是來自既有的DNA、基因發生突變。但是最原始的基因、DNA又是怎麼來的呢？ 需要的網友，請直接上YOUTUBE網站點閱，因為有中文(台灣)的翻譯。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=z9HIYjRRaDE

11. 篤信宗教的網友可能將這些問題？歸諸於佛祖、上帝或阿拉。信科學的網友可能將其歸諸於演化。反正，目前這些問題還沒有人知道！為何突然跟網友提及這些事情？因為個人覺得，只因發現洛基古菌的某些基因與真核細胞相似，而不考慮其它的問題，就表示發現原核真核細胞間之橋梁，這樣是不是會有點太小題大作呢！

圖07. 細胞隔間化(Cellular Compartmentation)—真核細胞精緻又井然有序的，區分成細胞膜(plasma membrane)、細胞核(nucleus)、內質網(endoplasmic reticulum)、高基式體(golgi complex)、溶酶(=素)體(lysosome)、過氧化氫小體(peroxisome)各式各樣的膜狀胞器的過程，稱為細胞隔間化。自從電子顯微鏡問世後，細胞學家觀察到這種現象，但至今不知原因為何？

圖片來源：http://osomeweb.com/eukaryotic-protist-cell-diagram-labeled.html