2016年10月20日 星期四

隔天的髒衣服為什麼會臭?

圖片來源:Wikipedia

隔天的髒衣服是因為流汗才臭嗎?這個問題,要說也是也不是。

其實我們的汗腺分為兩種,一種稱為外分泌汗腺(eccrine sweat glands,又稱為小汗腺),另一種則稱為頂漿腺(apocrine sweat glands,又稱為大汗腺)(1)。小汗腺分佈於全身,但是在頭部、手掌、腳掌的密度最高(手汗的來源);而大汗腺位於腋下、生殖器、肛門四周。小汗腺幫助我們進行流汗散熱,分泌的汗液主要成分是氯化鈉(NaCl,食鹽);而大汗腺不負責幫我們散熱,它們分泌的是白色無味的黏稠液體,但經過細菌分解後,會出現特殊味道,也就是狐臭的來源。

所以...剛流出來的汗其實是沒有味道的,是因為我們體表的正常菌叢:主要為棒狀桿菌(Corynebacterium)、丙酸菌(Propionibacteria)和葡萄球菌(Staphylococcus),將大汗腺分泌的液體中的蛋白質等成分轉為許多揮發性化合物(volatile organic compounds,VOCs)以後,於是我們就有了「體味」,而我們的髒衣服也會有臭味了!

這些帶來臭味揮發性化合物是什麼呢?諾森比亞大學(Northumbria University)的研究團隊以靜態多毛細管柱氣相層析離子遷移質譜儀(SHS-MCC-GC-IMS)分析後,發現讓髒衣服臭臭主要有六種揮發性化合物(2):

丁酸(butyric acid): 強烈的腐臭黃油樣氣味。
二甲基二硫(DMDS,dimethyl disulfide):令人 不愉快的洋蔥樣氣味。
二甲基三硫化物(DMTS,dimethyl trisulfide ):強烈氣味。
2-庚酮(2-heptanone ):香蕉狀的水果氣味。
2-壬酮(2-nonanone) :水果味、花香、脂肪酸、草本氣味。
2-辛酮(2-octanone ):蘋果樣氣味。

雖然有些味道單獨聞起來可能還好,但當它們混合在一起的時候,就會變成一股怪味...然後我們就會覺得,這件衣服該洗了!

不過,洗滌真的可以去除它們嗎?大家可能都有經驗,有些「汗味戰士」的衣服,洗了以後也還是臭!這時候,我們究竟該多洗幾次,還是要多放一點洗衣精呢?

在台灣,我們習慣用冷水洗衣服;但是在歐洲,以前他們是用高溫(攝氏60度以上)來洗衣服的。高溫洗衣服以後,所有的臭味都不見了,但是相對比較不環保;所以研究團隊想要測試一下,用冷水洗衣服是否可以洗掉所有帶來臭味的揮發性化合物呢?

研究團隊將實驗分成兩組:臭襪子組與臭汗衫組。臭襪子組有六名男性、二名女性,先用清水洗腳後穿上襪子與鞋子十小時,然後將襪子脫下放入袋子封好,於隔天交給研究團隊。臭汗衫組則由九名男生組成,汗衫先在攝氏40度的水中,加入洗衣粉並於每分鐘一千兩百轉的洗衣機裡清洗一小時後,在攝氏22度下晾一夜。然後這九位大男生穿上汗衫去參加足球賽2-3小時,再將汗衫脫下放在袋子裡冰冰箱,直到要分析的時候。

研究團隊接著在臭襪子以及臭汗衫上面取樣,並分析洗衣前、剛洗完後(還沒晾乾)、晾乾後衣服的臭味。

在清洗之前,臭襪子上面主要的氣味來源是DMDS、DMTS與丁酸;而臭汗衫上面主要的氣味來源是氨(ammonia)、DMTS、2-庚酮、2-壬酮與2-辛酮。

洗衣服是否能把「全部」的臭味都洗掉呢?研究團隊以每300毫升加入0.05克的洗衣粉進行清洗後發現:用攝氏50度洗衣服,就可以把這些揮發性化合物都洗掉了;但若使用攝氏20度(冷水),以臭襪子來說,DMDS與DMTS還是會殘留在上面;而臭汗衫上面的殘留物則主要是DMTS與2-庚酮。而且,由於它們是揮發性化合物,晾乾的過程還可以去除掉一些氣味。雖然相比於清洗前少了許多,但對於「汗味戰士」來說,因為衣服上的化合物含量相對較多,所以清洗後殘留的量也比其他人要多。

所以,清洗雖然可以去掉一些揮發性化合物,但對於某些化合物,如DMDS、DMTS以及2-庚酮,還是會殘留;這也就難怪筆者用有機洗衣精洗衣服洗完還有一點點味道了!因為筆者使用的有機洗衣精是不含香精的,所以還是會聞到一點點味道。但是在洗衣精裡面加入香精,也只是一種噴香水來蓋住臭味的方式,臭味的分子還是存在的喔!

當然,理想狀況是可以每天洗衣服;不過對於現代人來說,有時要天天洗衣服真的有點難!這時候,降低室內濕度(使用除濕機)也可以抑制細菌繁殖,讓衣服上的揮發性化合物不要累積那麼多;畢竟這個實驗裡面的衣服可是有冰冰箱的,冷藏的過程也可以抑制細菌繁殖...而在日常生活裡,應該沒有人會把髒衣服放在冰箱裡吧!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

 參考文獻:

1. 台大皮膚部 王修含 醫師。關於汗腺(eccrine sweat glands)的基本知識

2. Chamila J. Denawaka, Ian A. Fowlis, John R. Dean. Source, impact and removal of malodour from soiled clothing. Journal of Chromatography A, 2016; 1438: 216 DOI: 10.1016/j.chroma.2016.02.037

2016年10月13日 星期四

走在微生物鋪好的道路上 - 「演化之舞:細菌主演的地球生命史」再版導讀

圖片來源:博客來

  由馬古利斯與薩根這對母子檔合著的《演化之舞:細菌主演的地球生命史》,第一版於1986年出版,迄今已有三十年;而中譯本在台灣由天下文化出版,也已經是二十年前的事了。這次天下文化決定重新再版,並邀請我來撰寫本書的導讀,身為一位教育工作者兼科普人,除了感謝天下文化授予我這份重責大任之外,也擔心自己無法勝任。

在此首先要向大家推薦:上一版由程樹德老師所做的導讀非常精采,建議讀者在閱讀完這篇新的導讀文後,一定要再好好品味程樹德老師的導讀。

  馬古利斯以她獨特的視角──微生物的觀點,來看這四十億年來地球上種種生物的演化歷程。在當年容或有些驚世駭俗,但以最近這些年的研究發現看來,馬古利斯的確是有先見之明。

  就算從猿人開始算起,人類不過占據了地球生命的四十六億年中的四百萬年,而人類的活動真正開始對地球產生劇烈的影響,也不過就是最近的一、兩萬年之間的事而已。若將地球的生命以二十四小時來劃分,四百萬年不過是七十五秒;而人類就在不到最後半秒鐘的時間裡學會農耕、讓地球產生劇烈的變化!

  我們人類總是認為自己與眾不同。「萬物之靈」,這是人類給自己的稱呼。人類甚至在分類上刻意將自己與其他已絕種的猿人,歸類在「人屬」(Homo)之下,忽略人與猩猩在基因上的差別其實極為微小。

  我們並非天子驕子

  人類果真與其他生物完全不同嗎?看看我們氣管與小腸裡的纖毛:為什麼擺動我們纖毛的構造,與細菌的一般無二,都是旁邊九對,中間二個呢?而我們的遺傳信息,也一樣由五種核苷酸組成與傳遞;連構成我們蛋白質的標準胺基酸,也是二十一種。

  或許就像叛逆的孩子,不願意承認與父母有太多連結一樣,人類總愛把自己擺在一個與萬物有相當距離的位置,認為自己可以駕馭自然,「人定勝天」。實則近年來的氣候變遷,以及在微生物體(microbiome)研究上的種種發現,在在都告訴我們:我們只是地球上無數生物的一種,唯有切切實實認知我們僅僅只是「構造較複雜」,而非「演化較高等」的生物,並學會與其他生物共生息,才有可能在這個地球繼續生存下去。

  要認知我們無非只是地球上的生物之一,先讓我們跟著馬古利斯一起回顧一下地球的生物史。一百三十七億年前,大霹靂發生。在大霹靂發生後的一百萬年裡,宇宙中最簡單的元素「氫」出現。四十六億年前地球形成,原始的地球是一團火球,要等到四十億年前(也就是地球形成的六億年後)細菌才開始出現。這些細菌沒有被核膜包圍的細胞核,人類過去認為它們是低等的、不進步的;事實上沒有核膜使它們得以自由的與其他細菌交換遺傳物質,甚至可以與病毒、植物交換遺傳物質。四十億年後,人類還要費盡苦心才能進行與其他生物的遺傳物質交換。

  這些沒有核膜的生物,還要在地球上繼續生活二十億年,有核膜的真核生物才會出現。當時的地球可能還沒有地殼,或開始有一層薄薄的地殼形成;我們現在熟悉的五大洲還不見蹤影。

  從元素形成到細菌出現,中間究竟發生了什麼事?生命究竟是來自太初渾湯,或是外太空?即便最初的有機分子的確來自於外太空,他們仍要能在當時炎熱如地獄般的地球上存活下去,才有可能在四十億年前形成初始的生命。誠如達爾文說過的,「化石只是演化的斷簡殘篇」,沒有堅硬構造的原始生物化石已極難發現,要發現有機分子則更加不可能。從四個胺基酸到(去氧)核糖核酸,再到細菌,中間發生的種種事件,絕大部分我們也只能推想罷了。

  微生物打造地球環境

  這些我們曾一度想要除之而後快的微生物,現在已證明是與我們共存共榮、不可或缺的一部分了。不論在數目上它們是我們的十倍,或與我們等量齊觀,我們與這些細菌之間的共生關係絕對無法抹去。也是這些微生物改變了地球的樣貌,成為我們現在熟悉的樣子。

  醣解作用與發酵作用可能是最早出現的能量產生方式,而固氮作用的出現,提供了全世界所有生物穩定的氮來源;由於氮不尋常的穩定鍵結,全世界所有的生物也只有固氮菌發展出打斷鍵結的機制。若沒有固氮菌,地球上的生物不可能如現今一般欣欣向榮。

  為地球帶來最大變化的反應首推光合作用。由不產氧的硫菌到產氧而裂解水的藍綠菌,等到地殼中的鐵終於被藍綠菌所釋放的氧氣消耗殆盡後,終於產生了「氧氣大浩劫」(Great Oxygenation Event, GOE)事件。

  因為沒有足夠的化石資料可以評估,我們無法精確得知究竟氧氣大浩劫事件有多嚴重;由於地球形成時的大氣並不含氧氣,可以想見的是,絕大部分的微生物都在氧氣大浩劫時滅絕了。僥倖存活下來的微生物,只能在氧氣無法到達的環境(包括我們的消化道)中生存下去。

  真核細胞的誕生,宣示了進一步共生狀態的發生。隨著粒線體與色素體進入細胞,不同生物間的合縱連橫愈趨複雜,有些細胞也從與螺旋菌的跨界合作獲取了運動的能力。究竟這種種共生關係是如何發生、又如何發展為穩定的伙伴?

  或許由細菌所構成的生物膜(biofilm)是多細胞生物的濫觴。在1986年,微生物體的研究方興未艾,三十年後的今天,包括生物膜以及植物的內部信息傳遞等相關研究已突飛猛進,有興趣的朋友可以到各科普網站尋找相關的資料。

  大部分微生物的基因體都是單倍體,生物究竟從何時開始出現雙倍體呢?是雙倍體以及減數分裂的出現,使生物出現了另一種交換遺傳物質的形式:有性生殖。有些人認為有性生殖可以使細胞恢復活力,但如耳草履蟲的例子,似乎又在告訴我們,使細胞恢復活力的,是減數分裂與細胞核融合的過程,與是否導入新基因無關。

  由單細胞到多細胞生物,是否也是由共生而來呢?過去已知植物裡的地衣的確是藻類(或細菌)與真菌的共生體,而最近又發現一種生長在北美的地衣是子囊菌、藻類與擔子菌三種生物的共生體。這些發現都讓我們意識到多細胞生物始於共生生物的可能性。

  不過,即便如馬古利斯能以微生物的視角來重新審視生物演化、具真知灼見成一家之言的學者,談論到植物時,還是不免有些落入人類中心的窠臼。由於植物無法與動物一樣,以具體的行動(逃跑)來躲避敵害;因而植物發展出卓越的再生能力與全能性(totipotency),使得它在遇到掠食者時,可以以犧牲部分器官的策略,來換得個體繼續存活的權利。而這全能性在一萬到兩萬年前人類開始農耕之後,很快的便被人類充分應用、甚至即使在無意中得到不具有性生殖能力的作物品系時,也能以無性繁殖法使作物永續(如臍橙)。若說是植物為了要讓人類為它們進行無性繁殖,而把自己演化得很美味,難免有些自作多情的嫌疑。而近年來對植物生理學方面的研究,在在都提醒了我們:植物並非是柔弱無助的,它們與動物一樣,為了生存與繁殖演化出許多不同的策略,而這些策略都記錄在它們的基因體之中。

  而動物比植物晚了三千五百萬年才「登陸」,筆者認為可能的原因或許與葉綠體無關,而是因為植物無法行動。當陸地逐漸變得乾燥之後,生活於水域邊緣的植物便被迫得逐漸適應陸地生活。馬古利斯認為飢餓是驅使演化的動力,筆者則認為除了飢餓之外,生存更是推動演化的幕後之手。如近年來大量使用除草劑導致野草快速演化,也是生存推動演化的極好例證。

  演化主角更迭替換

  最後,在面臨環境急遽變化的此時此刻,許多人心中的大哉問可能是:人類是否會滅絕?地球是否會成為毫無生氣的天體?前者筆者沒有答案,但對後者的答案卻是否定的!縱使人類滅絕殆盡,地球上的生命仍將繼續繁衍。過去四十億年來,厭氧菌、三葉蟲、恐龍等先後登上演化的舞台、成為一時之選;看這些生物得意洋洋的正待引吭高歌,卻是一曲不及唱罷,便灰頭土臉偃旗息鼓的被拉到台下慌忙退場。或許人類也不免有此結局,但在此風雨飄搖之際,還是有許多人試圖力挽狂瀾。不過,正如馬古利斯所說,演化總是退一步、進兩步,大破之後才能有大立。更或許,如果人類真能理解到,唯有與萬物共生,而非企圖征服萬物,如此人類才真能避免滅絕一途;否則我們仍將會如過去的厭氧菌、三葉蟲、恐龍一般,僅僅成為演化長流中的一個點;而我們的存在,也只能留待後世「子孫」從化石證據上去確認罷了!

2016年10月10日 星期一

ATP為何可以儲存很多能量

ATP。圖片來源:Wiki

今天有同學問到為何ATP可以儲存很多能量。關鍵就在那三個磷酸根。

因為磷酸根帶負電,所以兩個磷酸根要被加在一起的時候,同性相斥的結果就需要輸入更多能量;就像當我們要把兩個磁鐵的同極相連的時候,也需要非常、非常的用力才能把兩個磁鐵的同極壓在一起;而對於ATP來說,就造成兩個磷酸根中間的「磷酸雙酯鍵」(phosphodiester bond)含有極大的能量。

尤其是第二個與第三個磷酸根之間的那個磷酸雙酯鍵,因為要把一個帶負電的磷酸根與已經存在的兩個帶負電的磷酸根連接,排斥力更大,所以要輸入的能量更多。

既然產生鍵結要輸入大量的能量,鍵結打開(也就是水解)的時候,當初輸入的能量就會被釋放,而細胞就巧妙的把這釋放的能量與化學反應結合。

這道理就很像電池。我們可以把AMP(單磷酸腺苷)想像為沒有電的電池,而ATP就是充飽電的電池。分解代謝反應就是充電,合成代謝就會消耗電能。

上面講的是一般狀況。在負責合成ATP的酵素(ATP合成酶)裡面,因為酵素特殊的構造,使得ATP在酵素裡面的合成,不但不用輸入能量,反而還可以輸出一點能量;但是,如果把ATP合成酶的特殊環境一起講,以高中階段來說,同學反而會弄混。

ATP合成酶是個非常特殊的構造,我們來看一下圖。

ATP合成酶。圖片來源:wiki

ATP合成酶可以被分成兩個部分,一個是F1部分(包括紅色與粉紅色部分,沒有鑲嵌在粒線體內膜的部分),另一個是F0部分(藍色與紫色部分,鑲嵌在粒線體內膜的部分)。這兩部分中間有幾個次單元把它們連接起來(上圖未顯示)。

F1部分主要由三個α與三個β次單元構成(紅色與粉紅色部分),每一組αβ次單元形成合成ATP的酵素。當αβ次單元在開放(O,open)構形時,它可以與ADP以及無機磷酸根(Pi)結合;開放構形可以轉為鬆弛(L,loose)構形,這時候與它連結的ADP與Pi仍保持結合狀態;而鬆弛構形可以轉為緊密(T,tight)構形,這時上面提到的釋出一點能量的ATP合成就發生了。等到緊密構形轉為開放構形時,合成的ATP被釋出,新的ADP與Pi進入。

推動這些構形轉換的動力是氫離子。氫離子(質子,H+)由粒線體的內外膜間空間(intermembrane space)進入ATP合成酶,經過它的F0部分,推動整個酵素複合體轉動,使負責合成ATP的F1部分構形改變:T變O,O變L,L變T。每轉三分之一圈(120度)就會有一組αβ次單元由T變O,於是便有一個ATP被釋放出來,轉一圈就有三個ATP形成。這部分可以參考ATP合成酶的動畫。

ATP合成酶的動畫。圖片來源:wiki

因為ATP合成酶特殊的結構,使得在一般狀況下,因為同性相斥而極難形成的磷酸雙酯鍵反而成了自發性反應;在生物裡面,如ATP合成酶這樣的東西,並不是唯一的例子。像葉綠體裡面的產氧複合體(OEC,oxygen evolving complex)也是另一個非常好的例子。直到最近幾年,科學家們才有辦法作出類似產氧複合體的晶片。所以,生物真的很奇妙!

2016年10月6日 星期四

【1051科普寫作】颱風吹倒金門五百萬棵樹,有影無?

圖片來源:Wiki

作者:孫馨平 凃杏穎 詹喻安

根據「金門重傷 500萬棵樹倒」新聞提及「莫蘭蒂颱風重創南台灣後,昨凌晨直撲金門而來,創下瞬間陣風十七級的建站歷史紀錄」,我們在假設金門種植五百萬棵樹的前提確立之下,進一步探討此颱風是否具有吹倒五百萬棵樹的威力。

(一)金門到底有多少林地? 
(1)今年三月的某則新聞中,金門林務所長提到有63平方公里的林地。2009年的某則新聞中,金門交通旅遊局說有39.8%的林地,以金門153.1平方公里換算,大概是60平方公里林地。
(2)「63平方公里」的新聞提及”此次植樹面積二公頃,種下三千三百三十六棵樹"1公頃是0.01平方公里,所以換算可得樹木密度為3336/0.02,約是166,800 棵/平方公里。1平方公里約16.7萬,一共有60平方公里,可得16.7 × 60 = 1002萬
(3)估算出金門竟然有一千萬棵樹!每棵樹平均擁有6平方公尺的面積,約是邊長2.4公尺的一個正方形。造林密度要根據立地條件、樹種、生態學特性、造林目的、利用價值等要求來決定,以防護林來說,密度應大些,可採用株行距1m X 1.5m或1m X 1m的造林密度,加快郁閉成林,增加防護作用。
 依據以上的分析,金門可能種植五百萬顆樹木。 

(二)在確立金門能種植五百萬棵樹木的情況後,我們收集資訊的面向來自以下三者來探討金門的五百萬棵樹,是否真能被莫蘭蒂颱風吹倒。 
(1)風級 莫蘭蒂颱風為強烈颱風,根據交通部中央氣象局颱風強度定義,對照於國際蒲福風級,輕度颱風風級為8~11級,中度颱風為11~15級,強烈颱風為16級以上。 交通部中央氣象所採用的標準等同於1946年由WMO所公布的國際標準,我們可由國際蒲福風級分級表得知,風級到達10級陸地情形已有「拔樹倒屋或有其他損毀」的破壞力。
(2)瞬間陣風 陣風指的是瞬間變化的風,一般測量風速會取10分鐘內的平均值,「陣風」則是10分鐘內發生5m/s以上的風速差時會出現的現象。颱風來臨時,陣風的風速是平均風速的1.5至2倍,這樣瞬間產生的強大風是颱風致災的主因之一。 
(3)金門地形 金門地形組成為丘陵、臺地、低地、窪地、小河流、沙灘與沙丘,就地勢起伏較為平緩,較無對颱風結構形成破壞之威脅以及抵擋的方式。 

綜合以上三點,我們因此合理推判,瞬間陣風到達17級、登陸金門的莫蘭蒂強烈颱風,在金門種植五百萬棵樹的前提確立之下,的確有極大機率能將五百萬棵樹吹倒。

原始文章取自「數感實驗室」與「植物生理學」粉絲專頁。

參考資料:

黃曉波。造林密度與林木生長的關係及其確定原則
自由時報。金門安岐出海口 種樹3336棵
大紀元。新春鐵馬逍遙遊金門正夯
聯合新聞網。金門重傷 500萬棵樹倒
科技大觀園。潘昌志。別小看颱風的「風」
交通部中央氣象局。颱風百科。一、認識颱風 18.颱風的強度是如何劃分的
台灣颱風資訊中心。蒲氏風力級數
金門的地形地貌

真的有沒有粒線體的真核生物嗎?

從中學生物開始,我們就學會「粒線體是細胞的能量工廠」這件事;老師都這樣教,我們也這樣記,但是最近由加拿大與歐洲所組成的研究團隊卻找到了一個腸內寄生蟲Monocercomonoides sp.,它沒有粒線體!

Monocercomonoides sp. 圖片來源:Wikipedia
什麼?它真的沒有粒線體嗎?過去曾有一些研究號稱找到「沒有粒線體」的生物,不過後來發現,其實粒線體分成四種,我們所熟知的粒線體,只是其中的一種而已。

看到這裡,讀者可能會很驚訝粒線體竟然有四種。不要急,待筆者道來:

一、好氧粒線體(aerobic mitochondria):存在於哺乳類,使用氧氣作為電子傳遞鏈的接受者;它每代謝一個葡萄糖可以產生三十六個ATP。

二、厭氧粒線體(anaerobic mitochondria):分佈於無脊椎動物(如牛羊肝吸蟲Fasciola hepatica或貽貝Mytilus edulis)中,不使用氧氣、每代謝一個葡萄糖產生五個ATP以及包括CO2, acetate, propionate, succinate等產物。一樣有檸檬酸循環與電子傳遞鏈。

三、真核單細胞原蟲的粒線體(hydrogenosomes):每個葡萄糖產生四個ATP,利用丙酮酸的單純發酵產生氫氣與ATP。1973年第一次在滴蟲(trichomonads)裡面發現,後來在牛的瘤胃(rumen)裡面的壺菌門(chytridiomycete)真菌、纖毛蟲裡面都有發現。

四、不合成ATP的粒線體(mitosome):這類的細菌在細胞質裡面,藉著與hydrogenosomes類似的酵素來合成ATP。大約每個葡萄糖只合成2-4個ATP,另產生CO2,acetate,ethanol。在1999年第一次在人腸內的寄生蟲痢疾阿米巴(Entamoeba histolytica)中發現,後來在2003年於梨形鞭毛蟲(Giardia lamblia)裡面也有發現。mitosome的產生可能因為這些生物多是細胞內或腸內寄生蟲,不需要進行有氧代謝,因此在演化的路上把那些進行有氧代謝所需要的酵素都丟光光了。

看完這四種,讀者不知道忽然意識到:原來粒線體大部分都不是好氧的!不過,後面那三種常被統稱為「粒線體相關胞器」(Mitochondrion-related organelle),簡稱MRO。而前面提到,過去號稱找到「沒有粒線體」的生物,其實後來有些都被發現帶有MRO。

那麼,這次的Monocercomonoides sp.是否真的沒有粒線體也沒有MRO呢?

如果真的沒有粒線體也沒有MRO,對真核生物來說會是一件超級嚴重的事情!怎麼說呢?

原來,粒線體對真核生物的重要性,不是只有在好氧代謝而已;真核生物還需要粒線體幫它們組裝「鐵-硫蛋白」(Iron-sulphur protein)。

鐵-硫蛋白是一群功能非常多元的蛋白質,它可以擔負著電子傳遞的功能(如在電子傳遞鏈裡面)、也可以是酵素(如在檸檬酸循環裡面將檸檬酸轉為異檸檬酸)、還可以用來感知周圍與胞內環境,以調節基因的表現;它甚至可能有結構上的功能呢!這麼重要的一群蛋白,在細胞內卻需要其他的蛋白質來幫忙組裝;在真核細胞,有兩個系統負責組裝它們:位於粒線體的ISC 裝配機制(ISC assembly machinery)與位於細胞質的CIA 機制(cytosolic Fe-S-protein assembly machinery)。

而我們的主角的基因體,不但找不到粒線體基因體、也找不到與運輸蛋白質進入粒線體相關的基因(mitochondrial import machinery)、也沒有負責合成心磷脂(cardiolipin,粒線體膜上特有的脂質)的基因...它甚至連ISC 裝配機制也沒有!

這實在太驚人了,就如我們前面提到,真核生物需要ISC 裝配機制與CIA機制來幫忙組裝鐵-硫蛋白,我們的主角沒有ISC 裝配機制(不過有CIA 機制),那它是怎麼組裝鐵-硫蛋白呢?

研究團隊在它的基因體裡面找到了另外一種裝配機制:SUF 系統。

這就特別了!過去SUF 系統只在細菌、古菌、質體(plastid)以及兩種真核生物(Pygsuia biforma 與 芽藻 Blastocystis sp.)中發現,會不會是污染到原核生物的DNA呢?

研究團隊檢查了一下,發現它的SUF 系統的基因中有內含子(intron)。由於內含子並不會存在於原核生物,所以可以排除原核生物DNA污染;而且用螢光染色也可以看到SUF 系統的基因。加上它的最近親 P. pyriformis也有SUF 系統的基因,所以研究團隊認為,它應該是在很久很久以前就從原核生物那裡取得了SUF 系統的基因囉!

研究團隊在檢視它的SUF 系統的基因時,也發現這些基因缺乏粒線體靶向信號(mitochondrial targeting signal),提供了更多證據支持:Monocercomonoides sp.真的沒有粒線體。

是否它真的是一個本來就沒有粒線體的真核生物,還是它的粒線體因為(一)長期居住在腸內,不需要好氧代謝,以及(二)導入了原核的SUF 系統,使粒線體僅剩的重要功能也不再需要;導致了它的粒線體完全消失了呢?有鑑於它的近親們都還是保有MRO,研究團隊傾向於它並不是本來就沒有粒線體,而是因為不再需要而退化到消失不見。

雖然是這麼說,不過這還是第一個在基因體中完全找不到粒線體的蛛絲馬跡的真核生物呢!真酷!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

1. Karnkowska A. et. al., A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle.  Current Biology (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2016.03.053

2. Martin, W. & Mentel, M. (2010). The Origin of Mitochondria. Nature Education 3(9):58

3. Roland Lill. 2009. Function and biogenesis of iron-sulfur proteins.Nature.460:831-838

2016年10月4日 星期二

鳥糞嘌呤(guanine)真的跟鳥糞有關嗎?

鳥糞嘌呤。圖片來源:Wikipedia.

鳥糞嘌呤為什麼叫做「鳥糞」嘌呤?-ine是化學字尾,前面的guan真的跟鳥糞有關嗎?

答案是:沒錯!鳥糞嘌呤是在1844年由Magnus教授的學生B. Unger從海鳥的糞便(稱為guano)中分離出來的。所以在1846年就被命名為鳥糞嘌呤了。

它的結構則是在1882-1906年之間,由德國化學家埃米爾·菲舍爾(Emil Fischer,1852–1919)定出它的結構,同時也發現尿酸(uric acid)可以被轉化為鳥糞嘌呤。同樣可以由尿酸(uric acid)產生的另一個含氮鹼基是尿嘧啶(uracil,1885年)。

大家都知道細胞裡的能量貨幣是腺嘌呤核苷三磷酸(ATP,adenosine triphosphate),但有時細胞也會使用鳥糞嘌呤核苷三磷酸(GTP,guanosine triphosphate)。如檸檬酸循環(Citric acid cycle)中的琥珀酰輔酶A合成酶(succinyl-CoA synthetase)就會使用鳥糞嘌呤核苷二磷酸(GDP)來承接來自琥珀酰輔酶A的能量,合成鳥糞嘌呤核苷三磷酸。
鳥糞嘌呤核苷三磷酸(GTP)。圖片來源:Wikipedia

我們細胞中很重要的一群信息傳遞蛋白「G 蛋白」(G protein),是由艾爾佛列·古曼·吉爾曼(Alfred Goodman Gilman,1941-2015)與馬丁·羅德貝爾(Martin Rodbell,1925-1998)在研究腎上腺素(adrenaline/epinephrine)的信息傳導時發現的。G 蛋白在與鳥糞嘌呤核苷三磷酸結合後即活化,等到鳥糞嘌呤核苷三磷酸水解為鳥糞嘌呤核苷二磷酸時,便失去活性。吉爾曼與羅德貝爾因為對G 蛋白的發現與研究,同獲1994年的諾貝爾生理醫學獎

參考資料:

Wikipedia. Guanine.

Miscellaneous999. 尿嘧啶(uracil)與尿酸