2012年9月29日 星期六

細胞內的世界 摘要

探索生命《生物學》47
Mendelssohn A Midsummer Night's Dream Overture by Masur

1.        大部分有機體細胞有一層膜包覆細胞核,這類細胞稱為真核細胞eucaryotes,原核細胞procaryotes與真核細胞最大的差別就是原核細胞沒有核膜。
2.        真核細胞的細胞核內是染色體chromosomes核仁。染色體上的基因指引生命發展程序;細胞核內小顆卵狀物體稱為核仁,細胞核內可能有一個或多個核仁,核醣體是從核仁分化出來的,核醣體是蛋白質合成的位置。
3.        將細胞核與細胞質分隔開來的雙層膜是核膜nuclear envolope,核膜上有許多孔隙。
4.        內質網endoplasmic reticulum是核膜延伸出來的系統,這個膜狀系統連接著細胞核內封閉的空間。有些內質網區域是粗糙的,表面布滿核醣體。有些內質網區域是平滑的,表面沒有核醣體
5.        內質網不僅是細胞的運輸路徑,也是合成新細胞膜建材磷脂質與膽固醇的地方。粗糙內質網上的核醣體合成建造新細胞與各種需要輸出的蛋白質。
6.        高基氏體Golgi apparatus由層層相疊的密封膜袋組成,高基氏體的功能是儲存、修飾和打包分泌產物。高基氏體合成的多醣連接著醣蛋白醣脂質,這些分子能夠組成細胞的醣原萼膜glycocalyx
7.        粒腺體Mitochondria是細胞的發電廠。粒腺體內的化學反應合成ATP,粒腺體用ATP分子提供能量給細胞內其他的胞器。
8.        溶小體Lysosomes是膜狀囊袋,溶小體的功能是儲存消化酵素的囊泡,是細胞的消化系統,能分解胞吞作用吃進來的物質。過氧化體Peroxisomes是膜狀的囊袋,裡面裝的是氧化的酵素,而不是消化酵素。
9.        大部分的植物細胞都有一種大型膜狀胞器,稱為質體plastids。二種主要的質體分別是有顏色的雜色體chromoplasts,與無色的白色體leucoplasts
10.     雜色體中含有葉綠素的稱為葉綠體chloroplasts;葉綠體捕捉陽光的能量,利用陽光的能量製造儲存能量的有機化合物。白色體主要功能是儲存澱粉、油脂、蛋白質顆粒。
11.     細胞內被一層膜包裹的流體稱為液泡vacuoles,許多植物細胞都有液泡,各有不同的功能。大部分成熟的植物細胞中有大型液泡,佔據細胞大部分的體積;液泡維持細胞的膨壓turgidity,能夠儲存細胞需要的無機物與有機物,以及細胞不需要的廢棄物。
12.     微管microtubules、中間纖維intermediate filaments、微絲microfilaments幫助細胞內的運動,是細胞的支撐骨架。當細胞分裂時,微管會形成紡錘體,微管也是中心粒centrioles基底體basal bodies的基本構成材料(中心粒與基底體是同樣的東西但是功能不同)
13.     纖毛與鞭毛是像髮絲那樣的物體,它們從細胞表面突出來。纖毛與鞭毛能夠移動細胞,或者將物質移到細胞表面。鞭毛裡面的微管排列方式是每兩條微管一組,九組排成一圈,稱為9+2排列法。
14.     雖然原核細胞沒有膜包覆細胞核與膜狀胞器,他們確實有核醣體與一個環狀的DNA染色體。有些細菌細胞(原核)也有鞭毛,但是他們的鞭毛裡面沒有微管。
n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton Biology》;圖片來源/Apbrwww5.apsu.edu

原核細胞缺乏內膜狀胞器 Procaryotic Cells Lack Most Internal Membranous Organelles

探索生命《生物學》46
1.       真核細胞大部分的器官,原核細胞都沒有。我們已經提到過,原核細胞沒有核膜nuclear envelope,此外,原核細胞也缺少其他膜狀胞器,例如內質網、高基氏體、溶小體、過氧化體、粒腺體(細菌利用細胞膜執行粒腺體的工作)。
2.       大部分能行光合作用的細菌,它們的膜狀構造中含有能夠吸收光的色素。這些膜狀結構通常是從細胞膜折疊而來的,並非獨立的封閉膜狀體。
3.        有一段時間人們認為,原核細胞沒有染色體。在電子顯微鏡技術提昇之後,人類可以偵測每個原核細胞內含有單條、大型DNA分子的區域
4.        原核細胞內有小而獨立的DNA分子片段,稱為質體plasmids。原核細胞的質體是一圈一圈環狀的,這跟真核細胞的DNA的染色體長得不一樣。就像真核細胞的染色體,原核細胞的染色體含有基因,控制遺傳特徵與細胞的活動。
5.        DNA透過核醣體指揮蛋白質的合成。不論是原核細胞或真核細胞,它們都有核醣體這個重要的細胞質構造,但是在構造上有些不同,並且原核細胞的核醣體體積比較小。
6.        有些細菌細胞有像髮絲一樣的器官可用來游泳,稱為鞭毛。大部分原核細胞的鞭毛構造不含微管,並且鞭毛的結構與運動方式也跟真核細胞的鞭毛完全不同。原核細胞的鞭毛像螺旋槳那樣旋轉,與真核細胞的纖毛或鞭毛彎曲擺動不同。
7.        最後,大部分細菌的細胞壁是由多醣胞壁質polysaccharide murein構成(這是一種胺基酸醣的多聚體),只有原核細胞的細胞壁含有這種物質。
8.        比較原核細胞、真核細胞、粒腺體和葉綠體
體積size:原核細胞110μm;真核細胞10100μm;粒腺體和葉綠體110μm
核膜:原核細胞沒有核膜;真核細胞有核膜;粒腺體和葉綠體沒有核膜。
染色體:原核細胞有一個環狀的DNA分子(染色體),沒有核小體;真核細胞有許多條線狀DNA分子,纏繞在核小體上;粒腺體與葉綠體有一個環狀分子,沒有核小體。
胞器:原核細胞沒有高基氏體、內質網、溶小體和過氧化體;真核細胞有高基氏體、內質網、溶小體和過氧化體。
葉綠素:原核細胞有葉綠素,不過是散布於細胞內,不是在葉綠體裡面。真核細胞在葉綠體裡面有葉綠素。
核醣體:原核細胞的核醣體較小;真核細胞的核醣體較大;粒腺體與葉綠體的核醣體較小。
微管、中間纖維、微絲:原核細胞沒有這三種細胞骨骼;真核細胞有微管、中間纖維、微絲;細腺體與葉綠體沒有這三種細胞骨骼。
鞭毛:原核細胞的鞭毛欠缺微管;真核細胞的鞭毛內含微管。

根據內共生假說,細胞內某些胞器原本是獨立的細胞 According to the Endosymbiotic HypothesisSome Organelles Originated as Independent Cells
9.        許多生物學家相信,真核細胞中至少有二種胞器—粒腺體與葉綠體—是原核細胞有機體的後代,他們寄生在真核細胞的祖先身上,形成共生關係。這個觀點,稱為內共生假說endosymbiotic hypothesis
10.     波士頓大學Lynn Marguli提出內共生假說可信的主要依據如下:
1.     粒腺體與葉綠體都有自己的核醣體染色體(基因)與細胞膜
2.     粒腺體與葉綠體的染色體長得很像原核細胞的染色體,都是環狀DNA分子DNA分子沒有纏繞在蛋白質上,也沒有被核膜包覆。
3.     粒腺體與葉綠體的基因構造類似原核細胞的基因構造,卻與真核細胞的基因構造差距很大。
4.     粒腺體與葉綠體的核醣體,比較類似原核細胞的核醣體,比較不像他們寄生的真核細胞的核醣體。
5.     今日還有許多光合作用細菌寄生在真核細胞宿主體內,這些光合細菌提供食物給宿主,換取宿主的保護。同樣地,某些非光合作用細菌也會與真核有機體共生,從宿主沒有辦法消化的食物中,粹取能量,並分享能量給宿主。
11.     簡而言之,內共生假說認為,大約15億年前,原核細胞吞噬了細菌,被吞噬的細菌抵抗被消化的命運,與它的宿主共生。之後,共生體部分基因轉移到宿主的細胞核,宿主因此控制了它的寄生體。
12.     包括植物、動物、真菌和原生生物protozoan(最簡單的真核細胞)這些含有粒腺體或葉綠體的有機體的共生關係,應該是從以上的關係演化而來的。
13.     根據內共生假說,不同的光合作用細菌遇到一樣的命運,它們變成各種葉綠體寄生在有機體內,例如成為綠藻或植物體內的葉綠體。
n         翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton Biology》;圖片來源/TorresbioclanEmc.maricopa

2012年9月23日 星期日

多電子的原子模型進一步發展-Hartree的self-consistent field(SCF)

化學原理啟迪333
1.     Steven S. Zumdahl多電子的原子與只有一顆電子的原子,它們的量子力學(電子活動)不同。因此以薛丁格方程式解開氫原子的電子的能量的方式,與解開多電子的原子是不同的。
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2.     氫原子用薛丁格方程式計算出來的電子軌域,幾乎就跟波爾的原子模型一樣。這些電子軌域的能量大小、外型、空間分佈和每個電子的活動,分別用主量子數n、角動量子數l、磁量子數ml、和旋轉量子數ms描述;這些軌域的能階大小取決於主量子數。
3.     再複習一次,氫原子利用薛丁格方程式解開的各種電子軌域。舉例來說,主量子數n2和角動量子數l1指的是2p軌域(第二能階的p軌域)。
4.     三個一組的p軌域中,有一個p軌域的ml0,稱為2pz軌域,但是另外兩個p軌域的ml1和-1,稱為2px2py。更高能階的p軌域同樣分為三種ml0+11,只是電子分佈的區域體積比較大。
5.     同樣地,3d軌域(n3l2)在磁量子數ml0時存在一種電子軌域,稱為dz2,此外在磁量子數ml±1±2時,還有另外四種d軌域:dxzdyzdxydx2y2。以上電子軌域都是只有1顆電子的氫原子軌域。
6.     利用薛丁格方程式解開來的氫原子的電子軌域是非常明確的範圍,但是如果薛丁格方程式要解決的是多電子的原子的軌域,那就沒有辦法畫出這麼清楚的輪廓。
7.     舉例來說,雖然氫原子和氦原子十分相似,但是描述它們電子活動軌域的數學卻完全不同。氦擁有二顆電子,所有帶負電的電子都會互斥,所以氦的二顆電子是連動的(成對的),這讓我們利用薛丁格方程式計算氦的電子時,無法把電子獨立起來計算。
8.     因此當我們用薛丁格方程式計算氦(或其他多電子原子)的電子能量時,必須使用近似值。最常用的近似值求法是,self-consistent fieldSCF這是由Hartree推演出來的計算法,介紹如下。
9.     假設有一個原子含有N顆電子,除了第1顆電子以外,其他顆電子的波函數(軌域)都是用猜的方式設定。舉例來說,我們針對電子2、電子3、電子4……電子N,猜測的軌域是ψ2ψ3ψ4……ψN
10. 接下的步驟是,用薛丁格方程式解開第1顆電子的能量,這顆電子所處的位能活動場域是由原子核與其他電子軌域ψ2ψ3ψ4……ψN互動創造出來的世界。
11. 然後,利用電腦計算電子1與其他電子在空間中的互斥力量,解開得到電子1的波動函數,寫成ψ'1
12. 下一個步驟是用同樣的方式計算電子2與在受到其他電子ψ'1ψ2ψ3ψ4……ψN影響的場域中活動時的波動函數,得到新的電子2的波動函數ψ'2
13. 接下來再用相同的方式計算電子3與在受到其他電子ψ'1ψ'2ψ4、……ψN影響的場域中活動時的波動函數,得到一個新的電子3的波動函數ψ'3
14. 持續進行這個計算程序,直到原子的所有電子的波動函數都被計算出來ψ'1ψ'2ψ'3ψ'4……ψ'N
15. 持續進行這個計算程序,不停循環,直到最新計算出來的一組波動函數與之前那一組波動函數一樣,就達到self-consistent fieldSCF),計算完成。
16. 徐弘毅注:多電子原子的每一顆電子活動的時候,會受到其他顆電子的牽動影響,這是多電子原子與只有一顆電子的氫原子最大的不同。
17. 氫原子只有一顆電子,這顆電子的活動很單純,只有它自己與原子核,所以我們可以清楚地畫出這顆電子的活動範圍(軌域),確定它的能量。
18. 但是多電子原子的任何一顆電子活動的時候,會受到周遭其他電子的斥力影響,所以它的活動沒有那麼自由,運動範圍(軌域)不確定;由於電子的能量有部分消耗在對抗其他電子,所以電子所處的能階也不確定。
19. 那麼,怎麼找出多電子原子的電子軌域與能階呢?從教科書的描述推測,Hartree應該是先用氫原子模型,設定第一顆電子的能量,然後計算這顆電子在其他顆電子的斥力影響下的波函數。
20. 因為每一顆電子都同樣受到其他電子的影響,所以其他電子的軌域與能量也無法確定,但是暫時先用氫原子模型推測出來的軌域與能階來代表。
21. 計算出第一顆電子/電子1在原子核與其他電子影響下的軌域與能量之後,利用這個比較接近真實的第一顆電子的波函數,再去計算第二顆電子/電子2在原子核與其他電子的影響下的軌域與能量。
22. 對第二顆電子/電子2而言,「其他顆電子」包含剛剛計算出來的「第一顆電子的波函數」與其他電子,這樣計算出來的第二顆電子的波函數,比原本用薛丁格方程式推斷的波函數,更接近第二顆電子的實際狀態一些,因為與它互動的第一顆電子的波函數已經修正過了
23. 接著,再利用剛計算出來的第一顆電子與第二顆電子的波函數,與其他電子的波函數,計算出第三顆電子/電子3在原子核與其他電子影響下的波函數,這樣計算出來的波函數,比原本設定的波函數,更接近第三顆電子的實際狀態一些,因為與它互動的第一顆電子與第二顆電子已經修正過了
24. 應用同樣的模式持續計算下去,逐一計算出多電子原子的每一顆電子的波函數,這些波函數會比原本用猜的波函數更接近真實一些,但是夠接近真實嗎?
25. Hartree的方法是,再重新計算一次。第二輪的計算使用的是修正過後的電子波函數,從第一顆電子開始,逐一計算、再次修正電子在原子核與其他電子影響下的軌域與能量,完成之後得到一批比第一輪更接近真實的波函數;
26. 接著再進行第三輪的計算,這一次使用的是第二輪新計算出來的波函數……,如此持續進行第四輪、第五輪、第六輪……的計算,直到出現某一輪的計算數值,與前一輪完全一樣,已經不需要再修正了,這代表我們找到非常接近每顆電子真實狀態的波函數了,這場計算才算完畢。
27. Steven S. Zumdahl多電子原子使用SCF法計算出來的原子軌域,十分類似氫原子的軌域;它們的角動量子數特徵與氫原子軌域一樣,但是軌域的徑向與氫原子的軌域不同。(多電子原子的軌域外型與只有一顆電子的氫原子軌域外型一樣,但是軌域的體積大小/半徑長度不一樣。)
28. 雖然說明氫原子的主量子數所描繪的軌域,並沒有完全與多電子原子用SCF計算出來的軌域一致,但是氫原子模型仍然是瞭解電子軌域最方便的方法。
29. 有一點必須特別留意,用SCF法描繪出來的多電子原子的軌域,其能量大小取決於主量子數n和角動量子數l不像氫原子的電子只取決於主量子數n
30. 徐弘毅注:為什麼多電子原子的軌域能量大小會受到角動量子數l的影響?因為在多電子的世界必須考慮到電子之間有斥力,也因此每顆電子的軌域活動範圍,會影響到其他電子的活動,它們彼此可能因為軌域形狀的關係變得靠近而增加斥力,或者相反,軌域形狀剛好使彼此遠離,而減輕斥力。
31. Steven S. Zumdahl雖然假設一個原子擁有N顆電子,就會有N個獨立的電子軌域,這樣並不完全正確,但是在瞭解原子的性質方面,這是一個有用的觀念;「擁有N顆電子的原子會有N個獨立的電子軌域」的觀念有助於有系統地將元素排列成元素週期表的樣式。
32. 再複習一次元素週期表,隨著元素的原子序(質子)增加,電子也一顆一顆地增加,增加的電子是依據一個特定的順序填入的,在能階都n的時候,電子會依照nsnpndnf的先後順序填入。
33. 從觀察到的現象,我們預期用SCF法計算出來的原子軌域的能量大小順序是:
EnsEnpEndEnf
計算的結果顯示,同一個能階n下的spdf四種軌域的能量大小順序,確實是s軌域電子的能量小於p軌域電子的能量,p軌域電子的能量小於d軌域電子的能量,d軌域電子的能量小於f軌域電子的能量EnsEnpEndEnf
n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles