正夯的基因轉殖技術-胰島素（Insulin）的生產
國立台中第二高級中學生物科何宸岳實習老師/臺灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

過去，人類為了得到5毫克的生長因子，必須從五十萬頭羊的大腦萃取才能獲得。現在，人類透過生物技術中的基因轉殖技術，便可得到大量且便宜的藥物。何謂基因轉殖技術？所謂基因轉殖技術是將外來DNA移殖至動、植物或微生物等生物細胞，使細胞組織表現外來基因特性，進而產生外來基因表現的蛋白質。1982年，胰島素是第一個獲得美國食品藥物管理局(FDA)核准上市的基因工程藥物，Genentech公司將人類的胰島素基因送入大腸桿菌細胞內，藉由大腸桿菌來大量生產第一型糖尿病患所需的胰島素。 Continue reading →

小兵立大功-微生物（Microorganism）與食品大有關係
國立台中第二高級中學生物科何宸岳實習老師/臺灣師範大學 生命科學系李冠群助理教授責任編輯

掌櫃~來盤泡菜、肉乾、還有陳年好酒。客官~您知道這些美味的食物與微生物可是大有關係的。由微生物發酵的食品，其消化性好、營養價值高、色香味增加、儲藏時間增加…等優點。發酵食品是以農林產品、水產品、畜產品為原料，經微生物作用製得。另一方面，有些微生物在食品中也會造成食品的腐敗或是在食品中產生毒素，造成人類食物中毒的情形，這些微生物包括細菌、黴菌、酵母菌。常見的發酵食品種類有酒類、醋、發酵乳製品、乳酸發酵蔬菜、調味料、豆腐乳、水產類等。

酒類包括：啤酒、米酒、紹興酒、白蘭地、威士忌…等。是由含糖或澱粉原料經過酵母菌進行酒精發酵而製得的。不同原料以及不同的微生物，就會產生不同的酒類產品。

醋：是由原料經由醋酸菌對酒精發酵產生醋酸的過程。

發酵乳製品：發酵乳是以哺乳類的乳經過微生物的發酵而產生具有特殊風味的乳製品，使用的微生物包括乳酸菌和酵母菌兩類。乳酸菌會讓乳變成酸性乳；酵母菌則會進行酒精發酵而產生酒精。而發酵乳製品包括優格、乳酪、乳酸飲料(優酪乳)、酒精發酵飲料(Kefir,克弗爾)…等。 Continue reading →

芝麻不開門－談抑制人類免疫缺陷病毒侵細胞的策略
（Human Immunodeficiency Virus, HIV）
台北市立第一女子高級中學生物科胡苓芝老師/國立台灣師範大學生命科學系 李冠群助理教授責任編輯

因為愛滋病對人類的威脅，使得全球將近1%人口的健康受到「人類免疫缺陷病毒(Human Immunodeficiency Virus, HIV)」的影響，故高中課程無論是在生物多樣性中微生物的單元、免疫系統的教學或是健康與護理的內容中，對於HIV 病毒的構造、生活史或傳播方法已有相當廣泛的介紹，HIV 病毒應該稱得上是所有高中生最暸解的病原體之一。事實上，複製HIV 病毒是一個精密複雜的過程，每個步驟都有發展出對抗病毒藥物的潛能，例如常聴到的三合一「雞尾酒療法」或稱「高效能抗病毒藥物治療法 (highly active antiretroviral therapy; HAART)」，就是將蛋白酶抑制劑、核苷類反轉錄酶抑制劑及非核苷類反轉錄酶抑制劑三類藥物組合使用，達成抑制HIV 病毒在細胞內複製的目的。但因HIV 病毒容易突變產生抗藥性，也使得免疫系統無法辨識或是摧毀它，故許多學者選擇了蛋白酶和反轉錄酶以外的研究方向。本文是以HIV生活史中的「感染」過程為主題，同時簡介一些抑制HIV入侵細胞的藥物設計策略。 Continue reading →

植物體內養分的運輸 (Nutrition)
臺北市立建國高級中學生物科朱芳琳老師/國立臺灣師範大學生命科學系 張永達副教授責任編輯

韌皮部內物質種類

韌皮部中物質的成分與木質部不同，其中水分的含量比例較低，含量最多的溶質是醣類，其中最主要的是蔗糖，可佔篩管汁液乾重的90%，因此韌皮部中的液體會呈現輕度的黏稠狀。除了蔗糖外，韌皮部中的液體也含有植物激素、胺基酸與有機酸等有機物，另外也具有磷酸鹽、硫酸鹽、及K⁺、Na⁺、Mg2⁺、Cl^–等礦物質，其中K⁺含量最高。

韌皮部內物質運送的方向與速度

韌皮部內物質的運送方向十分多樣化，其通則便是由糖分的來源(source)部位轉移至糖分需求(sink)的部位。來源部位(source)可能是進行光合作用旺盛的葉片，或是正在分解澱粉提供養分給新芽的貯存器官；需求部位(sink)則多為消耗糖分的部位，如新生的嫩芽或是成長中的花果等、或是正在貯存養分的塊莖或塊根。植物體內何處會成為養分需求的部位，可能依照不同的季節或生長階段而有差異，例如果實或種子，在發育期間是需求非常強烈的sink，吸引大量的養分輸入；但是當到了種子發芽的階段，種子又成為source，子葉或胚乳中的養分會移往莖頂與根尖，提供生長發育之用。物質在韌皮部內運送的速度相當快，平均大約每小時可達1公尺左右，不同植物間略有差異，同一植物的不同生長時期也有差異。 Continue reading →

植物的防禦作用（Defense）
台北市立建國中學生物科劉玉山老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

雖然植物看起來總是逆來順受，其實他們仍具有複雜的防禦機制。表皮是最初的物理屏障，表皮上的刺或毛狀物可阻礙病原體入侵和減少草食性動物攝食。 許多真菌入侵必須分泌酵素分解表皮角質層，才能入侵底層組織。此外，植物體內的二次代謝物也與防禦作用有關，其中有一類為植物本身所具有，非病原體誘導產生，如常見的皂素(sponins)，皂素會與入侵真菌菌絲膜上的固醇分子作用，使膜失去完整性。從與燕麥基因的相關研究，已經證實皂素(sponins)可抵抗真菌的感染。

當病原體入侵時，植物會啟動一連串的變化，立即造成附近寄主植物細胞死亡，使得病原菌失去營養而死亡，是一種「計畫性細胞死亡」的機制，也可稱為過敏性反應(Hypersensitive Response) 。過敏性反應初期，許多病原性相關蛋白基因(PR genes)會活化，其產物稱為病原性相關蛋白(PR proteins)，可能是一些病原體分泌酵素的抑制物，如蛋白酶抑制物；分解病原體細胞壁的酵素，如β-1,3 glucanase 和 chitinase 等。而且入侵的病原體會產生一些醣類、糖蛋白或蛋白質分子的誘導原(elicitor)，誘導植物體內產生相關酵素，合成一群類黃酮的化合物，稱為抗菌素(phytoalexins)，以限制病原菌的生長。隨後植物細胞合成木質素(lignin)、木栓質(suberin)和胝質(callose)，以修補細胞壁的損傷，減緩病原菌的入侵。最後，啟動計畫性死亡，造成入侵部位壞死，以限制病原體的擴散。 Continue reading →

溶體之外－談泛素與蛋白質的降解 (Degradation)
臺北市立第一女子中學生物科胡苓芝老師/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

細胞中的蛋白質擔任多重角色，如管制物質進出、建構細胞形狀、催化反應和運動等，故無論是蛋白質合成或降解 (degradation，也就是指被分解為小片段)，都被精確地調控。有關細胞如何調節蛋白質合成的觀念，在目前高中課程多有論述，如中心法則－轉錄或轉譯的過程；原核和真核細胞基因表現的調節；轉錄因子的表現、活化；轉錄後的修飾或是轉譯前後的調節等。其中較為艱深複雜的內容，在經過適當的補述後，常變身為大學入學考試指定考科的閱讀測驗的取材方向，如97年－「轉譯後的修飾和蛋白質活性」；96年－「RNAi的影響」和94年－「轉錄後或轉譯前RNA的修飾」。

相對地，分解蛋白質的觀念則僅在消化生理或是細胞生理時提到，如溶體會經由膜上的質子幫浦維持膜內的酸性環境，分解並回收外源蛋白質以及衰老或損傷的胞器，故與胞內消化、胞器更新和細胞自戕有關。但無論是消化系統中的蛋白酶或是溶體的水解作用，都無法解釋細胞內如何「選擇性」的消除錯誤或廢棄不用的蛋白質，故本單元即以2004化學諾貝爾獎獲獎主題「死亡之吻－泛素」，簡介細胞另一種蛋白質降解途徑，此主題也曾出現2006 國內生物奧林匹亞競賽(IBO)複試B卷中。 Continue reading →

細胞內的碎紙機－蛋白酶體（Proteasome）
台北市立第一女子中學生物科胡苓芝老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

蛋白酶體（proteasome）存於真核細胞的細胞核和細胞質中，為溶體(lysosome)外的蛋白水解構造，是細胞調控特定數量蛋白質和除去錯誤摺疊蛋白質的場所。人體每個細胞的細胞核與細胞質中，約含有三萬個蛋白酶體。

從結構上看，蛋白酶體包括核心顆粒和調節顆粒二部份，均由蛋白質組成（圖１）。核心顆粒是由多種不同的蛋白質組裝成的中空桶狀複合物，這些蛋白質堆疊成四個環，外側兩環可以發揮「門」的作用，門上的調節顆粒，可以識別連接在蛋白質上的聚泛素(polyubiquitin)標籤，並啟動降解過程，一方面去除泛素，並將泛素釋回細胞質中重複利用；一方面利用水解ATP，釋出能量破壞蛋白質的二三四級結構，並將此解旋後的線型蛋白質注入中空部位。中間兩環內側具蛋白酶活性部位，為切割蛋白質的場所，降解出來的肽鏈由蛋白酶體的另外一端釋放出來。這樣的構造能避免細胞質中的蛋白質誤觸蛋白酶體的活性位置，造成不當的分解。 Continue reading →

人擇-稻米的馴化（Artificial Selection）
台北市忠孝國民中學自然領域張馨文實習老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

長久以來小麥、大麥、玉米、小米、水稻等糧食作物，是從野生植物在人類的需求下進行人為的長期馴化而培育出來。在亞洲國家中，野生稻(Oryza rufipogon)經過人類在作物馴化過程中的強力篩選形成栽種稻(Oryza sativa)，具有不易脫落且多產之大穀粒，而梗稻(O. sativa ssp. japonica，蓬萊米)和秈稻(O. sativa ssp. indica，在來米)成為主要的兩個明顯遺傳差異的亞種。

自然-遺傳學(Nature Genetics)於二○○八年發表基因GIF1控制水稻種子粒發育中蔗糖運輸卸載和灌漿的功能，發現轉殖GIF1基因植株能顯著提高種子灌漿和乾重，此外PROG1基因的編碼區有一個鹼基的變異引起胺基酸的替換，該胺基酸的替換在人擇過程中被選擇，目的是為直立生長和適當分蘗。

根據親源地理學分析栽培稻和野生稻的葉綠體及細胞核的DNA序列，推論出馴化的過程在不同地區發生。而馴化過程中會經歷瓶頸效應（bottleneck effect），使栽培稻遺傳變異少於野生稻的祖先，遺傳的多樣性消失使許多遺傳變異無可避免地從作物中流失。 Continue reading →