二、遺傳學家尼爾遜發現穎果(稻麥…的果實)顏色呈連續性的

二、遺傳學家尼爾遜發現穎果(稻麥…的果實)顏色呈連續性的 时间就是金钱,效率就是生命, 第十二章 主宰生命奧秘的分子 12-1 核酸的發現 1.瑞典化學家米歇爾(F.Miesher麥許爾)於1869發現在膿細胞的細胞核中有一種物質存在 ,他稱為核素(nuclein)。後來化學家分析核素是一種酸性物質,稱為核酸 2.阿特曼於1889年純化核酸,並確認核酸的組成單位為核甘酸 二、證明核酸為遺傳物質的過程, 1.基因位於染色體上,而染色體是由蛋白質和DNA所組成 2.二十世紀初許多科學家認為蛋白質是遺傳物質,DNA只是輔助基因複製和表現 (1)構成生物體的蛋白質是由20種胺基酸組成(以不同數目.順序形成的蛋白質,遠比由四種核甘酸組成的DNA多) (2)染色體上蛋白質含量遠多於DNA 3.英國醫生格里夫茲於1928年發現了細菌的性狀轉換(性狀轉變Transformation): 肺炎雙球菌 S型菌(光滑型) R型菌(粗糙型) 莢膜 有 無 菌落 光滑型菌落 粗糙型菌落 致病力 會引起肺炎 不會引起肺炎 菌落大小 大 小 與白血球關係 不易被白血球吞噬 易被白血球吞噬 實驗,(1)活S型肺炎雙球菌?注入鼠體?鼠患肺炎而死 (2)活R型肺炎雙球菌?注入鼠體?鼠活 (3)用熱殺死S型肺炎雙球菌?注入鼠體?鼠活 (4)用熱殺死S型肺炎雙球菌+活R型肺炎雙球菌?注入鼠體?鼠患肺炎而死(鼠體內有S型菌) 格氏推論,死的莢膜雙球菌具有某種物質(性狀轉變物),可使無莢膜的球菌產生的子代,其 遺傳性狀改變為有莢膜球菌(基因型轉變) 4.美國細菌學家亞夫利(Oswald Avery艾佛力)等人於1944證明引起性狀轉變的物質是DNA 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 肺炎雙球菌性狀轉變的實驗(R型血清,可中和R型菌,使R型菌死亡並沈澱) 結論,加DNA分解脢就不會有菌落生長,確認性狀轉變物質是DNA(亦證明肺炎雙球菌的遺傳物質是DNA) 5.美國赫希(賀雪)和蔡斯(Alfred D.Hershey&Martha Chase)於1952年利用雙重同位素追蹤法 證明噬菌體進入細菌的物質是DNA(噬菌體的遺傳物質亦為DNA) (1) (2) 圖 證明噬菌體進入細菌的物質為DNA的實驗示範圖 32,證明(1)蛋白質殼(S)留在菌體外,並沒有證明噬菌體的核酸進入菌體內 35 (2)噬菌體的核酸(P)進入菌體內,並沒有證明蛋白質殼留在菌體外 6.生物學家後來證明真核生物的遺傳物質亦都是DNA 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 7.不含DNA成分之病毒,則由實驗整證明其遺傳物質為RNA(病毒的遺傳物質是DNA或RNA) 12-2 核酸的構造與複製 一、去氧核糖核甘酸(DNA)及核糖核甘酸(RNA)的基本組成與構造 核酸 去氧核糖核酸DNA 核糖核酸RNA 小分子 去氧核糖核甘酸 核糖核甘酸 四種,dAMP、dTMP、dCMP、dGMP, 四種,AMP、UMP、CMP、GMP, 五碳糖 去氧核糖 核糖 含氮鹼(鹽)基 A、T、C、G(A,T、C?G以氫鍵相連) A 、U、C、G(A,U、C?G) 形狀 雙股螺旋狀(兩股平行.方向相反.呈互補) 單股多核甘酸鏈 數目,A,T、C,G(A，C/T，G=1) 數目,A?U、C?G 分子大小 較大 較小 製造 半保留自我複製 以DNA(基因)的一股為鑄模製造 功用 直接控制遺傳,間接控制蛋白質合成 控制蛋白質合成(酵素.載體.受體...) 分佈 細胞核,染色體(大部分) 細胞核,核仁、核質 細胞質,粒線體、葉綠體 細胞質,核糖體、膠狀基質(大部分) 同一生物個體在不同組織部分的細胞含特點 同種生物其細胞所含DNA量相同 RNA量不同,通常代謝旺盛細胞含RNA量 較多 PS1.含氮鹼基,A(腺漂呤)、G(鳥糞漂呤)、C(胞嘧啶)、T(胸腺嘧啶)、U( 尿嘧啶) 2.粒線體DNA,第25號染色體(22對體染色體加上X及Y共24種)母系遺傳(血緣鑑定.鑑定母系遺傳疾病) 二、DNA的分子構造, 1.美國華特生和克立克於1952年根據富蘭克林DNA X光晶體繞射圖,提出DNA分子的 雙螺旋模型(1962年獲諾貝爾獎) 2.雙螺旋,兩股多核甘酸鏈(兩股寬2nm,旋轉一圈3.4nm,含10個含氮鹼基對)互相平行且方向相反 骨架 以一核甘酸C5上之磷酸與其相鄰核甘酸的C3連成核甘酸長練(5’?3’) 互補性鹼基配對 兩股核甘酸鏈間由含氮鹼基的氫鍵相接A,T、C?G(?表三個氫鍵) 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 察加夫法則(Chargaff’s Rule),鹼基比例A和T、C和G相等 PS1.含氮鹼基序列,決定生物的不同。已知DNA一股含氮鹼基序列可推知另一股的序列 -10-9 2.相鄰鹼基對(B.p)的間格為0.34 nm (1A,10m,1nm,10m) 例1.某一質體DNA中,腺漂呤的比例24,,則其中胞嘧啶之比例約為多少, 例2.人體細胞內一個基因組(genome,單套)的DNA約由30億個核甘酸對組成,則一個 基因組的DNA分子長度約多長, 三、DNA的複製,半保留性(semiconservative,保留一舊股為鑄模,另合成一新股) 過程 1.螺旋脢(helicase)將兩核甘酸鏈某處含氮鹼基對間氫鍵斷開,配對含氮鹼基依次分離,各自為鑄模 2.細胞中三磷酸去氧核甘(dATP.dGTP.dCTP.dTTP)為原料,分別與鑄模含氮鹼基配對(A,T;C?G) 3.DNA聚合脢催化三磷酸去氧核甘,釋出能量及焦磷酸根,使C5之磷酸根與相鄰核甘酸之C3連接 4.形成兩個和原先完全一樣的DNA分子 PS1.DNA新股之製造方向,從5’至3’的方向延伸(自複製起點沿鑄模的3’向5’朝相反方向進行) 2.DNA兩核甘酸鏈多處同時進行於氫鍵分開處形成複製叉,一股可連續複製,另一股先複製 出不連續片段再靠DNA連接脢合成完整單一股DNA(岡崎片段,由日本科學家岡崎最先發現) 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 DNA複製的過程及方向, 圖中?,?表示焦磷酸根 圖 DNA複製的模式圖, (A)DNA聚合脢(DNA polymerase方形)只能沿5’?3’延伸新股。一股是連續 製造,另一股是片段製造 (B)新股片段製造好,由DNA連接脢(DNA ligase圓形)將岡崎片段連接成完整新股 15四、半保留型的證明,麥舍生和史塔爾用同位素N追蹤DNA的複製方式 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 DNA複製為半保留方式的實驗證明 1514例1.若將大腸桿菌先培養在N的培養液中,繁殖很多代以後,再將這些細菌培養在N 的培養液中,培養二代(第二子代,第三代)以後再純化DNA,則DNA形式及比例如何, 1514N和N的比例如何, 例2.承上題,若培養五代以後再純化DNA,則DNA形式及比例如何, 1514N和N的比例如何, 五、核糖核酸(RNA), 1.DNA與RNA的差異, DNA RNA 五碳糖 去氧核糖(C2缺一個O原子) 核糖 含氮鹼基 有T無U 有U無T 分子構造 雙股螺旋(少數DNA為單股) 單股鏈狀(少數RNA為雙股,如部分tRNA) 2.RNA的種類, 核糖體RNA(rRNA) 轉送RNA(tRNA) 傳訊RNA(mRNA) 來源 由DNA轉錄而來(於細胞核中進行) 數量 最多 次之 最少 形狀 有30S和50S二個次單元(subunit) 苜宿葉型 直線 功能 與蛋白質共同組成核糖體 攜帶胺基酸(3’端) 決定蛋白質中胺基酸的順序 ,分子生物學的中心法則,DNA分子表現出遺傳性狀的過程(蛋白質為酵素可催化各種 物質合成,表現出遺傳性狀) 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 分子生物學的中心法則,中心法則顯示遺傳訊息流動方向 轉錄作用在細胞核中,轉譯作用在細胞質中 六、遺傳訊息的轉錄(Transcription),細胞核中,以DNA一股為鑄模,三磷酸核甘為原料,合成mRNA 轉錄過程 1.某基因的DNA之兩股先鬆開(由含氮鹼基間的氫鍵斷裂) 2.RNA聚合脢以其中一股做為鑄模,以三磷酸核甘(ATP.UTP.CTP.GTP)為原料 3.適當三磷酸核甘分別與鑄模中含氮鹼基配對(A,U,C?G),合成單股RNA核甘酸鏈 PS.每個基因的兩股中只有一股轉錄,相對另一股的其他基因也可能在進行轉錄 圖 轉錄過程,構成基因的兩股DNA只有一股進行轉錄,並非兩股 同時進行,相對另一股可能轉錄另一個基因的訊息 例1.若有一段DNA序列為5’-GCAACTTACC-3’,則根據此鑄模合成的RNA序列為何, 七、RNA的修飾(轉錄本處理),真核生物的遺傳訊息在細胞核中轉錄成原始mRNA後,會進行不同形式的修飾 5’端帽(5’cap) 3’端多腺漂呤尾(poly A最後轉錄部分) 形成 5’端加入甲基鳥糞漂呤核甘(mGTP) 3’端被加入許多腺漂呤核甘(ATP) 保護mRNA不被水解脢分解、指示核糖體附於此處 功能 避免mRNA被分解的功能 圖 RNA修飾,加上5’帽及多腺漂呤尾 ,RNA剪接,轉錄成的原始mRNA,非密碼區(非編碼序列)的內含子(introns中斷子)被切除,密碼區 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, (含編碼序列)的外顯子(exon表現子)被接合,mRNA才能通過核孔至細胞質中進行轉譯 圖 RNA加工,mRNA剪接 12-3 基因與蛋白質的合成 一、基因和DNA,丹麥學者強生於1909年創立基因(gene)一詞 DNA 基因 染色體 位置 細胞核 染色體上 細胞核 去氧核糖核甘酸 真核(DNA.蛋白質).原核組成 控制某性狀的一段DNA (DNA) 直接控制遺傳,功能 1.儲存遺傳訊息 含細胞生命的遺傳訊息 間接控制蛋白質2.控制生物性狀的功能.構造單位:各性狀可由一 合成 或多個基因決定.一基因也可能影響多種性狀 PS1.基因被視為一種「解開生命奧秘的遺傳密碼」和「主宰生命的程式」 2.不同基因所含遺傳訊息不同,其含氮鹽基必定有所差異 二、基因組(genome),細胞的遺傳物質總量(單套染色體基因總數) 6 表 各種生物基因數目的估計數(單位,位鹼基對,1Mb=10B.p) 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 例,大腸桿菌約有4000個基因,平均每個基因約含個鹼基對(B.p),每個鹼基對 5 分子量約為660?大腸桿菌每個基因分子量,1200×660,7.9×10 三、人類基因組計畫,美國國家衛生研究院自1990至2003多國參與進行計畫(分析 人類24個單倍體的染色體所含的30億個核甘酸對序列及圖譜) 1.人類第四對染色體核甘酸序列,我國陽明大學與榮總完成(第四對染色體與肝癌有關) 2.人類基因圖譜,阻止或治療疾病(如遺傳疾病…),研發新藥(確認基因製造的蛋白質) 人體基因組的組成約30億 基因外DNA序列(21億) 基因及基因相關序列(9億) 密碼DNA(9千萬) 非編碼DNA(8.1億) 基因片段 偽基因 mRNA頭部 中斷子 mRNA尾部 圖 人體基因組的組成, (A)非編碼中只有頭部與尾部可轉錄為mRNA的頭部與尾部,前三者無編碼功能 (B)基因外DNA(extragenic DNA),占70%,與遺傳密碼無關,有些與染色體組成 有關,有些功能不明 四、一基因一酵素(多呔)假說,畢德和泰頓於1940年代研究紅麵包黴突變種的營養要求 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 畢德和泰頓的一基因一酵素的實驗 (最低限度培養基MM,含無機鹽.蔗糖.和維生素的培養基) 第一型突變株要加鳥胺酸.第二型要加瓜胺酸.第三型要加精胺酸方能正常生長 ,使愛滋病毒(HIV)不能傳宗接代,修改去氧核甘酸的去氧核糖分子結構,以干擾或抑制T細胞內的複製 1.AZT,去胸腺甘C3上的OH加入疊胺基 2.DDC,去氧胞甘C3上的OH去除O原子 3.何大一博士研發的雞尾酒療法,一種蛋白質酵素抑制劑搭配二種反轉錄酵素抑制劑(已發病者1/3無效) 四、遺傳密碼、密碼子、補密碼(反密碼子)與胺基酸, 遺傳密碼 密碼子 補密碼(反密碼子) 位置 DNA上三個相鄰含氮鹼基對 mRNA上三個含氮鹼基 tRNA上三個含氮鹼基 決定蛋白質中胺基酸的種類.排列 DNA藉密碼子決定蛋白質功能 1.攜帶胺基酸至核糖體 中胺基酸的種類.排列 2.轉譯mRNA上的遺傳訊 息 鹼基序列 遺傳密碼和補密碼相同(只有T改成U),但和密碼子互補(A,T或U,C?G) 3組合種類 4,64種(同義碼,一種胺基酸常由二或二種以上密碼決定)*胺基酸有20多種 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 mRNA之密碼子與其決定之胺基酸, (1)密碼子AUG,代表甲硫胺酸(Met)及起始密碼子雙重功能 (2)終止密碼子,UAA、UAG、UGA Phe(苯丙胺酸).Leu(白胺酸).Ser(絲胺酸).Tyr(酪胺酸).Cys(半胱胺酸).Trp(色胺酸) , .Leu(白胺酸).Pro(脯胺酸).His(組胺酸).Gln(麩胺醯酸).Arg(精胺酸).Ile(異白胺酸) .Thr(酥胺酸).Asn(天門冬醯酸).Lys(離胺酸).Ser(絲胺酸).Val( 頡胺酸).Ala(丙胺酸) .Asp(天門冬胺酸).Glu(麩胺酸).Gly(甘胺酸) 1.基因藉密碼子決定多呔鏈(蛋白質)中胺基酸的種類及序列, 2.遺傳密碼在生物界幾乎是共通性,如生物體內CCG皆被譯成脯胺酸(轉移至另一種生物也如此) ,螢光煙草,經轉殖螢火蟲的螢光基因,也可在植物體中表現 螢光蟲,將被轉殖水母綠螢光基因的病毒感染小菜蛾幼蟲,亦會使小菜蛾幼蟲發螢光 6例.大腸桿菌DNA約有4.7×10鹼基對(4000個基因×1200B.p), 4000條多呔鏈, 每條多呔鏈約有多少個胺基酸, 五、蛋白質的合成,工作檯在核糖體(含50%rRNA.50%蛋白質,由30S及50S二個次單元subunit組成) 1.tRNA,由許多核甘酸構成的長鏈,長鏈的一部份為雙股,3’端可與胺基酸(A.A)相接 2.補密碼(Anticodon反密碼子): tRNA核甘酸鏈中三個含氮鹼基,與mRNA之密碼子依反向平行方式配對 3.轉譯,在核糖體上,將mRNA所轉錄的遺傳訊息,由tRNA翻譯為蛋白質中胺基酸的排列順序 轉譯過程 1.核糖體附在mRNA之5’端(核糖體上有P位及A位二個tRNA可附著的位置) 2.核糖體從mRNA的5’?3’移動到起始密碼子(轉譯的起點) 3.起始tRNA先佔據P位,當第二個tRNA佔據A位,P與A間胺基酸藉轉位脢形成呔鍵 4.A位之tRNA移至P位(補密碼仍以氫鍵與密碼子結合),空出A位給第3個tRNA填補 5.胺基酸依序接到鏈上,遇到終止密碼,轉譯停止,多呔鏈由核糖體釋出,核糖體大小次單元分離 4.原核生物(細菌)與真核生物之轉錄及轉譯, 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 原核生物(無核仁及核膜) 真核生物(有核仁及核膜) 轉錄.轉譯 均在細胞質(一面轉錄.一面轉譯) 核內轉錄經修飾.剪接才送至細胞質內轉譯 核糖體 mRNA上有多處附著位置 附於5’端帽 蛋白質合成 一條mRNA轉譯出多種蛋白質 一條mRNA只能做出一種蛋白質 圖 原核生物與真核生物轉錄及轉譯示意圖 圖 原核和真核mRNA之比較圖 (A)原核生物之mRNA有三處為核糖體附著位置,轉譯完成三種蛋白質 (B)真核生物之mRNA只有一處為核糖體附著位置,轉譯完成一種蛋白質 單順反子mRNA(moncistronic mRNA) 多順反子mRNA(polycistronic mRNA) 功能 合成一個蛋白質分子 合成多個蛋白質分子 5.聚核糖體(polyribosome多核糖體),許多核糖體依序附在同一條mRNA上進行轉譯,這一整串核糖體 連同mRNA分子合稱(一個核糖體可在不到一分鐘形成一條標準大小多呔鏈) 例.若一蛋白質是由300個胺基酸所組成,則其相對應的基因最少有多少個核甘酸, 六、蛋白質修飾與角色,多呔鏈合成後,會自動盤繞摺疊成特殊構造,才成為有功能的蛋白質 化學修飾 剪接 多呔鏈的聚合 金屬元素結合 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 過程 某些胺基1.酵素切除胺基端的一個或數個胺基酸 如血紅素,先合成1.輔脢,如碳酸酐脢需鋅.尿 酸冠上醣2.多呔鏈切成兩段或更多段,如胰島素原二條α.二條β鏈,素脢需鎳.細胞氧化脢需銅 類.脂類.(proisulin有86個胺基酸)被蛋白脢切除35 四條多呔鏈以共2.生物分子成分,如甲狀腺 磷酸基等 A.A,其餘切成α(21A.A).β(30A.A)兩段多呔價弱鍵聚在一起,素需碘.血紅素需鐵 鏈(以雙硫鍵連結)才具功能 才有功能 ,1.氯黴素(chloramphenicol抑制細菌核糖體70S的轉譯)、環己醯亞胺(cycloheximide抑制真核生物核糖體80S的轉譯) 2.轉運蛋白質(transit peptide),細胞導遊,連在蛋白質N端上,將此蛋白質帶領到所歸屬胞器處(膜上有特定受體) 12-4 基因的表現, 1.多細胞生物體內細胞含相同遺傳物質(源自受精卵),因基因表現.胚胎誘導.激素及細胞質而構造和機能有差異 2.細胞內能量代謝或生理活動,都遵循經濟原則,正常細胞不會耗費能量去合成不需要的物質 ?骨髓中紅血球可轉譯血紅素(高山與平地轉譯速度不同)、B淋巴球能轉譯抗體,每個細胞都有製造基因 3.細胞內基因的表現(細胞分化與分工現象)可依環境作適當的調節, ?有些基因平時持續表現(某種情況便停止)、有些基因平時不活動(需要時才表現) 一、原核生物基因表現的調節, 1.操縱組模式基因,有調節基因、啟動子、操作子及構造基因四種DNA序列 調節基因 啟動子 操作子 構造基因 合成抑制性蛋白質DNA 一個或數個相鄰基因 構造基因前一小段緊鄰構造基因的一小段位置 的的密碼(一段DNA DNA) 控制操作子之開關 有RNA聚合脢附著部控制RNA聚合脢移到構造轉錄.轉譯合成蛋白質 功能 位(由此開始向3’移動) 基因進行轉錄(作用如開關) 2.大腸桿菌乳糖操縱組,1961法國賈柯和莫諾發現大腸桿菌對培養基乳糖的吸收和分解(1965獲諾貝爾獎) 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 大腸桿菌的乳糖操縱組(誘發性操縱組),構造基因平時不活動(需要時才表現) (A)構造基因不表現,缺乏乳糖,有活性的抑制蛋白與操作子結合 (B)構造基因表現,乳糖(誘導物)存在,和抑制蛋白結合(抑制蛋白結構改變和操作子分離) ,轉譯出三種蛋白質(β半乳糖甘脢-分解乳糖.滲入脢-將乳糖傳入細胞.乙醯轉化脢-功能不明) 3.大腸桿菌的色胺酸操縱組,回饋抑制作用 圖 大腸桿菌的色胺酸操縱組(抑制性操縱組),構造基因平時活動(在某些情況下停止活動) (A)構造基因常表現,缺乏色胺酸,抑制蛋白失去活性,不能與操作子結合,轉譯出五種脢以合成色胺酸 (B)構造基因不表現,過量色胺酸(共同抑制物),與抑制物結合,使抑制蛋白活化,與操作子結合,關閉操縱組 二、蛋白質活化的管制,大腸桿菌通常以CHO為能量來源,缺乏時才會利用乳糖或其他醣類 6126 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 蛋白質活化的管制(在乳糖抑制蛋白不活化時),調節乳糖操縱組轉錄.轉譯速度 (A)培養基中同時含有乳糖及葡萄糖,cAMP量不足,僅少數乳糖酵素之mRNA合成 (B)培養基中葡萄糖耗盡,cAMP量高,CAP可與cAMP結合成複合體,與啟動子結合 ,分解乳糖酵素之mRNA大量合成 ?結論,乳糖操縱組受雙重控制(乳糖抑制蛋白的活化否-決定是否轉錄,CAP的活化否-調節轉錄速度) 三、真核生物基因表現的調節,缺乏操縱組調節 1.每個植物細胞都具全能性,但每個細胞只表現極少遺傳訊息 2.真核細胞基因表現調控,存在於基因轉錄至有功能蛋白質的合成途徑每一個步驟 mRNA處理階段 染色體膨鬆 調節 激素的引發作用 轉譯階段 轉譯後階段 動物固醇類激素(如雄性素.1.mRNA安定性:一段真新形成分泌蛋白方式 進行轉錄mRNA修飾 蛻皮素)及甲狀腺素,擴散進核細胞mRNA只有三小有一段訊息呔(轉錄本處理) 的DNA 入細胞核與受體結合成複時壽命(有些可不斷重複.有(16~30A.A)必須染色體需些只數次) 合體,與DNA結合促使切去方能分泌到 疏鬆不捲2.穩定性:若mRNA失去RNA聚合脢與特定基因啟細胞外(如胰島素 曲 尾部poly A,立即分解 原) 動子結合,激發DNA轉錄 圖 固醇類激素影響基因表現的示意圖 (1)激素與血清蛋白結合,送至目標細胞,激素進入細胞膜內,並進入細胞核 (2) (3)激素改變受體與DNA的結合面,利於RNA聚合脢的轉錄 (4)mRNA進行轉譯,新的蛋白質合成,改變細胞功能 3.不活化的啟始因子開始活化, ?例.不活化的mRNA再受精前在卵細胞核中合成,儲存在細胞質中(受精時,起始因子活化,開始轉譯) 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, ?例.有些植物或綠藻在黑暗期合成大量不活化mRNA,光照後起始因子活化,開始轉譯 12-5 遺傳工程(基因工程),藉人工剪接方法改變遺傳物質(基因)的相關技術 一、遺傳工程的應用, 1.抗蟲.抗殺蟲劑及高產量.高營養價值的品種,農作物、牲畜品種改良 2.生產藥物、培育具特性的動物或植物,應用於工業、醫學及農業 3.判斷刑事案件及親緣鑑定 4.基因診斷及基因治療遺傳疾病,解讀人類基因圖譜 二、人工基因重組,人為方法將不同來源DNA剪接,成為重組DNA(recombinant DNA) 圖 使用EcoR?限制脢切割DNA,單股DNA序列稱為黏性端 GAATTC為EcoR?限制脢辨識核甘酸序列, EcoR?將G.C間的磷酸鍵切開 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 重組DNA的置備、轉殖與篩選轉型細胞之過程, (1)目標基因(外源基因:動物.植物.微生物或人工合成的DNA)及載體(病毒或細菌質體DNA)的選取: ?用相同的核酸限制脢(鑑識脢:具高度專一性,能辨識一小段核甘酸序列)於特定兩個含氮鹼 基間核甘酸之磷酸鍵間切開,使目標基因與載體兩端切成相同單股末端(黏性端),使 使目標基因與載體之單股DNA能穩定配對不易斷裂而容易連接 (2)重組DNA:目標DNA與載體DNA,因用相同限制脢切割,兩者黏性端含氮鹼基易互相 配對,兩片段DNA藉DNA連接脢(接合脢)以共價鍵連成重組DNA (3)重組DNA植入宿主細胞,以細菌質體或噬菌體DNA為載體,將重組DNA植入宿主 細胞,重組DNA在細菌體內進行複製、轉錄和轉譯 (4)篩選轉殖成功之細胞,作為載體的質體,必須帶有特定基因(如抗抗生素.抗重金屬及 螢光基因),方便篩選轉殖成功之細胞 三、基因放大(擴增),快速.大量地複製任何片段的DNA(可在活體或試管內進行) 例子,將重組的質體送入細菌體內,因質體DNA不一定隨細菌染色體 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 複製時才複製,可能在細菌內大量複製 圖 DNA聚合脢的連鎖反應(PCR:polymerase chain reaction): 在試管內快速.大量進行基因放大技術(此法比用質體的基因轉殖速度快) (1)PCR的內容物,DNA鑄模(目標基因).DNA聚合脢.引子(1.化學合成寡核甘酸鏈DNA,導引 DNA聚合脢接到第一個核甘酸而啟動DNA的合成、2.經過篩選的核甘酸序列,可擴增特定 的DNA序列)及四種核甘酸混合,數小時內可得數一個與DNA鑄模一樣的複本 (2)PCR流程, A.將目標DNA加熱(至90?)使其兩股分離 B.冷卻(約至60?)使引子的鹼基能利用氫鍵和目標DNA結合 C.加入4種去氧核糖核甘酸,使DNA聚合脢利用目標DNA以分離之二單股當鑄模, 由引子開始複製。每一循環,目標DNA的數量會加倍 (3)PCR的應用, 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, A.分子生物學,定序各種生物的鹼基序列(如中研院植物所跨國際水稻基因組計畫及美國的人類基因組計畫) B.醫學,受感染細胞中的病毒基因偵測(如HIV.漢他病毒及SARS的冠狀病毒) C.性別鑑定及產前遺傳疾病診斷,單一胚胎細胞的DNA D.刑事及親子鑑定,犯罪現場的血液.經液.頭髮毛囊所含微量DNA E.考古學、種屬鑑定、人類基因演化 ,聚合脢連鎖反應(PCR)專用酵素,陽明大學的錢嘉韻教授1976年於溫泉中分離出耐高 溫細菌Thermus aquaticus YTI,該細菌可合成耐高溫DNA酵素 (Taq聚合脢),最適合反應溫度為72?,在95?高溫中,仍不會喪失活性 四、基因轉殖,使用基因工程或分子生物技術,將遺傳物質轉殖入活細胞或生物體,產生基因改造現 象之相關技術(不包括傳統育種.細胞融合.原生質融合.雜交.誘變.體外受精.體細胞變異及染色體倍增) 1.基因轉殖細菌,如大腸桿菌 A.轉殖螢光脢基因(伍德由牙買加甲蟲kittyboo分離四種基因),供給螢光素,大腸桿菌會發射四種螢光 B.轉殖分解油污及清除有毒廢物的酵素基因,解決油船漏油及毒物污染問題 C.轉殖生產藥物基因, 藥物名稱 用途 抗胰蛋白脢(antitrypsin) 治療肺氣腫(emphysema) 干擾素 抗病毒、抗腫瘤、抗發炎 血液凝固第八因子(blood-clotting factor ?) 治療血友病 皮膜生長因子 治療皮膚傷害 胰島素 糖尿病 血清蛋白 供應血漿 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor) 治療癌症 生長激素 促進生長 2.基因轉殖動物,將外源基因(或重組DNA)使用微細注射管的微注射法技術送入動物 的受精卵或早期胚胎細胞,將來個體表現出外源基因特性 A.畜牧及漁業養殖,提高家畜經濟價值,如製造柔軟且好的肉質 B.瀕臨或滅絕動物的保育與復育,如西伯利亞猛溤象的復育 C.醫藥試驗或基礎研究 D.醫療產品, 綿羊乳汁 人類凝血因子(綿羊纖維原細胞植入人類凝血基因,與去細胞核綿羊受精卵唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 結合,以電刺激細胞分裂,植入代理孕母子宮內,孕育含人類凝血因子的複製羊) 山羊乳汁 血纖維蛋白脢基因 牛乳 乳鐵素 鮭魚、鼠 生長激素基因(促進生長) 3.基因轉殖植物,用物理.化學或生物方法,將目標基因放入植物體內(比轉殖動物容易成功) 圖 植物遺傳工程中使用Ti質體作為載體 (1)Ti質體(農桿菌的腫瘤誘導質體),T-DNA(Ti質體的一段DNA)易嵌入宿主細胞染色體 (2)外源基因嵌入Ti質體(重組DNA技術),Ti質體直接導入植物細胞或放回農桿菌內,再感染培養基中的植物細胞 (3)常見方法,重組DNA導入培養基中植物細胞,再由組織培養發育成植物幼苗 (4)農業應用,品種改良(提高作物產量),培育抗蟲、抗病、抗旱的植物 (5)轉殖植物容易成功,T-DNA易嵌入宿主細胞染色體、許多經濟作物(蘆筍.胡蘿蔔.蕃茄 .馬鈴薯及煙草等)均可由單一細胞培養出幼苗(幼苗再移植土壤成長) ,基因槍,將DNA包裹在極細小黃金顆粒(基因子彈),利用散彈原理,以高壓氣體將子彈打入活體細胞 達到轉殖的目的(微細注射法或用化學處理細胞,成功率太低,無法推廣) 細胞融合技術,遺傳工程最被重視的有DNA重組技術及細胞融合技術 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 胚胎幹細胞,幹細胞是一種未分化細胞,具有自我更新及高度分化潛能的細胞 ?囊胚期胚胎中取出幹細胞,植入外來基因,再放入囊胚中,再植入代理孕 母子宮內,發育成幼體(幼體經過數次交配與篩選,獲得特殊性狀的個體) 骨髓,含有造血幹細胞(可分化成白血球.紅血球)及間葉幹細胞(分化成脂肪.肌腱.硬骨.軟骨 .肌肉及骨髓基質細胞) 幹細胞,臍帶及胎盤的血液、乳齒 12-6 突變,遺傳物質有時發生變異,影響遺傳性狀,有時甚至導致死亡(突變在生殖細胞會傳給下一代) 突變 狹義 廣義 定義 基因本身變異 基因本身變異、染色體的變異 一、基因突變,DNA上構成基因的核甘酸發生改變(含氮鹼基順序代表遺傳訊息,發生改變?蛋白質改變?遺傳性狀改變) 1.單一基因突變,如半乳糖血症(乳糖代謝障礙的疾病) 圖 單基因突變-半乳糖血症,基因突變以致於無法合成有功能的酵素 (脢3),造成中間產物半乳糖及半乳糖磷酸累積(損害腦.肝及眼,易造成孩童期死亡) 2.點突變,單一基因突變中,僅一個含氮鹼基改變 A.含氮鹼基的取代,有時會影響蛋白質結構(如鐮形血球貧血症),有時不會 性狀 鐮形血球貧血症(S’S’) 鐮形血球性狀 (SS’) 正常(SS) 血紅素呈結晶狀,使紅血球呈鐮刀狀易破雙凹盤狀(缺氧時會有若雙凹盤狀 紅血球 裂,引起嚴重貧血,患者孩提時就死亡 干紅血球呈鐮刀狀) DNA遺傳密碼 CAT(β鏈上第六個胺基酸由麩胺酸變為 頡草胺酸) CTT 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, B.含氮鹼基的插入或刪除,若插入或刪除不是三的倍數,插入或刪除處下游的含氮鹼 基會讀碼錯誤(除非發生處接近基因末端,否則蛋白質幾乎不具原來功能) 二、突變的原因, 種類 自發性(自然)突變 誘導突變(80%癌症因環境造成,尤其是化學藥品) -6(每一基因突變率約10) 物理因素 化學因素 生物因素 誘變劑 1.染色體數目.構造改變紫外線(100~380nm).X亞硝酸(C變U,A變病毒感染(15,癌症由致癌物 2.DNA複製時錯誤 射線.γ射線 為次黃 票呤).五溴 病毒引起) 尿嘧啶等 DNA複製.修補或重組時,含直接傷害DNA或間接病毒基因嵌入宿主細胞變化 DNA複製時含 氮鹼基取代.插入或刪除,引導致DNA複製不正常染色體DNA中,使含氮氮鹼基配對發 (DNA主要吸收260nm) 起下游含氮鹼基讀碼錯誤 鹼基序列改變,宿主細胞生異常 不正常活化,轉成癌細胞 ,誘導突變,遺傳學家米勒於1927年發現X射線和γ射線能誘導果蠅突變(1946獲諾貝爾) 致癌原因,致癌基因(病毒DNA嵌入病患細胞DNA)、阻止腫瘤壓抑基因(病毒基因嵌入基因組) 三、突變的特性, 1.突變之機會小而且大部分對個體有害,甚至死亡,偶而有利的突變,有利於演化(如大麥突變 種產量高且可抗黑穗病?誘導突變可作為改良品種之法) 2.在演化上,突變基因通常是隱性,可以異型合子遺傳給後代 3.突變基因的好或壞,視生活環境而定,突變是演化的物質基礎,天擇才能決定方向 (突變有正逆,盲目.沒有一定方向) ,跳躍基因,英國女科學家麥克林拖克1956年發現玉米的跳躍基因(1981年獲諾貝爾獎)著色性乾皮症,DNA切除型修補酵素遺傳缺陷引起(對陽光敏感,無法修補紫外線引起的突 變,易形成皮膚癌,未成年即死亡) DNA修補機制,修復DNA複製時產生的錯誤,DNA聚合脢會回頭移除不正確的核甘酸 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 切除型DNA的修補作用 活動12-1 DNA的粗萃取,雞紅血球有細胞核(內有染色體),哺乳類紅血球無細胞核 作為抗凝血劑(血液中的胞漿素.肝素及檸檬酸鹽.草酸鹽等化學藥品) 1.10,檸檬酸鈉(NaCHO),3657 2+(可移去血漿中Ca,使凝血脢無法活化,阻止血液凝固) 2.食鹽水濃度接近0.14M時核酸溶解度最低,無鹽及高鹽(2M)時最高 3.肉眼看見絲狀物,應不只一條DNA,DNA直徑2nm(肉眼看不見) 4.實驗的流程及實驗步驟的目的, 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 圖 核酸的溶解度隨食鹽濃度的變動而改變 (1)無鹽及高鹽時核酸溶解度高 (2)0.14M食鹽濃度時,溶解度最低 ,聯考試題, 一、單一選擇題, 1. 具放射性H3的胸腺密啶,常被用來標定新合成的核酸,若將細胞培養在H3含胸腺密啶的培養液中,下列何者不會被偵測到放射性, ,A,染色體,B,粒線體,C,核糖體,D,葉綠體,88, 2. 為何有時一種胺基酸可由兩種或兩種以上的tRNA攜帶, ,A,因為一種密碼子可與兩種以上的補密碼配對,B,因為一種胺基酸可有二種以上 的密碼子所決定,C,因為一種tRNA可有二種以上的補密碼,D,因為一種遺傳密碼 可轉錄成二種以上補密碼,88, 3. 關於抗生素的濫用常造成抗藥病菌性品系的出現,下列敘述何者為真, ,A,抗生素的使用可促進細菌突變而產生抗藥性,B,在天然無抗生素的狀況下,抗 藥性細菌品系具有較高的競爭力,C,在天然無抗生素的狀況下,抗藥性細菌品系已 存在族群中,D,在抗藥性停用後,抗藥性細菌品系仍具有較高的競爭力,89, 4. 若一核酸分子內含氮鹼基的百分組成為,20,A、20,G、30,C、30,T、30,U,則此核酸分子為何, ,A,單股RNA,B,雙股RNA,C,單股DNA,D,雙股DNA,90, 5. 下列有關DNA生物科技的敘述,何者正確, ,A,限制酵素可切開DNA,是遺傳工程中重要的工具之一,B,遺傳工程靠重組DNA, 其過程與蛋白質之結構原理無關,C,桃莉羊的複製過程不經過受精,其含量是合子 的一半,D,載體不是DNA分子,而是一種會攜帶DNA的蛋白質分子,91指, 二、多重選擇題, 1.下列有關重組DNA的敘述,何者正確, ,A,胰島素基因在細菌內可自行獨立複製,B,質體的複製與細菌染色體的複製相關 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, ,C,重組DNA技術可大量生產胰島素,D,質體可攜帶植物基因進入細菌,E,切開分 子所用的酵素稱為核酸脢,85, 2.下列有關DNA分子構造和複製的敘述,何者正確, ,A,雙股平行並成螺旋狀,B,雙股含氮鹼基之排列順序相同,C,嫖呤,A+G,和密 啶,C+T,各占50,,D,複製時A與G配對,C與T配對,E,複製時的原料為三磷 酸核甘,85, 3.複製羊桃莉出現之後,引發相當多的爭議。複製羊在整個複製過程中,完全簿須雄 羊的精子。科學家將一隻羊的乳腺細胞核移植到另一隻羊的去核卵子中,經特殊處 理使卵分裂,最後產生出桃莉。 試問科學家產生桃莉的方法屬於下列何種生殖方式,,A-B選一項, 上述複製羊桃莉的生殖方式有何特點,,C-E選一項,,87推, 生殖方式 特點 ,A,無性生殖 ,C,乳腺細胞的遺傳物質在卵細胞中發生基因重組現象 ,B,有性生殖 ,D,將提供乳腺細胞核的羊之遺傳性狀完全保留 ,E,桃莉和提供去核卵細胞的母羊有相同的遺傳性狀 4.下列有關基因表現的敘述,何者正確, ,A,轉錄合成RNA的原料為單磷酸核甘,B,轉譯合成蛋白質的原料為胺基酸,C,mRNA 上的密碼子由三個相鄰的含氮鹼基組成,D,tRNA將遺傳訊息自細胞核傳至細胞質,E, rRNA上的補密碼可與的密碼子配對,87, 1514155.若將培養在N培養基許多代的細菌,換到含N的培養基培養一代後,即換回N培 養基中完成第二次分裂,則下列敘述何者正確, 1514,A,有半數後代之DNA,兩股皆帶有N,B,有半數後代之DNA,兩股皆帶有N,C, 1514有半數後代之DNA,只有一股帶有N,D,有半數後代之DNA,皆有一股帶N,88, 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 6.下列何項胞器內含有轉送RNA, ,A,細胞核,B,核糖體,C,內質網,D,粒線體,E,葉綠體,89, 7.如欲利用細菌大量生產人類胰島素,則下列敘述,何者正確, ,A,須有適當載體將人類胰島素基因置入細菌,B,載體本身的複製須依賴細菌,C, 須有適當酵素對載體與人類胰島素基因進行切割與黏合,D,重組後的載體,必須在 細菌體內從事轉綠、轉譯以合成人類胰島素,E,生產人類胰島素的遺傳工程技術也 可用來生產疫苗,89, 8.在細胞中,下列哪些構造可自行合成部分本身所需的蛋白質, ,A,細胞核,B,核糖體,C,粒線體,D,溶體,E,葉綠體,90, 9.下列有關真核生物基因表現的敘述,哪些是正確的, A,的合成在細胞核內進行,B,蛋白質的合成主要在粒線體進行,C,每一種胺基, 酸 僅有一種對應的密碼子,D,每一種密碼子僅有一種對應的胺基酸,E,每一種tRNA 僅攜帶一種胺基酸,90, 三、非選擇題, 1.下圖為轉錄、轉譯的模示圖,請回答下列問題。 (1)甲的鹼基組序列,DNA鑄模,為何, (2)乙的鹼基組序列,mRNA,為何, (3)AA的密碼子為何, 6 (4)若此整個DNA分子的胞密啶含量約20,,則腺嫖呤的含量,,,為何,,86,2.下圖為DNA重組過程的模式,試參照此圖回答下列問題。 ,A,一般用來攜帶外來基因進入細菌的載體有哪兩種, ,B,圖中切開載體來選取基因的酵素是否相同, ,C,為什麼,,90, 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, ,聯考解答,一(CBCAA) 二(CD.ACE.AD.BC.BCD.DE.ACDE.CE.ADE) 三(CCC.CAA.CAC、30,)(質體.噬菌體、相同、二者的DNA兩端單股部位含氮鹼基才能配對) 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就, 时间就是金钱,效率就是生命, 唯有惜时才能成功,唯有努力方可成就,