生命科學第八章 生命科學與人生 8-1 遺傳物質—去氧核糖核酸(DNA) 染色體:細胞核上(細胞未分裂前稱為染色質) 原核生物:DNA 生命科學第八章 生命科學與人生 8-1 遺傳物質—去氧核糖核酸(DNA) 染色體:細胞核上(細胞未分裂前稱為染色質) 原核生物:DNA 真核生物:DNA+蛋白質 基因:染色體上,控制某一性狀的一段DNA 各性狀可由一個或多個基因決定.一個基因也可能影響多種性狀位置
第一節 遺傳物質—去氧核糖核酸(DNA) 8-1.1 DNA的化學組成 8-1.2 DNA的構造
去氧核糖核苷酸(DNA)及核糖核苷酸(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 去氧核糖核苷酸四種(dAMP.dTMP.dCMP. dGMP) 核糖核苷酸四種(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,氫鍵—) 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) 數目:A=T.C=G (A+C/T+G=1) 單股多核苷酸鏈 數目:A≠U.C≠G 分子大小 較大 較小
構成DNA的四種核苷酸
核酸 去氧核糖核酸DNA 核糖核酸RNA 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) 細胞質:粒線體.葉綠體 細胞核:核仁.核質 細胞質:核糖體.膠狀基質(大部分) 特點 同種生物其細胞所含DNA量相同 同一生物個體在不同組織部分的細胞含RNA量不同,通常代謝旺盛細胞含RNA量較多 含氮鹼基:A(腺口票呤).G(鳥糞口票呤).C(胞嘧啶).T(胸腺嘧啶).U(月尿嘧啶) 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)
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) 雙螺旋:兩股多核苷酸鏈(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 1.骨架:以一核苷酸C5上之磷酸與其相鄰核苷酸的C3連成核苷酸長練(5’→3’) 2.互補性鹼基配對:兩股核苷酸鏈間由含氮鹼基的氫鍵相接A=T、C≡G(≡表三個氫鍵) 察加夫法則(Chargaff’s Rule):鹼基比例A和T、C和G相等 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 相鄰鹼基對(B.p)的間格為0.34nm (1A=10-10m;1nm=10-9m) 。
鹼基序列:每條多核苷酸鏈(骨架:5號C上磷酸與另一核苷酸3號C上OH相連)上鹼基的排列有特定的順序(構成DNA的特異性) DNA與基因鹼基對的數目(B.P)基因數目(每個基因鹼基數目和序列不同) 蛋白質:分為構造蛋白或功能蛋白 轉錄 tRNA(補密碼) 基因DNA (遺傳密碼) mRNA (密碼子) 蛋白質 細胞核 轉譯(細胞質)
數種蛋白質基因的鹼基對數目 生物體鹼基對數目與基因數目
DNA與蛋白質的關係 DNA 遺傳密碼 C G T T A G A C G mRNA 密碼子 G C A A U C U G C tRNA 補密碼 C G U U A G A C G
三種RNA的比較: RNA 核糖體RNA (rRNA) 傳訊RNA (mRNA) 轉送RNA (tRNA) 遺傳訊息 供mRNA附著 密碼子(三個一組鹼基序列) 補密碼(三個一組鹼基序列) 分佈 核糖體上 細胞核內再移至核糖體 游離於細胞質內 分子大小 次之 最大 最小 結構 單股線型 十字葉形 專一性 無 有 功能 組成核糖體 合成蛋白質鑄模 攜帶胺基酸
DNA〝複製〞:遺傳密碼:DNA上三個一組鹼基序列有64種 過程:半保留方式(一股原有.一股新合成) 1.兩股鬆開 2. 兩股為鑄模,鹼基互補配對 3.接合:DNA聚合酶催化,鑄模上的核苷酸接成核苷酸鏈 證明:N15培養基培養細菌第一子代(全部為N15–N14)第二子代(N15–N14:N14-N14=2:2) 1.胺基酸有20多種 2.因種類.序列.數目而異(有不同的蛋白質
DNA 的複製︵半保留性︶
第0代 第1代 第2代 第3代
14N-15N:14N-14N=2:22-2=2:2=1:1 14N:15N=2:(22×2-2) =2:6=1:3 例1.若將大腸桿菌先培養在14N的培養液中,繁殖很多代 以後,再將這些細菌培養在15N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?14N和15N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?14N和15N的比例如何? 14N-15N:14N-14N=2:22-2=2:2=1:1 14N:15N=2:(22×2-2) =2:6=1:3 14N-15N:14N-14N=2:25-2=2:30=1:15 14N:15N=2:(25×2-2)=2:62=1:31
轉錄作用: DNA遺傳訊息抄錄在mRNA 功能:形成RNA 過程: 1.DNA兩股解開.一股為鑄模 2.以三磷酸核苷與DNA含氮鹼基配對經RNA聚合酶催化 3.經處理.形成mRNA.tRNA.rRNA 轉譯作用:mRNA轉錄訊息翻譯成蛋白質胺基酸的順序 功能:合成蛋白質 1.mRNA附於核糖體(rRNA+蛋白質)表面 2.tRNA將蛋白質中胺基酸順序翻譯出來 3.各胺基酸連成多生肽鏈形成蛋白質)
轉錄作用
轉譯作用的模式圖
密碼子
真核生物基因表現的調節
DNA分子發生變異,可能會改變蛋白質的結構 例如:鐮刀型貧血症(DNA上CTT-Glu麩胺酸變成CAT-Val纈胺酸)
功能蛋白變異:細胞缺少促進黑色素合成的酵素
第二節 現代生物科技的發展 8-2.1 〝遺傳工程(基因工程)〞簡介:藉人工操作改變遺傳基因的技術
8-2 現代〝生物技學(生物技術科學)〞的發展 一萬年前 改良動植物品種.保存食物方式 數千年前 利用微生物製造酒.醋和乳酪 1970年後 1.重組DNA(外源基因轉殖他種生物) 2.動植物組織培養.細胞融合技術 3.探討生命科學.應用在工業.農業.醫學及畜牧 現代 遺傳工程.動植物組織與器官培養
重組DNA:將外源基因併入DNA中,改變基因組成 載體 細菌質體和病毒(例噬菌體和其他DNA病毒) 基因轉殖生物 具有外源基因的生物,例胰島素或生長素基因嵌入大腸菌質體 限制酵素 可切割DNA多核苷酸鏈的特別位置,例鹼基A與G相偕處.兩端鹼基形成不配對倒位序列斷口 基因選殖 藉重組DNA過程,大量生產單一基因複製物 重組DNA過程 1.外源DNA與質體經限制酵素切割,產生互補性鹼基序列的DNA 2.重組DNA:藉鹼基配對原理,外源DNA與質體經接合酵素連成一體 3.重組DNA送入細菌體內,成為基因轉殖細菌(外源基因隨質體複製)
限制酵素切割 DNA
重組DNA的操作過程
植物遺傳工程:例菸草幼苗發螢光.向日葵幼苗長腫瘤 1.動植物細胞DNA送入農桿菌質體形成重組DNA 2.重組DNA送回農桿菌,感染植物細胞進入細胞核中 3.植物細胞增殖時,每個細胞中外源基因亦複製 動物遺傳工程:例羊乳中含血纖維蛋白酶的山羊(治療心臟病和動脈阻塞) 1.外源基因用顯微注射法(因動物細胞無細胞壁)注入動物受精卵或早期胚胎細胞 2.受精卵或胚胎細胞殖入子宮中,後裔造成基因轉殖動物 8-2.2 離體培養:生物體細胞.組織和器官在人工控制環境下體外培養
農桿菌媒介的基因轉殖植物
普遍:液體培養基金屬網培養法小牛血清.葡萄糖.多種胺基酸.無機鹽類.維生素 植物組織培養 動物器官培養 環境 無菌.含養分和激素培養基中培養原 無菌.活體外培養基進行 培養基 養分:蔗糖.維生素.無機鹽(N.P.鎂.鉀.鐵) 激素:細胞分裂素CK.生長素IAA 養分和激素隨種類.目的而不同 普遍:液體培養基金屬網培養法小牛血清.葡萄糖.多種胺基酸.無機鹽類.維生素 目的 培育高經濟價值植物 1.研究器官組織分化及生理活動 2.對物質(激素.致癌物.營養物..)的反應 3.器官移植 實例 胡蘿蔔:分裂→癒合組織→胚芽→幼苗 原理:植物細胞具有全能性 試管嬰兒:體外受精.子宮發育(1978年後解決不能生育問題)
離體培養:植物組織培養
離體培養:動物器官培養 培養液中含小牛血清.葡萄糖及多種胺基酸.無機鹽類和維生素
第三節 生物科技的衝擊
8-3 生物技學的衝擊:生物技學應用性廣.污染性低 8-3.1 生物技學在農業上的應用—植物疾病的預防 抗蟲植物:農藥也殺害益蟲環境中堆積.危害生態 實例:1.土壤桿菌屬毒蛋白(與消化細胞結合)2.甘藷塊跟胰蛋白酶抑制劑基因 抗殺草劑植物:殺草劑也殺害農作物(抑制作物代謝酵素) 實例:抗殺草劑棉花 提高農作物營養價值:穀(離胺酸.酥胺酸).大豆(硫胺酸.半胱胺酸).稻米(蛋白質量偏低) 實例: 1.提高胺基酸.蛋白質量2.增加豌豆甜度.馬鈴薯澱粉量.棉花韌度(脂量)3.飼料蛋白質量 培育高經濟價值作物:短時間.狹小空間培育高經濟價值作物 實例:植物組織培養技術(奎寧-治瘧疾.芳香劑.除蟲菊.名貴花卉.無病毒馬鈴薯)
8-3.2 生物技學在畜牧業上的應用:藉遺傳工程.動物選殖及胚胎移轉等技術 提高牲畜的經濟價值:基因轉殖(屬於遺傳工程) 實例: 1.基因轉殖豬:長快.吃少.肉多2.基因轉殖綿羊:胰蛋白酶抑制劑(治療肺氣腫) 增加牲畜產量:胚胎移植(體外受精) 實例:母牛可產孿生小牛(母牛每次胎只產一胎) 動物選殖(複製):電擊法使細胞融合 實例:1997蘇格蘭-桃麗白面羊白面母羊乳腺細胞核和黑面母羊的無核卵融合(打破已分化動物細胞無法培育成個體的觀念)
基因轉殖山羊
動物選殖法用於複製動物-桃麗羊
8-3.3 生物技學在醫學上的應用 方法 方法與實例 藥物 及疫苗 製造 基因轉殖到細菌.酵母菌.動物及植物細胞大量繁殖.製造藥物 1.基因轉殖細菌:胰島素(最早藥物產品) 2.市售基因工程藥物及疫苗:有60多種 3.基因工程香蕉:B型肝炎 4.基因工程玉米:抗癌 5.基因工程綿羊:胰蛋白酶抑制劑(肺氣腫:基因缺陷).血纖維蛋白酶(心臟病.血栓) 基因 診斷 重組DNA技術.卵細胞診斷.羊膜穿刺法.絨毛膜取樣法 遺傳缺陷:染色體異常.基因缺陷 1.美國4%新生嬰兒有遺傳缺陷 2.需要遺傳資訊和諮商 3.醫學診斷及家族系譜分析
基因治療法用於醫治白血病
商業化的基因晶片。在一平方公分面積的玻璃片上點有一千種以上的基因,作為較分析用。
8-3.4 生物技學在工業上的應用 工業酵素: 1.清潔劑:洗衣粉.洗碗精等(蛋白酶.澱粉酶.脂肪酶..) 2.食品:乳酪(凝乳酶)… 3.皮革加工:毛髮(蛋白酶).油脂(脂肪酶) 4.廢棄物處理:纖維素酶… 化學原料:胺基酸.乙醇.丙酮…等 食品原料:甜味劑.酸味劑.維生素.香料.色素.防腐劑 酒精性飲料: 1.蒸餾:威士忌… 2.非蒸餾:啤酒…
第四節 生物科技學之社會觀
8-4 生物技學之社會觀 8-4.1潛在的危險:生物技學給人類帶來美麗遠景,也帶來潛在未知的危險 1.基因轉殖毒害細菌:引入環境(例吞噬海灘油污細菌:突變而危害人類) 2.基因轉直細菌潛回人體:如胰島素轉殖細菌使人體生產過多疑島素(1982以前由屍體或其他動物胰臟取得) 3.基因工程產品隱藏傷害人體物質:如毒蛋白引起嚴重過敏(需嚴格於動物或人體測試) 4.雜草對抗殺草劑基因有抗藥性:例如人類使用抗生素,細菌具抗藥性 5.基因工程生物成為〝超級生物〞:因雜交再變異,造成生態大災難 6.基因工程產品對兒童或敏感症者不利
8-4.2 倫理觀與法律觀 1.複製人:人類倫理關係受影響 2.人類基因組圖完成:例鐮刀型貧血症篩檢(保險公司拒保.空軍及航空公司不予工作.被要求結紮) 3.試管嬰兒與代理孕母:帶來法律問題 8-4.3 人類是否成為新生命的主宰 1.遺傳工程意外產生新生命:人類缺乏經驗應付 2.基因轉殖細菌潛回人體,造成毒害 3.基因轉殖生物永久於自然環境生存:實驗室安全規則及周密隔離措施,避免細菌失去掌握