生物第七章 生命科學與人生 第七章第1節 基因的表現 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) 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 第七章第1節 基因的表現 DNA的化學組成 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(轉錄) 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(腺嘌呤).G(鳥糞嘌呤).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)

DNA的分子構造： 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-b.P)互相平行且方向相反 1.骨架：以一核苷酸C5(五碳糖的5號碳)上之磷酸與其相鄰核苷酸的C3連成核苷酸長鏈(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 (1A0＝10-10m；1nm＝10-9m)

DNA與蛋白質的關係 鹼基序列：每條多核苷酸鏈(骨架：5號碳上磷酸與另一核苷酸3號碳上OH相連)上鹼基的排列有特定的順序(構成DNA的特異性) 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)

DNA 的複製︵半保留性︶

第0代 第1代 第2代 第3代

14N-15N：15N-15N＝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：15N-15N＝2：22－2＝2：2＝1：1 14N：15N＝2：(22×2－2) ＝2：6＝1：3 14N-15N：15N-15N＝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.各胺基酸連成多胜肽鏈形成蛋白質) 證明： 1.胺基酸有20多種 2.因種類.序列.數目而有不同的蛋白質

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

第七章第2節 生物技術及其應用 〝遺傳工程(基因工程)〞簡介：藉人工操作改變遺傳基因的技術 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(鑑識酶) 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

PCR(聚合酶連鎖反應) 1983~1985年間由 莫利斯所發展出來

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 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

第七章第3節 生物科技的衝擊

生物技學的衝擊：生物技學應用性廣.污染性低 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)

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) 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) 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 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

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。

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…

第七章第4節 討論 主題1：討論基因改造食品的相關議題 第七章第4節 討論 主題1：討論基因改造食品的相關議題 基因改造食品GMF(基因轉殖食品):源自基因改造生物而來的食品(凡以基因重組技術衍生的食品,都屬於基因改造食品) 效益: 1.提高食品營養成分:如五穀類.蔬菜.牛或羊乳汁 2.保健食品:如藥用物質.食品疫苗.低熱量甜味食品 3.增加食品的多樣性:增加品質.口味.色澤.香氣等 議題: 1.引起食物過敏的可能性 2.倫理問題:如回教徒吃到含豬基因的牛或羊.素食者吃到含動物基因的植物 3.安全問題:含毒性物質的動植物基因轉殖到食品生物,是否也會使食品含有毒素,影響人體健康

主題2：討論生物技術的發展、倫理與法律議題 生物技學之社會觀 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(例如吞噬海灘油污細菌：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胰島素(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

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 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