第十一章：遺傳 第三節 核酸的結構與複製

遺傳物質的發現 1.摩根的研究團隊最早證明基因位於染色體上， 染色體的組成成分成為遺傳物質的候選者。 2.一直到1940年代，許多科學家都還認為蛋白質 是遺傳物質，DNA只是扮演輔助角色而已。 3.隨著一連串的實驗進行，最後證明DNA才是 真正的遺傳物質。 4.核酸的發現：1869年瑞典科學家米歇爾從傷口 的化膿中抽出酸性黏稠物質，後來發現此物質 也存在細胞核中，其成分包括DNA與RNA。

遺傳物質是蛋白質還是DNA？ 1.為何許多科學家都認為蛋白質是遺傳物質？ (1)人體的蛋白質由 20種胺基酸 構成， 3.格里夫茲：研究肺炎鏈球菌 R型-菌落粗糙(無莢膜-無致病力) S型-菌落光滑(有莢膜-有致病力)

格里夫茲(1928) - 性狀轉形實驗 A.注射S型細菌 → 老鼠死亡 B.注射R型細菌 → 老鼠存活 C.注射加熱殺死的S型細菌 → 老鼠存活 D.注射加熱殺死的S型細菌 + R型活細菌 → 老鼠死亡 死亡老鼠血液 出現S型活菌！ 何種物質所致？

艾佛力繼續研究細菌的轉形 1.R型菌 + 用加熱殺死的S型菌的萃取液 →出現S型菌落 (萃取液中含DNA) 2.R型菌+ 加熱殺死的S型菌的DNA +RNA酶 →出現S型菌落 3.R型菌+ 加熱殺死的S型菌的DNA +DNA酶 →沒有S型菌落 4.R型菌+ 加熱殺死的S型菌的DNA +蛋白酶 ◎結論(1944年)：遺傳物質是DNA

肺炎鏈球菌轉形實驗 1.轉形的機率很小 ，不容易找到S型菌落 2.使用的血清中含 有對抗R型菌之 抗體，故可中和 R型菌，使R型菌 死亡並發生沉澱

賀雪與蔡斯（1952）- 噬菌體實驗 ◎以放射性同位素標定追蹤， 證明遺傳物質是DNA 1.用35S培養大腸桿菌，以噬菌體 的噬菌體。 2.用32P培養大腸桿菌，以噬菌體 感染，培養出核酸含放射性32P

賀雪與蔡斯（1952）- 噬菌體實驗 ◎以放射性同位素標定追蹤， 證明遺傳物質是DNA 3.含放射性元素的噬菌體： (1)蛋白質外殼有 35S 標記 (2) DNA有32P 標記 4.離心分離噬菌體與大腸桿菌(較重，會沈澱)： (1) 35S標示外殼→上清液含 35S (噬菌體外殼) (2) 32P標示DNA→沈澱物含 32P (細菌體) 結論：進入細菌體內的遺傳物質是DNA！ 感染沒有放射性的大腸桿菌

去氧核糖核酸(DNA) 查加夫法則：查加夫分析構成DNA的四種含氮鹼基 ，發現A的含量約等於T，C的含量約等於G。 A-腺嘌呤 T-胸腺嘧啶

核酸- DNA與RNA(核糖核酸) DNA RNA 五 碳 糖 去氧核糖 核糖 含氮鹼基 A、T、C、G A、U、C、G 脲嘧啶 (U) 五 碳 糖 去氧核糖 核糖 含氮鹼基 A、T、C、G A、U、C、G 脲嘧啶 (U) 核糖 胸腺嘧啶(T) 去氧核糖

DNA的結構 1.1952年，弗蘭克林拍攝X光繞射圖 2.1953年，華生與克立克發表雙螺旋模型 - 雙股、反向平行、螺旋狀- 兩股都是由核苷酸構成的長鏈 ，由磷酸與相鄰核苷酸的去氧 核糖相連。 (5’端 → 3’端) 5’ 3’ 3’ 5’

DNA的結構 (續) 磷酸接在第五個 碳的位置(5`端) 氫氧根接在第三個 碳的位置(3`端)， 易與磷酸根結合， 5’端 往 3’端 延長

DNA的結構 (續) 1.A與T配對（2個氫鍵） C與G配對（3個氫鍵） 2.兩股間的寬度(直徑) 2nm 3.旋轉一圈長3.4nm (10對含氮鹼基) 4.每種生物有其特定比例 的 A=T 、 G≡C

RNA的結構 1.RNA的核苷酸含有核糖，四種含氮鹼基是 腺嘌呤、胞嘧啶、鳥糞嘌呤和尿嘧啶(U) 3.細胞內的RNA包括三種主要類型： (1)傳訊RNA（messenger RNA, mRNA） 載有自DNA轉錄而來的遺傳資訊 (2)核糖體RNA（ribosomal RNA, rRNA） 與蛋白質一起形成核糖體 (3)轉送RNA（transfer RNA, tRNA） 則將胺基酸帶至核糖體以合成蛋白質

想一想 ◎某位微生物學家分析一種新型病毒的核酸 ，發現其含氮鹼基的含量為： A 23％、G 23％、C 27％、U 27％ 根據此一資訊，你認為這種病毒的遺傳物 質是單股DNA、雙股DNA、單股RNA或 雙股RNA？ 是單股RNA。若是雙股，A和U比例會相同

DNA的複製方式：半保留式複製 1.兩股核苷酸之間的氫鍵斷開，以舊的 一股為鑄模製造互補的另一股。 2.複製完成的DNA其中一股是舊股， 另一股是新股。

證明DNA以半保留方式複製的實驗 2.將大腸桿菌放在含14N ◎麥舍生與史塔爾(1958) 用同位素15N追蹤大腸 桿菌DNA的複製： 的培養液，經過一次 分裂後純化其DNA 3.以離心方式測得第一子 代的DNA一股含15N， 另一股含14N (較輕)

證明DNA以半保留方式複製的實驗 （續） 4.繼續在14N培養液中培養 大腸桿菌，分離其第二 子代。 5.分析第二子代的DNA， 比例為1：1 (1)一股15N，另一股14N (2)兩股皆為14N（最輕） 6.分裂後已無兩股皆含 15N的DNA了

DNA的複製過程 1.雙股鬆開：DNA解旋酶使複製起始序列的氫鍵分 2.合成引子：導引酶在模版上合成一小段的RNA引子 3.鹼基配對： A配T，G配C (1)以三磷酸去氧核苷酸(dATP、dTTP、dCTP、dGTP) 為原料，合成互補的另一股。 (2)DNA聚合酶使核苷酸由5' 端往3' 端依序連接一個一個的核苷酸分子而形成新的多核苷酸鏈。 4.接合：由DNA連接酶將不連續的岡崎片段接合

DNA的複製過程 (方向：5’→3’) 真核生物DNA的複製程序和細菌的類似，但由於 其分子較長，往往須由多個複起點同時開始進行

小知識：DNA聚合酶的特性 DNA聚合酶只能逐一地將核苷酸分子加到一段 已經和模版股配對好之既存序列（稱為引子） 的3‘ 端上，它無法接合第一個核苷酸而起始 DNA新股的合成。DNA聚合酶所能使用的引子 可以是RNA引子，也可以是DNA引子，關鍵點 在於這些引子的尾端是否提供了3'-OH。

第十一章：遺傳 第四節 基因表現與蛋白質的合成

分子生物學的中心法則 DNA ↓(轉錄) RNA ↓(轉譯) 蛋白質

原核與真核生物轉錄與轉譯的比較 1.原核生物-在細胞質中同時進行轉錄與轉譯 2.真核生物- (1)細胞核內進行轉錄與修飾剪接。 (2)mRNA由核孔進入細胞質進行轉譯。 原核生物 真核生物

轉錄：合成RNA 1.RNA聚合酶附著在啟動子(一段DNA序列) 上，將DNA雙螺旋打開。 2.以DNA其中一股為模版，5’端往3’端逐一 將核苷酸串連起來，直到遇到代表終止意 義的鹼基訊號為止。 3.轉錄產生的RNA稱為初級轉錄本。

想一想 ◎RNA聚合酶和DNA聚合酶在下列特性上有何異同：模版需求、引子需求、所用核苷酸之類型、新股合成方向？ 3.核苷酸類型：DNA-dATP 、dGTP、dCTP、dTTP RNA-ATP、GTP、CTP、UTP 4.新股合成方向：都是5’往3’方向

RNA的修飾 在真核細胞中，初級轉錄本需再經過修飾之後 ，才能經由核孔進入細胞質： 1. 5’ 端會被加上端帽 2. 3’ 端則被加上多腺核苷酸尾 3.剪接：剪接體將內含子切除， 並將各個外顯子序列銜接起來 ，才能成為成熟的mRNA。

真核生物的mRNA修飾與剪接示意圖

RNA的修飾 (續) 1.一般而言，剪接程序將一個基因的所有外顯子銜接在一起，但有時只用到其中的某些外顯子以合成成熟的mRNA。

密碼子 與 胺基酸 1.合成蛋白質時三個核苷酸為一組遺傳密碼 mRNA上的三聯密碼稱為「密碼子」， tRNA上的三聯密碼稱為「反密碼子」。 2.遺傳密碼共有64組，其中61組對應特定的 胺基酸。某些胺基酸與兩組以上的密碼對應 3.起始密碼子：AUG（甲硫胺酸） 終止密碼子：UAA、UAG、UGA

mRNA密碼子所決定的胺基酸

遺傳密碼的共通性 1.遺傳密碼幾乎是生物體間共通的語言。 2.基因轉移到另一種動物體內後仍能正確 的轉錄、轉譯，產生蛋白質。 3.實例：水母的綠螢光基因能表現在魚類 及昆蟲身上。

蛋白質的合成 1.DNA轉錄為mRNA，並經過修飾剪接後 ，進入細胞質，附在核糖體上。 2.tRNA的3’端攜帶胺基酸到核糖體。 3.tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子 配對，將遺傳密碼轉譯為胺基酸長鏈。 4.胺基酸鏈經過修飾與折疊形成蛋白質。

密碼子 與 反密碼子 的配對

核糖體的構造 1.核糖體由大次單元與小次單元位組成。 2.核糖體上有三個tRNA的附著位置： (1)P位- 位於中間，是起使tRNA的結合位， 胺基酸在此逐一連接形成胜肽(peptide) (2)A位-攜帶著下一個胺基酸(amino acid) 的 tRNA附著於此。 (3)E位- 釋出胺基酸的tRNA由此離開(exit) 。

轉譯三階段之一 - 起始 1.小次單元附在mRNA 5’端起始密碼(AUG)上游 2.帶有甲硫胺酸的起始tRNA以其反密碼子 （3‘-UAC-5’）與mRNA的起始密碼配對。 3.核糖體大次單元和小次單元結合在一起。

轉譯三階段之二 - 延長 1.接有一條短肽的tRNA在P位上，空出的A位被下一個 攜帶胺基酸的tRNA占據。 3.核糖體在mRNA上由5’端往3’端方向移動一個密碼子 4.原來在P位已不帶胺基酸的tRNA移到E位然後脫離。 A位上帶有多肽鏈的tRNA則相對移動至P位。

轉譯三階段之三 - 終止 1.多肽合成的終止發生於mRNA的終止密碼子。 2.由於沒有任何tRNA能與終止密碼子配對，最 後在蛋白質的協助下，該核糖體的大次單元、 小次單元、多肽鏈、 mRNA各自分離。

聚核糖體 1.聚核糖體：一條mRNA上附著多個核糖體 ，可同時進行轉譯作用。 2.一個核糖體可以在不到一分鐘的時間內生成 一條完整的多肽，聚核糖體 可以在短時間內合成大量的 蛋白質，供生理活動所需。 5’ 3’ 電子顯微鏡下真核生物 的聚核糖體。

想一想 1.一條長540個核苷酸之細菌mRNA編碼的蛋白質分子有多長？大於、等於或少於180個胺基酸？ 2.已知粒線體擁有自己的DNA，上頭攜有一些基因。粒線體的基質內是否含有RNA聚合酶和核糖體，否則那些基因如何表現？ 1.少於180個胺基酸，起始密碼不是在最末 端，有部分序列用來提供核糖體附著。 2.粒線體基質內有RNA聚合酶和核糖體。

蛋白質的修飾 1.基因經過轉錄和轉譯之後的產物是多肽。 2.多肽往往需要進一步的修飾，並被運送至細胞 內的特定部位，才能成為具有活性的蛋白質。 3.蛋白質修飾的形式： (1)摺疊：有些蛋白質在合成過程中自發性地 摺疊成正確的立體形狀，有些蛋白質則需 要細胞內其他蛋白質協助正確的摺疊。

蛋白質的修飾（續） (2)切割：有些消化器官或組織的細胞是以酶原 的不活化形式將諸如胰蛋白酶之類的酵素分 泌至消化道中，隨後經由其他蛋白酶切除一 小段肽鏈後才具有活性。如：胰島素的形成。 (3)醣化或脂化：有些蛋白質必須接上醣鏈或脂肪 ，成為醣蛋白或脂蛋白之後才能發揮功能， 如：抗體 (免疫球蛋白)之類的分泌性蛋白。

人類胰島素原之修飾 胰島素原須由酵素將其中間35個胺基酸（綠色部分） 切除，留下兩條彼此以雙硫鍵連接在一起的多肽鏈， 這才能成為有功能的胰島素。

蛋白質的修飾（續） (4)磷酸化：有些酵素或轉錄因子必須在特定酵素 的催化之下接上磷酸基才具有活性。

想一想 1.人類胰島素是幾種基因的產物？ 2.人類紅血球內的血紅素是由幾條多肽所構成？ 它是由幾種基因的產物所構成？ 1.一種基因(由一條多肽經切割修飾而成) 2.兩種基因(α多肽、β多肽各兩條)

基因表現的差異 1.多細胞生物體內的細胞都具有相同的遺傳 物質，但不同組織的細胞特徵、功能不同。 如：B細胞製造出抗體；紅血球產生血紅素 ，且高山與平地轉譯速率不同。 2.細胞內的基因視環境需求而有不同的表現。 (需要時才表現，或不需要時停止表現) 3.基因表現的調控主要透過三個層次進行 (1)改變基因轉錄的效率。 (2)改變mRNA轉譯的效率。 (3)影響蛋白質的修飾與活化。 ◎大多數基因表現的調控發生在轉錄層次

原核生物基因表現的調節 1.賈柯與莫諾研究乳糖對大腸桿菌基因表現的 影響，1961年提出乳糖操縱組理論，1965年 獲得諾貝爾生理醫學獎。 2.大腸桿菌被培養在含有乳糖的培養基時，涉及 乳糖吸收與代謝的三種酵素的含量皆增加，表 示乳糖為誘導物，誘發這些蛋白質的合成。

大腸桿菌的乳糖操縱組 1.結構基因-可經轉錄、轉譯合成蛋白質的基因。 2.啟動子- RNA聚合酶附著於此，朝3’端移動 否進行轉錄的開關。 ◎構造基因的表現與否受抑制蛋白影響。。

大腸桿菌的乳糖操縱組(續) ◎調節基因 1.操縱組外的一段DNA。 2.可製造「抑制蛋白」調控操作子的啟閉。 3.若抑制蛋白與操作子結合，RNA聚合酶無法 與啟動子結合，基因無法表現。若抑制蛋白 無法與操作子結合，則使結構基因表現。

大腸桿菌的乳糖操縱組- 無乳糖時 ◎無乳糖時結構基因不表現 1.結構基因：製造酵素將乳糖分解並送入細胞 2.無乳糖時，調節基因製造出抑制蛋白， 抑制蛋白與操作子結合，抑制基因的表現

大腸桿菌的乳糖操縱組- 有乳糖時 1.乳糖為「誘導物」。乳糖會與抑制蛋白結合而使 抑制蛋白無法附著至操作子上。 (平常不表現，有乳糖時才表現-吸收、代謝乳糖) 2..抑制蛋白無法與操作子結合 → 結構基因表現。 (轉錄出mRNA → 轉譯出三種酵素)

想一想 如果大腸桿菌細胞內負責調控乳糖操縱組的 調節基因發生突變，使得其蛋白質產物無法 附著至操作子上，此將會對結構基因的轉錄 造成什麼影響？ 結構基因的轉錄作用將持續進行。

真核與原核細胞的差異 1.「操縱組」這種由一個啟動子掌控數個代謝 相關基因的情形只出現在原核細胞。 2.在真核細胞，則是一個啟動子僅調節一個基因