第二節 核酸的構造與複製

13-2.1 DNA、RNA的化學組成與構造 查卡夫（Erwin Chargaff, 1905～2002）： 核酸： 嘌呤（purine）鹼基 腺嘌呤（adenine；A） 鳥糞嘌呤（guanine；G） 嘧啶（pyrimidine）鹼基 胸腺嘧啶（thymine；T） 胞嘧啶（cytosine；C）。

DNA與RNA的化學組成 DNA的基本構造單位： 核苷酸：四種 含氮鹼基：A，T，G，C 去氧核糖 磷酸

各種生物DNA的四種含氮鹼基數量不相等，其比例也不相同 查卡夫法則：腺嘌呤與胸腺嘧啶之量大致相等，鳥糞嘌呤與胞嘧啶之量亦大致相同 A=T；C=G

DNA與RNA的組成上有兩點不同 兩種核酸依其五碳醣命名： DNA：去氧核糖 RNA：核糖 兩者的含氮鹼基均有A，G，C： DNA：胸腺嘧啶（T） RNA：脲嘧啶（U） RNA的核苷酸：ATP、GTP、CTP和UTP

DNA、RNA的構造 1952年英國科學家富蘭克林（Rosalind Franklin, 1920～1958 ） 其拍攝的DNA X光晶體繞射圖

美國科學家華生（James Watson, 1928～） 英國科學家克里克（Francis Crick, 1916～2004） 參考DNA X光繞射圖 推論出DNA分子的三度空間結構 1953年共同提出DNA分子的雙螺旋構造模型 1962年獲得諾貝爾獎

雙螺旋 DNA由兩股互相平行且 方向相反（反向）的 螺旋狀構造組成

每股：許多核苷酸連接而成的長鏈 連接方式：以一個核苷酸的磷酸與其相鄰核苷酸的去氧核糖依次相連成一條長鏈

兩股核苷酸鏈間：含氮鹼基間的氫鍵相接 A與T配對（A和T間有兩個氫鍵） G與C配對（G和C間有三個氫鍵）

兩股間的寬度：2 nm（1 nm＝10－9 m） 旋轉一圈的長度為3.4 nm（含10個鹼基對） 相鄰鹼基對的間隔為0.34 nm

若已知DNA一股的含氮鹼基序列，便可推知另一股含氮鹼基排序

進階知識 DNA分子雙股呈反向排列意義： 核酸分子中： 5'端：接在五碳醣第5個碳是磷酸根 3'端：接在五碳醣第3個碳是氫氧根  

DNA複製或RNA轉錄均是從5' →3' ： 3'端因為接的氫氧根為自由端（free end），易與磷酸根結合

想一想 某一質體DNA中，若腺嘌呤的比例為24％，則胞嘧啶的比例約為多少？ 人體細胞內一個單套基因組（genome）的DNA約由30億個核苷酸對組成，則一個細胞內DNA分子的長度約幾公尺？

RNA與DNA 均是核苷酸的聚合物 構造上的差異： RNA：單股 DNA：雙股

RNA 訊息RNA（簡稱mRNA） 傳送RNA（簡稱tRNA） 核糖體RNA（簡稱rRNA） 在合成蛋白質時分別擔負不同的功能

mRNA 載有自DNA轉錄的遺傳訊息，以三個鹼基為一組，構成密碼子（codon）

tRNA 攜帶胺基酸參與蛋白質合成，其上有三個特殊鹼基序列稱為補密碼（anticodon） 補密碼可與mRNA上的密碼子配對

rRNA 與蛋白質結合成核糖體，為製造蛋白質的工廠 三種RNA中rRNA是細胞內數量最多的

13-2.2 DNA的複製與轉錄 DNA的複製 DNA的分子結構不僅使DNA分子能夠儲存大量的遺傳訊息

DNA分子的複製 以親代DNA分子為模板，合成子代DNA的過程 此一過程在有絲分裂和減數第一次分裂時隨著染色體的複製而完成

DNA複製（DNA replication）的過程 1. 鬆解（unwinding）：解螺旋酶（helicase）將兩股核苷酸鏈由複製起始點鹼基對間的氫鍵分開，然後配對的鹼基依次分離，並各自作為模板

2. 互補鹼基配對（complementary base pairing）： 以細胞中的三磷酸去氧核苷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）為原料，分別與模板中的含氮鹼基配對（A和T配對，G和C配對）

DNA聚合酶（DNA polymerase）催化三磷酸去氧核苷，利用釋出之能量使該核苷酸的磷酸與相鄰核苷酸之去氧核糖的第3個碳連接，並釋出焦磷酸根。

3. 接合（joining）： 與舊股互補的核苷酸連接成新股後便形成兩個和原先完全一樣的DNA分子，每個子代DNA分子均含有一舊股和一新股。

組成DNA的兩股核苷酸鏈具有方向性，兩股呈反向平行，去氧核糖的五個碳原子依序編成1'至5' ，第1'碳和含氮鹼基相連，第5'碳則和磷酸相連

複製時，此磷酸會與上一個核苷酸中去氧核糖的第3'個碳原子結合 這個結果顯示DNA新股之製造是從5'至3'的方向延伸

進階知識 DNA聚合酶：　 DNA聚合酶只能延長核苷酸鏈長度，但無法啟動DNA新股的複製

新股合成須由引子酶（primase；一種RNA聚合酶）合成一小段RNA作為引子（primer），這一小段引子與DNA鑄模股互補後，DNA聚合酶才開始複製

當DNA複製完成後，引子再被核酸外切酶（exonuclease）切除，並靠DNA聚合補上一小段之DNA，以完成複製。

岡崎片段 DNA複製時，兩股核苷酸鏈由複製起始點鹼基對間的氫鍵分開，形成一複製叉

DNA聚合酶沿著鑄模股的3'向5'方向複製出新股（亦即新股的製造方向是由5' →3' ）： 其中一股可連續複製

岡崎片段（Okazaki fragment） 另外一股則是先複製出不連續的片段，這種不連續的片段由日本科學家岡崎（Reiji Okazaki, 1930～1975）最先發現

這些岡崎片段最後靠DNA連接酶（Ligase）連接成一完整的新股

DNA的半保留型複製 麥舍生（Matthew Meselson, 1930～）和史塔爾（Franklin Stahl, 1929～） 1958年用同位素15 N追蹤DNA的複製方式 證實DNA是以半保留方式複製 其實驗過程如下：

1. 用含15 N的培養液培養大腸桿菌（大腸桿菌每20分鐘分裂1次） 2. 細菌在此培養液中培養一天後，其DNA所含的氮皆為 15 N（比重最重）

3. 將此含 15 N的細菌放在含有 14 N的培養液中，經過一次分裂，純化其DNA，經由離心方式測得其第一子代的DNA雙股中，一股含 15 N，一股含 14 N

4. 該細菌若繼續培養在 14 N的培養液中，經過二次分裂後，其第二子代的個體中有二分之一DNA兩股皆為14 N（比重最輕）；另外二分之一的DNA一股含14 N，另一股含 15 N

半保留型（semiconservative） DNA的複製方式：半保留型（semiconservative） 每個子代的雙股螺旋含有一個舊股和一個新股

想一想 若將大腸桿菌先培養在14 N的培養液中繁殖很多代以後，再將這些細菌培養在 15 N的培養液中，培養兩代以後再純化其DNA，並用離心分離法將不同比重的DNA分層 請畫出純化後DNA在離心管的分布情形

DNA的轉錄 當細胞中按DNA所含的基因訊息合成蛋白質時，在細胞核中先合成RNA 合成RNA的過程和DNA複製的情形相似

構成該基因的DNA兩股先鬆開，RNA聚合酶僅以其中一股作為鑄模，以三磷酸核苷（ATP、CTP、GTP、UTP）為原料

適當的三磷酸核苷分別與鑄模中的含氮鹼基配對： A與U配對 G與C配對

轉錄 合成的核苷酸鏈便是RNA DNA所含的遺傳訊息便抄錄到RNA中

一個基因可以製造出許多相同的mRNA mRNA、rRNA和tRNA皆是經由此法轉錄而成

進階知識 轉錄： 構成基因的兩股核苷酸鏈只有其中一股進行轉錄，但同一條DNA上的不同基因可能由DNA上的不同股進行轉錄，如基因1由紅色股轉錄，而基因2則由藍色股轉錄。

想一想 若有一段DNA的序列為5'-GCAACTTACC-3'，則根據鑄模股合成的RNA，其序列為何？

RNA的修飾 真核生物的遺傳訊息在細胞核中被轉錄至mRNA時，會對mRNA進行許多不同形式的修飾。

5'端會被加入甲基鳥糞嘌呤核苷作為5'端帽，一方面可保護mRNA不被水解酶分解，同時也指示核糖體附著於此處

在3'端（最後轉錄出來的部分）會被加了多個腺嘌呤核，形成多腺嘌呤尾，也具有避免mRNA被分解及協助mRNA轉送至細胞核外的功能

真核生物的細胞核中，被轉錄成的初級mRNA，非編碼區會被切除，編碼區會再被黏合

DNA轉錄出來的初級mRNA很長，含有許多非編碼區的內含子（intron）及編碼區的外顯子（exon）

mRNA剪接（mRNA splicing） 此種經加工後離開細胞核的mRNA，稱為成熟mRNA（mature mRNA）

13-2.3 基因和DNA 一個DNA分子往往包含數千個基因 基因可說是DNA的一小片段

自二十世紀中葉DNA的結構和遺傳功能被陸續提出後 基因就被視為： 「解開生命奧祕的遺傳密碼」 「主宰生命的程式」

基因：遺傳的基本單位 人體的基因數目尚無定論： 約有二萬五千個基因 分布在46個（23對）染色體上 基因以鹼基排列順序所形成的密碼記載在DNA

不同基因所含的基因訊息不同 鹼基的排列順序必定有所差異 DNA可以間接控制蛋白質合成，再由蛋白質控制遺傳性狀的表現 有些病毒如HIV及流感病毒等，其遺傳物質是由RNA所組成的