生物第七章生命科學與人生

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

第七章第 1 節 基因的表現

DNA 的化學組成 DNA 的構造

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

去氧核糖核苷酸 (DNA) 及核糖核苷酸 (RNA) 的基本組成與構造

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

基因 DNA( 遺傳密碼 )

mRNA(密碼子 )

蛋白質轉錄

細胞核

tRNA( 補密碼 )

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

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 有功能 組成核糖體 合成蛋白質鑄模 攜帶胺基酸

三種 RNA 的比較：

DNA〝複製〞：遺傳密碼 (DNA 上三個一組鹼基序列有 64 種 )•功能：產生 DNA•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

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＝ 1：114N ： 15N ＝ 2： (22×2－ 2) ＝ 2： 6＝ 1： 3

14N-15N ： 15N-15N ＝ 2： 25－ 2 ＝ 2： 30 ＝ 1：1514N ： 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•過程：

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

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

〝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

第七章第 2節生物技術及其應用

外源基因 人為合成基因 ,動 .植物細胞或微生物 DNA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 DNA2.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 )

重組 DNA ：將外源基因併入 DNA中 ,改變基因組成

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 DNA2.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

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

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

生物技學在醫學上的應用

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…

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

第七章第 4節 討論

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