Transcript 7生命科學和人生

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
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 核糖核苷酸四種
(dAMP.dTMP.dCMP.
(AMP.UMP.CMP.GMP)
dGMP)
五碳糖
去氧核糖
核糖
含氮鹼
A.T.C.G
A.U.C.G
(鹽)基 (A＝T.C≡G,氫鍵—)
(A＝U.C≡G)
形狀
•雙股螺旋狀(兩股
•單股多核苷酸鏈
平行.方向相反.呈互 •數目:A≠U.C≠G
補)
•數目:A＝T.C＝G
(A＋C/T＋G=1)
構成DNA的四種核苷酸
核酸
去氧核糖核酸DNA
製造 半保留自我複製
功用 直接控制遺傳,間接控制
蛋白質合成
分佈 •細胞核：染色體(大部
分)
•細胞質：粒線體.葉綠
體
特點 同種生物其細胞所含DNA
量相同
核糖核酸RNA
以DNA(基因)的一股為
鑄模製造(轉錄)
控制蛋白質合成(酵素.
載體.受體...)
•細胞核：核仁.核質
•細胞質：核糖體.膠
狀基質(大部分)
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
基因DNA
mRNA tRNA(補密碼)
蛋白質
(遺傳密碼) 細胞核 (密碼子) 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
G
C A A U
C 密碼子
C
G
mRNA
C U
G
tRNA
U
U A G A C G 補密碼
三種RNA的比較：
RNA
核糖體RNA
傳訊RNA
(rRNA)
(mRNA)
遺傳訊息 供mRNA附著 密碼子(三個一
組鹼基序列)
分佈
核糖體上
細胞核內再移至
核糖體
分子大小
次之
最大
結構
專一性
功能
無
轉送RNA
(tRNA)
補密碼(三個
一組鹼基序列)
游離於細胞質
內
最小
單股線型
十字葉形
有
有
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)
•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？
14N-15N：15N-15N＝2：22－2＝2：2＝1：1
14N：15N＝2：(22×2－2) ＝2：6＝1：3
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＝2：25－2＝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
•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
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
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 具有外源基因的生物,例胰島素或生長素基因
生物
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
(鑑識酶) 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 1.外源DNA與質體經限制酵素切割,產生互補
過程
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
DNA
重
組
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
環境
培養
基
目的
實例
植物組織培養
動物器官培養
無菌.含養分和激素培 無菌.活體外培養基進行
養基中培養原
•養分：蔗糖.維生素. 普遍：液體培養基金屬網
無機鹽(N.P.鎂.鉀.鐵) 培養法小牛血清.葡萄糖.
•激素：細胞分裂素CK. 多種胺基酸.無機鹽類.維
生長素IAA
生素
養分和激素隨種類.
目的而不同
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
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
•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
藥物 1.基因轉殖細菌：胰島素(最早藥物產品)
及疫苗 2.市售基因工程藥物及疫苗：有60多種
製造 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)
•重組DNA技術.卵細胞診斷.羊膜穿刺法.絨毛
膜取樣法
基因 •遺傳缺陷：染色體異常.基因缺陷
診斷 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
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