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1 遺傳工程補充講義 一 現代生物技術範圍 現代生物技術範圍...2 二 遺傳工程定義 遺傳工程定義...2 三 遺傳物質 -- --DNA...2 四 遺傳訊息之傳遞 遺傳訊息之傳遞...6 1

2 一 現代生物技術範圍 1. 遺傳工程 2. 細胞融合 3. 細胞培養 4. 酵素培養 5. 發酵技術 6. 組織培養 7. 複製技術 目前生物技術公司 70 %以遺傳工程為主 二 遺傳工程定義依照經濟部工業局對生物技術 ( Biotechnology ) 的定義, 凡運用生物技術方法, 如 : 基因重組 細胞融合 細胞培養 醱酵工程 酵素轉化等為基礎, 進行研發或製造產品, 或提升產品品質, 以改善人類生活素質的科學技術, 皆稱為生物技術 三 遺傳物質 --DNA 1. DNA 之發展史 1860 孟德爾 ( 遺傳學之父 ) 之豌豆實驗 -- 間接說明基因之存在 1909 確定 DNA 化學結構為磷酸鹽及醣類組成之常分子鏈首度使用基因一詞 1930 英國的費雪 (R. Fisher) 結合基因及演化論, 奠立了現代生物的基礎 1944 美國的愛弗利 (D. Avery) 運用肺結核桿菌的實驗, 確立基因的訊息在 DNA 而非蛋白質 1946 德布呂克及賀雪 (Delbruck & Hershey) 使用病毒 ; 萊德堡及太騰 (Lederberg & Tatan) 使用細菌, 建立了微生物基因重組的技術 1953 柯立克與華生發表 DNA 雙螺旋分子結構, 為現代生物建立分子基礎 1956 DNA 及 RNA 合成酵素, 以及細胞內合成蛋白質的核醣體的發現, 建立運用基因工程進行生物科技的基礎 1967 尼倫堡 (M. Nirenberg) 運用實驗建立了地球上生物均運用相同基因密碼的基礎並解出了所共用的密碼 2

3 1969 首次成功分離基因 1970 史密斯 (H. Smith) 發現限制酵素 (Restriction Enzyme) 使得 S.Cohen and Berg 在 1972 正式開啟了 DNA 重組技術, 亦即基因工程的工作 1978 基因工程成功以細菌製造胰島素 1990 由美國主導科學家合作人類基因組計畫展開基因密碼排序研究 1997 蘇格蘭的威爾慕 (I. Wilmut) 成功地運用體細胞的基因建構 人造 的桃 莉羊 2. 核酸 (nucleic acid) 之構造 (1) 核酸有兩種 --DNA (deoxyribonucleic acid) 去氧核糖核酸 (2) 核酸組成份 RNA( ribonucleic acid) 核糖核酸 核酸 -- 核苷酸 -- 核苷 + 鹼基 (3)DNA 構造 核糖 (RNA)+ 磷酸票呤 + 嘧啶 去氧核糖 (DNA) 柯立克與華生利用 X- 繞射發現 DNA 雙螺旋分子結構 A + Tor U G + C 說明了 DNA 所有已知物理及化學特性鹼基配對說明基因複製機制 a. 雙股螺旋 - 兩股間以氫鍵拉住 (A=T,G C) b. 反平行 - 兩股間平行方向相反 c. 兩股配對互補 (A=T,G C) 5`GATCCGGATTGGAAATTTGCTCGATGC 3` 5` 3`CTAGGCCTAACCTTTAAACGAGCTACG 3

4 4

5 (4)DNA 存在處 * 原核細胞 : 細胞質區 * 真核細胞 : 細胞核內與蛋白質纏繞成染色體 人類有 23 對染色體無論是何種器官或組織其中存在之各式各樣的細胞都是具有 23 對染色體染色體都具有相同的鹽基序列也都存在相同的基因但是卻呈現出不同的外觀形態與功能因為它們調控不同基因的表現 (5)DNA 大小 bp(base pair 鹼基對 ) 病毒 E. coli 人類

6 (6)RNA * 5C 醣 -- 核醣 * 鹼基 --A G C U * 單股結構 * 種類 m-rna(message RNA) t-rna(transfer) r-rna(ribosinal) 四 遺傳訊息之傳遞中心法則 (central dogma)( 如下圖 ) 基因是如何由 DNA 上的鹼基序列密碼, 變成我們身體的各個部分 各種代謝作 用的進行呢? 根據克里克先生所提出的 中心法則, 認為 DNA 會經過轉錄作用而製造出 RNA,RNA 再經過轉譯作用製造出蛋白質, 而蛋白質有酵素的作用, 能夠催化我們身體裡各種代謝作用及合成作用的進行 1.DNA 複製 自從 1953 年華生和克里克兩位提出 DNA 的結構是雙股螺旋之後,DNA 如何自 我複製之謎, 總算是逐漸揭露在人們的面前 由於鹼基的排列順序就是基因的密碼, 所以 DNA 的複製, 最重要的就是要能將 鹼基的排列順序忠實地複製出來 6

7 在雙股 DNA 結構中, 由於 A 會與 T 配對, 而 G 會與 C 配對, 所以如果其中一股 DNA 的鹼基序列是 5 -GGAATTCTTAA-3, 那麼另一股 DNA 一定就會是 3 -CCTTAAGAATT-5 ( 其中,5 與 3 表示 DNA 的方向, 而兩股 DNA 在形成螺旋時, 一定是反向的 ) 所以當我們解開 DNA 的雙股螺旋結構時, 只要讀其中一股 DNA 的序列時, 就可以知道另一股 DNA 的序列, 在細胞中複製 DNA 時, 也是利用相同的道理 當 DNA 聚合酉每 ( 這是一種蛋白質, 請將它當作是合成 DNA 的工人 ) 讀到其中一股 DNA 序列時, 它會找出相對應的核甘酸, 合成對應的 DNA DNA 複製要點 模板 -- 互補之鏈作為彼此模板 半守舊式 ( 半保留 ) DNA 複製時參與之蛋白質 蛋白質 中文名稱 功能 Helicase 解螺旋酵素 解開雙螺旋 s-s DNA binding protein 單股結合蛋白質 穩定單股區域 DNA primase DNA 引發酵素 合成 RNA 引發物 DNA polymerase DNA 聚合酵素 合成 DNA DNA 複製時依 5 3 方向合成故有領導股 ( leading strand) 及落後股 (lagging strand) 並在落後股會有小斷片存在此小斷片稱 Okazaki fragment (Okazaki 斷片 ) 7

8 2. 轉錄 (DNA RNA) 由於形成雙螺旋的兩股 DNA 彼此互補, 其中一股的鹼基序列記載著我們的基因密碼, 我們稱為 密碼股, 另一股內容與密碼股互補的稱為 模板股, 是合成 RNA 時用來作為模板使用的 轉錄的進行, 是由 RNA 聚合酉每 ( 這也是一種蛋白質, 就把它當作是合成 RNA 的工人亦可 ) 所執行, 當某基因要表現時,RNA 聚合酉每會先與記載著基因密碼的 DNA 序列結合, 解開 DNA 的雙股螺旋結構後, 以模板股 DNA 為模板, 依著密碼序列將正確的核甘酸接上去, 合成正確的 RNA 所以, 若有一段 DNA 序列為 5 -GCAACTTACCGAT-3, 則其互補的模板股 DNA 即為 3 -CGTTGAATGGCTA-5, 而根據模板股所合成的 RNA 序列即為 5 -GCAACUUACCGAU-3 請注意, 在 DNA 複製時, 兩股 DNA 都是模板, 用來合成新的 DNA; 而 RNA 合成 ( 就是轉錄作用 ) 時, 只有一股 DNA 可當作模板 8

9 Gene( 基因 ): intron: 真核細胞的基因中, 其 DNA 中經常插有不會表現的 DNA, 稱為 intron, 可能與基因的調節有關 exon: 真核細胞的基因上可以表現的部分, 最後將轉錄成 mrna, 則稱為 exon 真核細胞的基因構造這一點與原核細胞差別很大, 當轉錄 RNA 時, 這些 intron 也會如數被合成出來, 形成初生 RNA, 後者先經修飾後, 再以切出 intron, 得到成熟 mrna, 送出細胞核, 以便在細胞質中轉譯蛋白質 3. 轉譯 (RNA 蛋白質 ) 當 RNA 合成之後, 會由細胞核中被送到細胞質中 在細胞質中, 會被核醣體攔劫, 開始依 RNA 上的密碼進行蛋白質的合成 核醣體會將 RNA 上的鹼基序列, 區分為三個一組, 將每組對應到一個胺基酸, 一個個胺基酸被連接起來, 就形成了蛋白質 部分新合成的蛋白質再經由內質網 送到它工作的崗位, 就可以執行它的工作, 推動細胞中的各項代謝或合成 9

10 10

11 4. 基因表現之控制 基因的表現, 是受到嚴格的監控的 如果基因的表現失去控制, 細胞就會發生病 變 ( 例如 : 癌症 ) 所謂基因表現的控制, 意思就是指, 如何在適當的時候, 讓適當的基因表現 以下, 我們以最著名的大腸桿菌的乳糖操作組 ( 幾個與乳糖代謝相關基因的組 合 ), 來作為說明基因表現控制的一個實例 : 在環境中缺乏乳糖時, 大腸桿菌是不會製造消化乳糖的酵素, 可是當大腸桿菌所 處的環境中被添加大量乳糖時, 大腸桿菌會一反常態地製造出消化 利用乳糖的 酵素, 有效地將環境中的乳糖當作食物來源 11

12 大腸桿菌是如何做這精密的調控呢? 原來, 大腸桿菌消化 利用乳糖的相關基因, 是排列成如圖的形式 : 中 i 表示調控基因,p 是 RNA 聚合酉每所結合的位置, 稱為 啟動序列,o 是 操 作序列,z y a 分別是利用乳糖的酵素基因 調控基因 i 所製造出來的蛋白質稱為 抑制蛋白, 它會與 DNA 上操作序列 o 相 結合, 干擾 RNA 聚合酉每與啟動序列 p 的結合, 因而使得基因 z y a 都無法表 現 由於抑制蛋白與乳糖有很強的結合力, 當環境中有大量的乳糖存在時, 乳糖會與抑制蛋白結合, 使抑制蛋白失去作用, 這時操作序列上再也沒有阻礙了,RNA 聚合酉每就可以順利地結合在啟動序列上, 將基因 z y a 給轉錄出來, 合成代謝乳糖的酵素 12

13 當環境中的乳糖都消耗殆盡, 抑制蛋白不再遇到乳糖的結合, 於是抑制蛋白會重 新結合到操作序列上, 結果基因 z y a 再度被關閉, 不再表現 五 資料來源 公民營研習 --- 生物技術 ( 台糖 ) 13

第十章 基因的作用

第十章 基因的作用 第十章基因的作用 DNA 第一節遺傳物質的發現 一 核酸 () 1. 2. (1) 1869 (F.Miescher) (nuclein) (2) (3) (ribonucleicacid;rna) (deoxyribnucleic acid;dna) () 1. (F.Griffith) 1928 2. (O.Avery) DNA 3.(H.O.Hershey)(M.Chase) DNA () 1.

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