科目名稱：生物化學(一)
授課單元：核酸分子的結構
授課單元：核酸分子的結構
Department of Nutrition and Health Science
Chi Sh Y h Ph D Ching-Sheng Yeh Ph.D. E-mail：janson.yeh@msa.hinet.net Teachers’ Office: C533
課程大綱
1分子生物學的里程碑
1分子生物學的里程碑
2去氧核醣核酸(DNA)的結構
2去氧核醣核酸(DNA)的結構
3核醣核酸(RNA)的結構
3核醣核酸(RNA)的結構
3核醣核酸(RNA)的結構
3核醣核酸(RNA)的結構
4染色質與染色體的結構
4染色質與染色體的結構
1 1
分子生物學的里程碑
1-1
分子生物學的里程碑
生物學源於人類對生命現象的好奇。從精、
卵結合，新生命的誕生，到接續的新陳代
卵結合 新生命的誕生 到接續的新陳代
謝生長 生殖 感應與適應 最後老化
謝生長、生殖、感應與適應，最後老化、
凋亡、死亡，歧異中含有共通的準則，複
雜中具有不變的規律。
分子生物學的發展史
1996酵母菌基因組定序完成 2000年果蠅基因組定序完成 1996酵母菌基因組定序完成 1998大腸桿菌基因組定序完成 人類基因組於2003年4月完成定序一、古典遺傳學
遺 傳 學
般 可 以 概 分 成 古 典 遺 傳 學 (Cl
i
遺 傳 學 一 般 可 以 概 分 成 古 典 遺 傳 學 (Classic
Genetics)與分子遺傳學(Molecular Genetics)兩大
Genetics)與分子遺傳學(Molecular Genetics)兩大
研究領域。
在古典遺傳學的研究領域中涵蓋的遺傳研究範疇
包括有：Transmission Genetics(遺傳學)，又常
被稱為
孟德爾遺傳學(Mendelian Genetics)
；計量
遺 傳 學 (Quantitative Genetics) 與 族 群 遺 傳 學
(P
l ti
G
ti )
(Population Genetics)。
達爾文
在1859年提出演化論<物種源始>時，僅知
道在生物族群中是確有生物特徵的變異存在的，
且這些特徵的差異 是生物演化的過程中天擇的選
擇基礎 但卻不知為何會有 這些變異 以及這些
擇基礎，但卻不知為何會有 這些變異，以及這些
變異是如何在生物世代間傳遞表現的。
變異是如何在生物世代間傳遞表現的
奧地利的修士
孟德爾
年發表的研究 孟
奧地利的修士
孟德爾
1865-66年發表的研究，孟
德爾的遺傳研究法被稱為古典遺傳學。雖然被稱
德爾的遺傳研究法被稱為古典遺傳學。雖然被稱
為古典但孟德爾遺傳仍是遺傳學的入門之鑰，孟
為古典但孟德爾遺傳仍是遺傳學的入門之鑰 孟
德爾被尊為遺傳學之父。
孟德爾碗豆雜交實驗與遺傳第一與第二定律
孟德爾碗豆雜交實驗與遺傳第 與第二定律
孟德爾碗豆雜交實驗
孟德爾碗豆雜交實驗---
豌豆是一種雌雄同體的植物 他的花會將雌蕊與雄蕊
豌豆是一種雌雄同體的植物，他的花會將雌蕊與雄蕊
完全包裹，所以豌豆為一種自花授粉(self-fertilization)
植物。因為其為一自花授粉的植物，所以是一種純系
的 種
的品種(pure breed)。
純系 雙套(diploid)的植物體內每一個成對的基因都是
純系---雙套(diploid)的植物體內每 個成對的基因都是
同基因型的(homozygous)。因其為純系的植物，外表
型(phenotype)就可以當成其基因型(genotype)來看。
單一性狀的雜交實驗(monohybrid cross)
單 性狀的雜交實驗(monohybrid cross)
孟德爾觀察的七種碗豆特徵分別為：
孟德爾觀察的七種碗豆特徵分別為：
1)
白花與紫花(white and purple flowers)。
1)
白花與紫花(white and purple flowers)
2)
高植株與矮植株(tall and dwarf stem)。
3)
黃色種皮與綠色種皮(yellow and green seeds)。
4)
皺種皮與光滑種皮(wrinkled and round seeds)。
5)
飽滿豆莢與乾癟豆莢(smooth and constricted pods)。
6)
綠豆莢與黃豆莢(green and yellow pods)。
6)
綠豆莢與黃豆莢(green and yellow pods)。
7)
)
花開於莖頂或開於莖間(terminal and axial flowers)。
(
)
在第一子代中，兩兩相對的外 表型只有其中的一種會出現， 而且七種不同的特徵無 一例外。 當他把第 子代當成父、母本 當他把第一子代當成父、母本 讓他們自花授粉，再分析他們 子代的外表特 徵時，他發現了 兩件事，一是在第一子代 中消 失的外表型又出現了，第二是 在這兩 兩相對的七種特徵中 在這兩 兩相對的七種特徵中， 每一種特徵的兩種 外表型間都 出現一近於3:1的個體數目比 的關係。
孟德爾實驗結果的基本假設：
他認為生物的每一個遺傳特徵是由生物體內的一成對因子(這個因子( 即為現在所稱的遺傳基因)所決定的，在生物 體內的這對因子可以為 同型的 這種具同型基因的個體被 稱為( )的(homozygous) 同型的，這種具同型基因的個體被 稱為( )的(homozygous) 個體；或為不同型的，具不同型的個體則稱為( )(heterozygous) 個體。 這些遺傳的因子在遺傳的過程中始終為一個獨立並保持不變的遺傳單 這些遺傳的因子在遺傳的過程中始終為 個獨立並保持不變的遺傳單 位，由親代傳至子代。 實驗的結果發現，雜交後的第一子代只有一種外表型會出現，所以他 說豌豆中兩兩相對的外表型的決定因子之間， 有一個對表型具操縱與 決定的力量，他稱之為( ) (dominant)因子，另一個決定不同 表型的因子則相對於顯性因子被稱為( )(recessive)因子。 表型的因子則相對於顯性因子被稱為( )(recessive)因子。孟德爾第一定律---(
)(Law of segregation)
孟德爾第 定律 (
)(Law of segregation)
在一生物中，決定生物一遺傳特徵的成對
在
物中 決定 物 遺傳特徵的成對
基因在由父本傳至子代時會分開，分開的
基因會各自進入一個配子(gamete)中，在
(g
)
授粉時，由父、母本所來的配子結合，而
會有基因重新的組合發生。
孟德爾第二定律--- ( )
(
)
(獨立分配律)
(
)
當不同的遺傳特徵的決定性因子(即現在所
當不同的遺傳特徵的決定性因子(即現在所
謂的不同種的基因 進入配子時 是獨立而
謂的不同種的基因)進入配子時，是獨立而
不互相干擾的。就因為其為獨立而不互相
干擾，所以每一個遺傳因子進入配子時就
如同在單 性狀雜交實驗中 般 是完全
如同在單一性狀雜交實驗中一般，是完全
由機率來決定的。
而人類擁有23對(46條)染色體，其中22對為(
)，一對
為(
)。兩性擁有不同的性染色體，XX者為女性，XY
者為男性；就型態上而言，Y染色體要比X染色體來的小。
當人類的生殖細胞經過減數分裂產生了精子或卵子，精子
及卵子只會得到原有染色體數目的一半(即23條染色體)。若
精卵相遇形成受精卵後，又會恢復為原來的46條染色體，
因此，在後來複製分裂的細胞中，都會有來自父方及母方
的遺傳基因。
1909年，丹麥的植物學家約翰生(Wilhelm Johannsen)將孟
德爾描述的遺傳因子命名為基因(gene)。
德爾描述的遺傳因子命名為基因(gene)。
後續分子生物學最基本的專有名詞：
基因座(locus)：基因在染色體上的位置。 對偶基因(等位基因)(allele)：在同源染色體相同基因座上的不同基 因型式，一對同源染色體的特定基因座上，會有兩個對偶基因，可 能相同，也可能不同。 同源染色體(homologous chromosome)： 在體細胞(somatic cell)中成對存在，分別來自 精子和卵子， 攜帶決定相同性狀的基因組。 基因型(genotype)：決定某一特定外表特徵( 基因型(genotype)：決定某 特定外表特徵( 性狀)的基因型式 外表型( ) 基因表現產生外表特徵( 外表型(phenotype)：基因表現產生外表特徵( 性狀) 。 顯性對偶基因(dominant allele)：當一對同源 染色體兩個對偶基因不同時，其中一個基因主 導外表型的表現，稱為「顯性基因」。 隱性對偶基因(recessive allele)：當一對同源 隱性對偶基因(recessive allele)：當 對同源 染色體兩個對偶基因不同時，其中一個基因無 法決定外表型 稱為「隱性基因 。 法決定外表型，稱為「隱性基因」。
(
)(homozygous)：
當決定某 特定外表特徵(性狀)
當決定某一特定外表特徵(性狀)
的兩個對偶基因完全相同時，
稱為「同型合子」；如
AA
基因
半合子型 。
(
)(heterozygous)：
(
)(heterozygous)：
當決定某一特定外表特徵(性狀)
(
)
同型合子的兩個對偶基因彼此不相同時，
稱為「同型合子」；如
Aa
基因
型 。
異型合子型
二、主宰遺傳分子
1869
年 瑞 典 科 學 家 米 歇 爾 (Johann Miescher,
1844~1895)：
從病人傷口的膿中抽出酸性的黏稠物質。
在細胞核中也發現有很多呈酸性的物質。
當時稱為核素(nuclein) 現稱為核酸(nucleic acid)
當時稱為核素(nuclein)，現稱為核酸(nucleic acid)。
1928
年 英 國 醫 生 格 里 夫 茲 (Frederick Griffith
1928
年 英 國 醫 生 格 里 夫 茲 (Frederick Griffith,
1881~1941)-肺炎雙球菌的菌落型態：
)
光滑型(簡稱S型)。 粗糙型(簡稱R型)。格里夫茲實驗
格里夫茲推論
(transformation)
死的莢膜雙球菌具有某種物質，可以使無莢膜雙球菌所產
生的子代，其遺傳性狀改變而成為有莢膜的雙球菌。
(
)(transformation)
：這種遺傳性狀改變的現象。
(
)(transformation)
：這種遺傳性狀改變的現象。
DNA是噬菌體的遺傳物質
DNA是噬菌體的遺傳物質
1952
年 美 國 科 學 家 賀 雪
(Alf d
D
H
h
(Alfred
D.
Hershey,
1908~1997)
)
和蔡斯(Marha
(
Chase, 1927~2003)
：
利用放射性同位素追蹤
法
法。
證明噬菌體的遺傳物質
證明噬菌體的遺傳物質
為DNA。
實驗步驟
1.
含放射性磷
(
32P)
的物質培養大腸桿菌，再以噬菌體感染，
使培養的
噬菌體核酸
皆含放射性磷。
2.
含放射性硫
(
35S)
的物質培養大腸桿菌，再以噬菌體感染，
使培養的
噬菌體蛋白質殼
皆含放射性硫。
使培養的
噬菌體蛋白質殼
皆含放射性硫。
3.
將這些具不同放射性的噬菌體分別感染無放射性的大腸
桿菌
桿菌。
4
一段時間後用果汁機攪拌，以震落附著在細菌壁上的蛋
4.
段時間後用果汁機攪拌 以震落附著在細菌壁上的蛋
白質殼，再經離心分離。
結果：
1.
大腸桿菌被帶有放射性蛋白質(
35S
)的噬菌體感染後，大部
分放射性物質存在上清液中，顯示噬菌體的蛋白質殼未進
入細菌體內
入細菌體內。
2
32P
標記噬菌體核酸的這一組，大部分放射性物質存在於
2.
P
標記噬菌體核酸的這 組，大部分放射性物質存在於
沉澱物中(細菌較重，沉澱在離心管底部)，顯示噬菌體的
核酸(DNA)進入細菌體內。
賀雪和蔡斯推論：
賀雪和蔡斯推論：
1.
噬菌體的蛋白質殼被留在細菌體外。
則被注入細菌體內
2.
DNA則被注入細菌體內。
3
隨後再製造噬菌體所需的核酸和蛋白質殼
3.
隨後再製造噬菌體所需的核酸和蛋白質殼。
4
最後病毒的核酸與蛋白質殼再組合成病毒顆粒
4.
最後病毒的核酸與蛋白質殼再組合成病毒顆粒。
噬菌體的遺傳物質是(
)而非蛋白質
1-2
去氧核醣核酸(DNA)的結構
什麼是核苷酸的結構和組成？
核 酸 鹼 基 (nucleic acid base)【 簡 稱 核 酸 基 或 核 鹼
(nucleobases)
】分成(
)(pyrimidines)
與(
)
(purines)
兩類。
(purines)
兩類。
核 酸 的 基 本 構 造 單 元 是
(
)
(nucleotide)，核
苷酸以 個 碳糖分
苷酸以一個五碳糖分子(ribose)
為本體 五碳糖的1’位接 個
為本體，五碳糖的1 位接一個
含氮鹼基(nitrogen-containing
含氮鹼基(nitrogen containing
base)
， 5’ 位 接 連 一 個 磷 酸
(phosphate)，若5’位未接連磷
酸， 則稱為核苷(nucleoside)。
核苷酸組成的名稱
核苷酸組成的名稱
嘌呤與嘧啶 核苷 核苷酸
嘌呤與嘧啶 Purine & Pyrimidine
核苷 Nucleoside (base + ribose)
核苷酸 Nucleotide (base + ribose + phosphate)
腺嘌呤 Ad i (A) 腺苷 Ad i 腺苷酸 Ad l t
腺嘌呤 Adenine (A) 腺苷 Adenosine 腺苷酸 Adenylate 鳥嘌呤 Guanine (G) 鳥苷 Guanosine 鳥苷酸 Guanylate 鳥嘌呤 Guanine (G) 鳥苷 Guanosine 鳥苷酸 Guanylate 胞嘧啶 Cytosine (C) 胞苷 Cytidine 胞苷酸 Cytidylate 胸腺嘧啶 Thymine (T) 胸腺苷 Thymidine 胸腺苷酸 Thymidylate
尿嘧啶 Uracil (U) 尿苷 Uridine 尿苷酸 Uridylate
細胞中有兩種核酸
細胞中有兩種核酸
A
去 氧 核 糖 核 酸
A.
去 氧 核 糖 核 酸
(deoxyribonucleic acid,
DNA)
：其核苷酸的五碳
糖
2’
位
上接
H原子
，與OH
基相較少一個氧分子。
基相較少 個氧分子
B.
核糖核酸(ribonucleic acid,
RNA)
：其核苷酸的五碳
糖 位上接
基
糖2’位上接OH基。
核酸：由核苷酸聚合而成。 (核苷酸＝五碳糖＋磷酸＋含氮鹽基) (核苷酸 五碳糖＋磷酸＋含氮鹽基) 核酸 DNA (去氧核糖核酸) RNA (核糖核酸) 五碳糖 去氧核糖 核糖 含氮鹼基 A:腺嘌呤、G:鳥糞嘌呤 C:胞嘧啶、T:胸腺嘧啶 A:腺嘌呤、G:鳥糞嘌呤 C:胞嘧啶、U:尿嘧啶 核苷酸 dAMP、dTMP、dCMP、dGMP AMP、UMP、CMP、GMP 合成原料 dATP、dTTP、dCTP、dGTP ATP、UTP、CTP、GTP 結 構 雙股螺旋 單股 結 構 雙股螺旋 單股 功 能 轉錄→合成RNA 轉譯→合成蛋白質 分 佈 染色體、粒線體、葉綠體 主要分佈於 核糖體、核仁 主要分佈於 （主要分佈於 ） （主要分佈於 ）DNA與RNA之比較-1
DNA與RNA之比較-2
DNA的分子結構
DNA其結構特徵-1
由核糖─磷酸根所形成之骨架在螺 旋結構之外 旋結構之外。 分別位於兩骨架上之鹼基以氫鍵配 對，排列在螺旋軸的垂直平面上， 與骨架之形成無關。 主凹槽 兩骨架的走向是反向平行。 依據( )方向性 以右手定 副凹槽 依據( )方向性，以右手定 則螺旋延伸，直徑約2 nm(20 A°, 埃) 埃)。 每0.34 nm有一對鹼基，螺旋結構 約3.4 nm一圈(平均3.32nm＝33.2 A°) ，而DNA每轉一圈(360 °) ，約 有10個鹼基對(base pair) 。DNA三種結構特徵-2
1.
(
)：
Watson與Crick所描述的DNA為DNA 的鈉鹽結晶 其中含相當水分(92%) 的鈉鹽結晶，其中含相當水分(92%)， 這種結構稱為B型DNA(B form DNA)， 為DNA存在於細胞中最主要的構造， 但在其他物理化學環境下，DNA會 以其他雙股結構存在 。 特徵 特徵： 外徑為2nm。 螺旋每繞一圈長度約為3.4nm。 每 螺旋每繞一圈包含10個鹼基對。DNA三種結構特徵-3
2.
(
)：
A-DNA之特徵：每圈有11個鹼基， 鹼基對與螺旋軸成20度角。 鹼基對與螺旋軸成20度角 左旋性DNA 。DNA三種結構特徵-4
3.
(
)：
Z型DNA衍生自B型DNA 。 是DNA雙螺旋結構的一種形式，具 是DNA雙螺旋結構的 種形式 具 有左旋型態的雙股螺旋(與常見的 相反) 並呈現鋸齒形狀 B-DNA相反)，並呈現鋸齒形狀。 Z-DNA為三種具生物活性的DNA 雙螺旋結構之一。各種主要DNA結構的特徵
類型 A型DNA B型DNA Z型DNA
類型 A型DNA B型DNA Z型DNA
螺旋型 右璇 右璇 左璇 每繞 圈之鹼基數 每繞一圈之鹼基數 結晶態 纖維態 10.711 9.7 10 12 -每繞一圈之螺旋高度(A0) 24.6 33.2 45.6 股腺半徑(A0) 25.5 23.7 18.4 每一層鹼基間之距離 結晶態 纖維態 2.32 6 3.3 3 4 3.7 ＝ 纖維態 2.6 3.4 ＝ 鹼基與骨架形成之角度 +190 -1.20 -9.00 形成之條件 相對低水份、高鹽度 相對高水份、低 d(GC)n序列之 形成之條件 相對低水份 高鹽度 環 境 ； DNA-RNA 雜 合 體 及 RNA-RNA 雙 股分子。 相對高水份 低 鹽度環境；大部 分活細胞之DNA 雙股分子。 d(GC)n序列之 DNA片段。 股分子。 雙股分子。
DNA熔解現象及其意義
DNA熔解現象及其意義
DNA
最早被探討的特性之
就是DNA熔解現象(DNA
DNA
最早被探討的特性之一，就是DNA熔解現象(DNA
melting)，或稱之為(
g)
或稱之為(
)(DNA denaturation)。
)(
)
即高溫之下，DNA的兩條股腺會解離開來，變成單股的DNA分子。
如果測量DNA檢體對260 nm波長光的吸收值(光密度，「optical
density, OD」) ，可發現雙股與單股DNA吸光值不同，當DNA隨y, 」) 可發現雙股與單股 吸光值不同 當 隨
溫度增高而熔解時，OD值(OD260)也逐漸增高，會形成S曲線，此
現象稱為增色轉換(h h i hift)
現象稱為增色轉換(hyperchromic shift)。
由縱座標可判斷出50% DNA被熔解時的OD值，其相對應溫度則
DNA熔解現象
DNA熔解時會受到pH值和離子強度影響Tm值。 熔解成單股的DNA分子置於逐漸降溫的環境，則DNA股線會緩慢的再結 合成雙股結構 此現象稱為DNA復性(renaturation) 合成雙股結構，此現象稱為DNA復性(renaturation)，物種間雙股DNA T
mm值的變化
物種 T 值(℃) 物種 Tm值(℃) 腺病毒 (Adenovirus) 89.5 大腸桿菌 (Escherichia coli) 90.5 肺炎鏈球菌 (St t i ) 85 0 肺炎鏈球菌 (Streptococcus pneumoniae) 85.0 新型隱球菌 (Cryptococcus neoformans) 86.6 釀酒酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 84.0 菸草染色體 (Tobacco chromosome) 84.0 菸草葉綠體 (Tobacco chloroplast) 86 0 菸草葉綠體 (Tobacco chloroplast) 86.0 牛胸腺 (Calf thymus) 86.5DNA之三級結構：超螺旋
雙股DNA進一步之扭轉稱為(
)
(supercoiling)
。
原核生物DNA之超螺旋結構。
DNA超螺旋 (DNA Supercoiling)
DNA超螺旋 (DNA Supercoiling)
「超螺旋」意指一個螺旋(coil)的纏繞，例如電話
超螺旋」意指 個螺旋(coil)的纏繞，例如電話
線就是典型的纏繞電線，而在電話機台和接收器
之間的電線路徑通常存在有一個或更多個的超螺
旋。
DNA以雙螺旋的形式纏繞著，雙股DNA纏繞在一個
軸上；那一個軸會進一步纏繞在它本身之上，以產
生DNA超螺旋。
DNA超螺旋通常有結構扭曲的特徵。當DNA的軸本
身沒有真正的彎曲 DNA可說是處於 種放鬆
身沒有真正的彎曲 ，DNA可說是處於 一種放鬆
(relaxed)的狀態。
(relaxed)的狀態。
拓樸學是研究物體在 連續變形時不改變其 連續變形時不改變其 特性的一門科學。
DNA的複製和轉錄也會影響超螺旋並受到超螺旋
DNA的複製和轉錄也會影響超螺旋並受到超螺旋
所影響。這兩種複製和轉錄程序都需要DNA雙股
的分離-這是一個複雜的程序，和雙股間螺旋狀纏
繞有關。
超螺旋是藉由分開螺旋狀結構的 DNA雙股所引發的。扭轉兩個橡 DNA雙股所引發的 扭轉兩個橡 皮圈，成為一個右旋的雙螺旋，如 圖所示。藉由請朋友固定其中一端， 圖所示。藉由請朋友固定其中 端， 之後，在另一端分別地拉二股，產 生的張力將產生超螺旋 生的張力將產生超螺旋。大部分的細胞DNA為解螺旋(Most Cellular DNA Is Underwound)
以質體和病毒DNAs為例：當這些DNAs在任一股中沒有斷裂時，稱為
閉鎖環狀DNAs(closed-circular DNAs)。如果閉鎖環狀的DNA分子
為B-形式的結構(Watson-Crick結構)。 為B-形式的結構(Watson-Crick結構)。
DNA是鬆弛而非超螺旋狀的(下圖)，其雙螺旋的每一個轉彎(turn)含有 ( )bp。當DNA結構受到某些形式的結構扭曲時就會產生超螺旋， ( ) p 不論是哪一種生物，經過純化的閉鎖環狀DNA很少是鬆弛的。此外， 來自於特定細胞的DNAs也有其特定的超螺旋程度；因此 DNA結構 來自於特定細胞的DNAs也有其特定的超螺旋程度；因此，DNA結構 被扭曲的方式是由細胞調控，以誘導其產生超螺旋。
DNA解螺旋作用
DNA解螺旋作用
a) 在一個閉鎖環狀DNA分子中的一個片段，約 84bp長，以鬆弛狀態的八個螺旋狀轉彎形成。 b) 一個轉彎的移動引發結構的應力變形。 c) 應力變形的產生通常起因於超螺旋的形成。 c) 應力變形的產生通常起因於超螺旋的形成。 d) DNA解螺旋也使得DNA股的分離較為容易。 大體而言，解螺旋的每個轉彎應會促進DNA 雙股分離開約10bp，如左圖所示。然而，氫 鍵鹼基對通常會防止如此短距離的雙股分離， 而且此作用只對較長的DNAs和較高級的 DNA解螺旋來說比較重要。
只有當DNA是一個閉鎖環狀，或是被蛋白質結合
只有當DNA是 個閉鎖環狀 或是被蛋白質結合
及穩定時，使得雙股無法自由的旋轉時，解螺旋
狀態才能夠維持。如果在一獨立且無蛋白質結合
的環狀DNA中有一股發生斷裂，那時在該斷裂的
地方，DNA自由的旋轉將會導致DNA解螺旋而自
發地恢復鬆弛的狀態 然而 在 個閉鎖環狀的
發地恢復鬆弛的狀態。然而，在一個閉鎖環狀的
DNA分子中，若其中一股沒有發生短暫斷裂的情
DNA分子中 若其中 股沒有發生短暫斷裂的情
形，螺旋狀旋轉的數目是不會改變的。
DNA的解螺旋可由拓樸連接數所定義(DNA Underwinding Is Defined by Topological Linking Number) (DNA Underwinding Is Defined by Topological Linking Number)
(( )(linking number；Lk))( g ； )是雙股DNA的拓樸特性，因為當DNA是雙股 的拓樸特性 因為當
彎曲或變形時，只要DNA雙股都保持完整，它都不會改變。連接數可 定義為第二股穿過這 個表面的次數 Lk是為1 而對於下圖來說 定義為第二股穿過這一個表面的次數：Lk是為1；而對於下圖來說， Lk是為6。閉鎖環狀DNA的連接數多半是一個整數。 DNA雙股之間的連結排列成一個右手螺旋的相互纏繞，則連接數可定 義為正數(+)；若DNA雙股之間的連結被安排成是一個左手螺旋的相 義為正數(+)；若DNA雙股之間的連結被安排成是 個左手螺旋的相 互纏繞，則連接數是負數(-)。 2 3 4 5 1 2 6 1 1
超螺旋密度的計算(Calculation of Superhelical Density)
超螺旋密度的計算(Calculation of Superhelical Density)
一個密閉環狀DNA分子，由4,200bp所組成
並擁有連接數(Lk)＝374，請問此分子的超
螺旋密度(σ)是多少？若相同密閉環狀DNA
分
其連接數
請 其超螺旋
分子，其連接數(Lk)＝412，請問其超螺旋
密度？並解釋這些分子是屬於正的或負的
密度？並解釋這些分子是屬於正的或負的
超螺旋？
超螺旋？
解答：
首先，計算分子鬆弛狀態連接數(Lk
0)，藉由密閉環狀DNA
分子中的鹼基對數目除以每個轉彎所含的鹼基對數目：
(4 200b )/(10 5b /t
)
400
運用方程式(ΔLK LK
(4,200bp)/(10.5bp/turn)＝400。運用方程式(ΔLK＝LK
-LK
00)計算出連接數的差值：
)
1) ΔLK＝LK-LK0＝374 - 400＝-26。再經由方程式σ＝ΔLK / LK0， 計算出超螺旋密度σ＝ΔLK / LK0＝26/400＝0.065。因為此超螺 旋密度是負值，此DNA分子是負超螺旋。 旋密度是負值 此DNA分子是負超螺旋 2) 當相同DNA分子擁有連接數＝412，其連接數差值ΔLK＝412 -400＝12；其超螺旋密度σ＝12/400＝0.03。因其超螺旋密度是 正值，此分子是正超螺旋。 拓樸異構酶可催化DNA連接數的改變(Topoisomerases Catalyze Changes in the Linking Number of DNA)
( p y g g ) DNA超螺旋的形成是一種精準的調控程序，而且影響到許多DNA的新 陳代謝。每個細胞都有一些特定酵素只作用於解螺旋和/或使DNA鬆開 之功能。 樸異構酶(topoisomerases)是增加或減少DNA解螺旋程度的酵素；它們 會造成DNA連接數的改變 這些酵素在複製和DNA堆疊上扮演 個特 會造成DNA連接數的改變。這些酵素在複製和DNA堆疊上扮演一個特 殊的重要角色。 拓樸異構酶分為兩類： 第I型拓樸異構酶(type I topoisomerases)：會短暫地打斷兩條DNA中的一 第I型拓樸異構酶(type I topoisomerases)：會短暫地打斷兩條DNA中的 股，將未斷裂股通過斷裂股，再連接起斷裂股；這種改變會使Lk (連接數) 增加1 增加1。 第II型拓樸異構酶(type II topoisomerases)：會打斷兩股DNA，且使Lk (連接數)增加2。
拓樸異構物的圖示呈現
拓樸異構物的圖示呈現
為超螺旋狀的
分 比鬆弛
因為超螺旋狀的DNA分子比鬆弛
的DNA分子更緊密，因此使它們
負極 (-)的DNA分子更緊密 因此使它們
在凝膠電泳中能夠更快速地移動。
在第1行中，高度超螺旋狀的DNA移 動成單一條帶。 (連接數) 動成單 條帶 第2行和第3行說明了利用第I型的拓 (連接數) 樸異構酶處理超螺旋DNA之後的影 響；而第3行DNA經過拓樸異構酶作； 用的時間比第2行DNA長。 正極 (+)大腸桿菌的拓樸異構酶
大 桿菌 少有 種
的拓樸 構酶 到
大腸桿菌至少有四種不同的拓樸異構酶(I到IV)。
第I型(拓樸異構酶I和III)，通常藉由移去負超螺旋(逐漸增加
第I型(拓樸異構酶I和III)，通常藉由移去負超螺旋(逐漸增加
Lk)
使DNA鬆開；細菌第I型拓樸異構酶改變連接數的方式。
細菌的第II型拓樸異構酶，稱為(
)
或DNA解旋酶，
能造成負超螺旋(減少Lk)；其可使用ATP的能量完成這種功
能。為了改變DNA的連接數，拓樸異構酶II可切斷DNA分子
能。為了改變DNA的連接數，拓樸異構酶II可切斷DNA分子
的雙股，並使另一個雙股通過斷裂處。細菌DNA的超螺旋
程度，會藉由拓樸異構酶I和II的淨活性調節來維持。
細菌第I型拓樸異構會改變連接數之機轉：
a)
)
一個DNA分子結合到酵素的閉鎖構形，而且
DNA有一股被切開。
b)
酵素轉換成開放構形，另一股DNA穿過第一股的
b)
酵素轉換成開放構形 另 股DNA穿過第 股的
斷裂處。
c)
在閉鎖構形中
在閉鎖構形中，DNA股重新連結。
股重新連結
由真核細胞第II型拓樸異構 造成連接數改變的推測機制。
(1).多次單元酵素結合上一個DNA分子(藍色)。 在結合DNA上面和下面的閘門(gated cavities)， 叫做N-閘門(N-gate)和C-閘門(C-gate)。(2).相 叫做N 閘門(N gate)和C 閘門(C gate) (2).相 同DNA分子的第二片段(紅色)結合到 N-閘門並 且(3)陷入 第 個DNA的雙股現在都被切開( 且(3).陷入，第一個DNA的雙股現在都被切開( 此化學情形與圖24-20b類似)，而且(4).第二個 DNA片段通過斷裂處。(5).斷掉的DNA重新連 結，而且第二個DNA片段由C-閘門釋放出來。 結 而且第二個DNA片段由C 閘門釋放出來 兩個ATP分子在此循環週期中會結合起來並且 水解 可能是其中 個ATP分子在此步驟中被 水解；可能是其中一個ATP分子在此步驟中被 水解而導致第(4).步驟中複合物的形成。此反 應中ATP水解成分的詳細細節仍在研究當中。拓樸異構酶與疾病關係
細胞中DNA的拓樸狀態是緊密地關係著它的功能。若無拓樸異構酶，細 細胞中DNA的拓樸狀態是緊密地關係著它的功能 若無拓樸異構酶 細 胞不能複製、堆疊他們的DNA，甚至連表達他們的基因，都會造成細胞 死亡 因此針對感染性疾病或惡化的細胞 拓樸異構酶抑制劑已經成為 死亡。因此針對感染性疾病或惡化的細胞，拓樸異構酶抑制劑已經成為 重要的醫療藥劑。 兩類細菌的拓樸異構酶抑制劑: 1) ( )(coumarin)包 含 新 生 黴 素 (novobiocin) 和 香 豆 黴 素 格 1) ( )(coumarin)包 含 新 生 黴 素 (novobiocin) 和 香 豆 黴 素 格A1(coumermycin A1)他們是源自於鏈黴菌類的天然產物，抑制細菌第II型拓 樸異構酶 解旋酶 和拓樸異構酶 結合的活性
樸異構酶ATP、DNA解旋酶(gyrase)和拓樸異構酶IV結合的活性。
2) ( )(quinolone)類抗生素(DNA解旋酶和拓樸異構酶IV的抑制劑)。
喹諾酮類藥物的作用是藉由阻斷拓樸異構酶反應的最後步驟，重新接合DNA 斷裂股。Ex. 如萘啶酸(nalidixic acid) 、環丙沙星〔ciprofloxacin(Cipro)〕。
萘啶酸(nalidixic acid)和環丙沙星(ciprofloxacin)之結構
人類拓樸異構酶抑制劑，是被使用在癌症治療上最
重要的化療藥物
重要的化療藥物。
1)
喜樹鹼(Camptothecin)
是源自於中國裝飾用的植物 在
1)
喜樹鹼(Camptothecin)
，是源自於中國裝飾用的植物，在
1970
年首次在臨床上被測試，作為真核細胞第I型拓樸異
構酶抑制劑。
2)
抗 癌 妥 (irinotecan ； Campto)
和
癌 康 定 (topotecan ；
Hycamtin)
被發展並分別被使用在治療大腸癌與卵巢癌上。
Hycamtin)
被發展並分別被使用在治療大腸癌與卵巢癌上。
在未來的幾年內，額外新的衍生物將可能被許可在臨床
上使用。這些藥物的作用是將拓樸異構酶-DNA複合物停
滯在
斷裂
時抑制斷裂的
重新接合
滯在DNA斷裂股，同時抑制斷裂的(
)重新接合。
3)
人類第II型拓樸異構酶是多種抗癌藥物的標的
物，包括
小紅莓〔doxorubicin (Adriamycin)〕
依托泊苷〔 t
id (Et
h )〕 玫瑰
，
依托泊苷〔etoposide(Etopophos)〕
，
玫瑰
樹鹼(ellipticine)
。有效用來抵抗幾種人類腫瘤
樹鹼(ellipticine)
有效用來抵抗幾種人類腫瘤
的小紅莓，是一種臨床上蔥環類抗腫瘤抗生素。
大部分這類藥物可穩定這些共價鍵結合的拓樸
異構酶-DNA(斷裂的 DNA)複合物。
核醣核酸(RNA)的結構
RNA的主要種類及其結構(The pricipal kinds of
RNA的主要種類及其結構(The pricipal kinds of
RNA and their structures)：
)
1.
轉移RNA (亦稱轉送RNA；transfer RNA, tRNA)。
2.
核糖體RNA (ribosomal RNA, rRNA)。
3.
傳訊RNA (messenger RNA, mRNA)。
4
小核RNA (
ll
l
RNA
RNA)
4.
小核RNA (small nuclear RNA, snRNA)。
5
微小RNA (microRNA miRNA)
5.
微小RNA (microRNA, miRNA)。
6.
小干擾RNA (small interfering RNA, siRNA)。
細胞中訊號傳遞的基本過程
核糖體(ribosomes)，由rRNA與蛋白質組合而成，
(
)
是蛋白質合成作用中，新多胜肽鏈組裝的裝置。
氨 基 酸 與 tRNA 共 價 結 合 形 成 胺 醯 中 蛋 白 質
(aminoacyl-tRNA)被送到組裝位置。
mRNA鹼基的序列決定增長中蛋白質的氨基酸序
列
這 種 的 過 程 稱 為 遺 傳 訊 息 的
列 ， 這 種 的 過 程 稱 為 遺 傳 訊 息 的
(
)(translation)。
(
)(translation)。
細胞中三種主要的RNA
細胞中三種主要的RNA
包括 RNA tRNA以及 RNA
包括mRNA、tRNA以及rRNA。
1. ( )RNA (亦稱轉送RNA；transfer RNA，tRNA)
轉移RNA(transfer RNA, tRNA)是一具有轉運功能的分子將傳訊者RNA(messenger RNA,mRNA)上的密碼子所帶有的資訊轉譯成特定的胺基酸(amino acid)。 mRNA)上的密碼子所帶有的資訊轉譯成特定的胺基酸(amino acid)
每 種 胺 基 酸 都 有 一 種 以 上 與 之 對 應 的 傳 遞 RNA(transfer RNA，tRNA) 但 每 種 傳 遞 RNA(transfer RNA，tRNA)只會對應一種胺基酸。
RNA(transfer RNA tRNA)只會對應 種胺基酸
確保正確的蛋白質必須：
1) 傳遞RNA(transfer RNA tRNA)正確解讀傳訊者RNA(messenger RNA mRNA)上的訊息。 1) 傳遞RNA(transfer RNA, tRNA)正確解讀傳訊者RNA(messenger RNA, mRNA)上的訊息。 2) 傳遞RNA(transfer RNA, tRNA)正確地將訊息轉譯為胺基酸。
tRNA
tRNA會攜帶氨基酸到核糖體上 以合成蛋白質
tRNA會攜帶氨基酸到核糖體上，以合成蛋白質，
不同的tRNA會攜帶不同的氨基酸，細胞內有20種
不同的tRNA會攜帶不同的氨基酸 細胞內有20種
氨基酸，tRNA的種類超過20種。
2. ( )RNA (ribosomal RNA
，rRNA)
是一種具有催化能力的核糖酶，但其單獨 存在時不能發揮作用，僅在與多種核糖體 蛋白質共同構成核糖體(一種無膜細胞器) 蛋白質共同構成核糖體( 種無膜細胞器) 後才能執行其功能。 23S和28S rRNA在翻譯過程中作為肽醯 轉移酶催化多肽(包括蛋白質)中胺基酸之( 蛋 ) 間肽鍵的形成。 是單鏈 但通過摺疊形成了廣 rRNA是單鏈RNA，但通過摺疊形成了廣 泛的雙鏈區域。 核糖體是沒有細胞膜的細胞器，位於細胞 質 功用是合成蛋白質。 質，功用是合成蛋白質。
原核和真核的 RNA
原核和真核的rRNA
細胞的
有三種
(
)細胞的rRNA有三種：5S rRNA、
16S RNA
23S RNA
16S rRNA、23S rRNA。
(
)細胞的rRNA有四種：5S rRNA、
5.8S rRNA、18S rRNA、28S rRNA。
3.
( )RNA (messenger RNA，mRNA)
是由DNA經由轉錄而來，帶著相應的遺傳訊息，為下一步轉譯成蛋白質提
供所需的訊息。在細胞中，mRNA從合成到被降解，經過了數個步驟。在 轉錄的過程中，第二型RNA聚合酶(RNA polymerase II)從DNA中複製出 一段遺傳訊息到mRNA前體pre-mRNA(尚未經過修飾或是部份經過修飾的 mRNA，稱作pre messenger RNA (pre mRNA)，或是heterogeneous mRNA，稱作pre-messenger RNA (pre-mRNA)，或是heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)上。
mRNA
提供訊息以合成蛋白質
mRNA-提供訊息以合成蛋白質
DNA有如圖書館中 mRNA是他的影本 蛋白質是依影本煮
原版的食譜 出來的菜。
4.
( )RNA (small nuclear RNA，snRNA)
只位於真核細胞的細胞和內，與其他型式的RNA不同。
主要參與修飾原始的mRNA的轉錄產物，使之成為成熟型。
此型能從核送至細胞質以進行轉譯作用。
5.
(
)RNA (microRNA，miRNA)
5.
( )RNA (microRNA
miRNA)
在 真 核 生 物 細 胞 內
所 發 現 的 微
在 真 核 生 物 細 胞 內 ， 所 發 現 的 微
RNA(miRNA；21 22 nts) 能引發RNA干擾
RNA(miRNA；21-22 nts)，能引發RNA干擾。
iRNA與酵素複合體 會切碎 RNA 阻止
miRNA與酵素複合體，會切碎mRNA，阻止
該 RNA 被轉譯 或加速其降解
該mRNA 被轉譯，或加速其降解。
6.
( )RNA (small interfering RNA，siRNA)
(
)
(
g
)
小干擾
的產生 通
小干擾RNA(siRNA；20-25 nt)的產生，通
常是由分解病毒RNA得到 然而也存在內
常是由分解病毒RNA得到，然而也存在內
源性的 iRNA
源性的siRNA。
引發
干擾的機制類似
siRNA
引發RNA干擾的機制類似miRNA，
有些 iRNA和 iRNA 能造成其目標基因
有些miRNA和siRNA，能造成其目標基因
被甲基化 從而促進或抑制該基因的轉錄
被甲基化，從而促進或抑制該基因的轉錄。
不同RNA的角色之對照表
RNA型式 大小 功能 轉移RNA (亦稱轉送RNA) 小 轉送胺基酸至蛋白質合成位置 轉移RNA (亦稱轉送RNA) transfer RNA，tRNA) 小 轉送胺基酸至蛋白質合成位置 核糖體RNA (ribosomal RNA，rRNA) 許多大小不 同類型 與許多蛋白質結合成核醣體， 為蛋白質結合處。 傳訊RNA (messenger RNA，mRNA) 大小不同 決定蛋白質胺基酸序列。 (messenger RNA mRNA)小核RNA 小 真核細胞中，將原始型mRNA 加工為成熟型
(small nuclear RNA，snRNA) 加工為成熟型。
微小RNA 小 影響基因表現：生長及發育上 (microRNA，miRNA) 很重要。
小干擾RNA 小 影響基因表現：科學家用於做 小干擾RNA
(small interfering RNA，siRNA)
小 影響基因表現：科學家用於做 基因剃除的研究。
染色質與染色體的結構
「 」這個名詞是指核酸分子， 人類染色體 (男性) 為病毒、細菌、真核細胞或細胞胞器的 遺傳基因訊息，亦指在染色後的真核細 (男性) 遺傳基因訊息 亦指在染色後的真核細 胞細胞核中可清楚看見的濃密彩色小體， 可用 個光學顯微鏡加以觀察 可用一個光學顯微鏡加以觀察。人類染色體 (Human Chromosomes)
Normal male karyotype Normal female karyotype 染色體條紋染色法(Chromosome banding techniques)，如在70年代發展的( )(G-banding)已被視為應用於臨床細胞遺傳學的基本標準技術(gold standard technique)，由於其容易使用， banding)已被視為應用於臨床細胞遺傳學的基本標準技術(gold standard technique)，由於其容易使用， 成功率高及成本低廉，只需將把製備好的染色體玻片用胰蛋白酵素(trypsin)處理過，然後用Giesma染色 劑染色，便能在人類每一條不同的染色體上顯現特有的帶狀條紋稱為(G-banding)，因此不但可以由這些 G-banding辨認人類染色體核型中每一個染色體，並且還能鑑定某一染色體上特有之帶狀的區域 (chromosome region)。
染色質含有DNA和蛋白質 (Chromatin Consists of DNA and Proteins)
在真核細胞的細胞週期中染色體結構的改變。 間期時期能被細分為G1(縫隙)階段；S(合成)階 間期時期能被細分為G1(縫隙)階段；S(合成)階 段，此時DNA可被複製；和G2階段，此時被複 製的染色體(染色分體們)會彼此附著 有絲分 製的染色體(染色分體們)會彼此附著。有絲分 裂能被分成四個階段。在分裂前期，DNA會被 濃縮。在中期期間，成對濃縮的染色體會排列 在兩個紡錘體之間，由紡錘絲所形成的平面中 (Mitosis) 在兩個紡錘體之間 由紡錘絲所形成的平面中 段。兩個成對染色體會分別藉由延伸在紡錘絲 和著絲粒間的微管 連接至不同的紡錘體 姐 和著絲粒間的微管，連接至不同的紡錘體。姐 妹染色分體會在後期階段分開，經由連接的紡 錘絲各自拉開。整個過程完成於細胞分裂後期。 在細胞分裂完成之後，染色體會解濃縮，新的 在細胞分裂完成之後 染色體會解濃縮 新的 細胞週期會重新開始。 在不分裂的真核細胞(在G0中)和在 在不分裂的真核細胞(在G0中)和在 間期(interphase；G1、S和G2)的 細 胞 中 染 色 體 的 材 料 染 色 質 細 胞 中 ， 染 色 體 的 材 料 染 色 質 (chromatin)是無定形並顯示可任意 在核心的特定部分中散布開來。在 間期中的S相狀態下，細胞在無定 間期中的S相狀態下 細胞在無定 形狀態中會開始複製，每條染色體 會產生兩個在複製完成後仍彼此保 (姊妹染色分體) 會產生兩個在複製完成後仍彼此保 持 聯 合 的 姊 妹 染 色 體 〔 稱 為 (著絲點) ( )(sister chromatids)〕 (著絲點) chromatids)〕
在有絲分裂(Mitosis)的前期(prophase)期間，染色體會變
在有絲分裂(Mitosis)的前期(prophase)期間，染色體會變
得更濃縮，且隨物種的特性而以具有特定姊妹染色分體數
目的形式存在。
(著絲點) (著絲點) 染色質由含有大約相等質量的蛋白質和DNA的纖維及少量的RNA所組成。染 色質的DNA是非常緊密地和稱為( )(histones)的蛋白質結合；組 蛋 白 會 將 DNA 堆 疊 並 且 使 DNA 有 次 序 的 進 入 所 謂 的 ( )(nucleosomes)的結構單位中。 在染色質中也發現許多非組蛋白的蛋白質，它們會幫忙維持染色體的結構， 有的蛋白質則會調控特定基因的表現。組蛋白(Histones)
組 蛋 白 (histones) 真 核 生 物 體 細 胞 染 色 質 中 的 鹼 性 蛋 白 質 ， 含 ( )(Arginine)和( )(Lysine)等鹼性胺基酸特別多，二 ( )(Arginine)和( )(Lysine)等鹼性胺基酸特別多，二 者加起來約為所有胺基酸殘基的1/4。組蛋白與帶負電荷的雙螺旋 DNA結合成DNA-組蛋白複合物。因胺基酸成分和分子量不同，主要 分成5類。組蛋白是真核生物染色體的基本結構蛋白,是一類小分子鹼 性蛋白質,有五種類型：H1、H2A、H2B、H3、H4，它們富含帶正電 荷的鹼性胺基酸 能夠同DNA中帶負電荷的磷酸基團相互作用。 荷的鹼性胺基酸,能夠同DNA中帶負電荷的磷酸基團相互作用。
由核小體開始，真核細胞的染色體DNA會堆疊成為一連串
較高層次的結構 最終產生緊密的染色體 此可由光學顯
較高層次的結構，最終產生緊密的染色體，此可由光學顯
微鏡看到。
The repeating units of nucleosome resemble nucleosome resemble “beads on a string”.
核小體是染色質的基本組成單位
(Nucleosomes Are the Fundamental Organizational Units of Chromatin) (Nucleosomes Are the Fundamental Organizational Units of Chromatin)
