2018年9月29日 星期六

去氧核醣核酸(DNA)的結構與功能 09-29-2018



去氧核醣核酸(DNA)的結構與功能

01. 去氧核醣核酸DNA的結構與功能(DNA Structure and Functions)
1.  DNA(DeoxyriboNucleic Acid)是由核苷酸聚合而成的長鏈聚合體(polymer)
2.  核苷酸(Nucleotides)由三部分所組成:
核苷酸(Nucleotides)由三個部分所組成:
氮鹼基(Nitrogenous Base)+去氧核糖(or去氧五碳糖Pentose sugar or Deoxyribose)+磷酸根(Phosphate group)
02. 核苷酸(Nucleotide)的結構由:
(1.)  磷酸根(Phosphate group)
(2.)    五碳糖(Pentose sugar)
(3.)    氮鹼基共同組成(Nitrogenous base)
      核苷酸(Nucleotide),包含以上三部份。
      核苷(Nucleoside),只包含氮鹼基 & 五碳糖兩部份而沒有磷酸根。
3.  DNA的氮鹼基共有四種:鳥糞嘌呤(G)胸腺嘧啶(T)嘌呤(A)胞嘧啶(C)
4.  DNA的四種氮鹼基比例具有規律性,
每一種生物體DNA中 [A][T][C][G] 稱為Chargaff Rule
表一、去氧核糖核酸(DNA)與核糖核酸(RNA)之比較:
   
    去氧核糖核酸(DNA)
     核糖核酸(RNA)
五 碳 糖
去氧核糖(deoxyribose)
核糖(ribose)
氮 鹼 基
 種 類
A腺嘌呤G鳥糞嘌呤
C胞嘧啶T胸腺嘧啶
A腺嘧啶G鳥糞嘌呤
C胞嘧啶U尿嘧啶
核 苷 酸
dATPdTTPdCTPdGTP
ATPUTPCTPGTP
   
雙股螺旋(double helix)
        單股直線
   
   轉錄形成各種RNA
     轉譯形成蛋白質
   
染色體、粒線體、葉綠體
(主要分佈於細胞核中)
核糖體、核仁、細胞質液
(主要分佈於細胞質中)

5. 細胞質具有DNA的胞器:粒線體DNA與葉綠體DNA(為雙股環狀)
   一般而言葉綠體DNA較粒線體DNA(mtDNA)大,含有較多的核苷酸對。
   人的粒線體中,約有210mtDNA,每組mtDNA16,569個鹼基對,其中 
   具有37對基因,可表現13種蛋白質、22種搬運RNA(tRNA)2種核糖體(rRNA)
   粒線體DNA上基因的內子(Intron)較細胞核基因少。且有些不含內子,如tRNA
   因,似原核細胞。
03. 去氧核糖核酸(DNA)與核糖核酸(RNA)之結構比較。
一、DNA的分子結構:
1. 1953年,華生(James Watson)和克立克(Francis Crick)參考羅莎琳.富蘭克林
  (Rosalind Franklin)1952年拍攝的DNA X光晶體繞射圖,建構了DNA雙股
  螺旋的三度空間構造。
Rosalind Franklin專注於 DNA、病毒、煤炭與石墨等物質結構的研究,
她所拍攝的DNA晶體繞射圖片“photo 51 及關於此物質的相關數據,是
使得克里克(Francis Crick)及華生(James Watson)能破解出 DNA 結構的關鍵線索,同時她也領導了關於「菸草鑲嵌病毒(tobacco mosaic virus)」與「小兒麻痺病毒(polio virus)」的研究。
04. 非常傑出的科學家─羅莎琳·愛爾西·富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin)。可惜英年早逝(享年38),沒有獲頒破解DNA結構方面的諾貝爾獎!
2.  DNA雙股反向平行互補螺旋體的構造。
   (1.)雙股(Double-strand)
   (2.)反向平行(Anti-Parallel)
   (3.)互補(Complementary)AT配對;GC配對。
   (4.)螺旋體(Double- helix)
3. 雙股平行是指DNA分子為二條互相平行的核苷酸鏈,
   每股是由核苷酸連接而成的長鏈作螺旋狀旋轉而成。
4. 組成DNA的核苷酸有四種:dATPdTTPdGTPdCTP
   最前方小寫的d是指五碳糖的第二個碳少一個氧的意思。 (請參考05.)
05. 左圖為腺嘌呤核苷單磷酸(AMP)之化學結構;右圖為核糖(Ribose)
與去氧核糖(2-Deoxyribose)的不同。
5.核苷酸的連接方式,是前一個核苷酸之五碳糖的第5個碳上磷酸根,
  與後一個核苷酸五碳糖上第3個碳,形成磷酸雙脂鍵(Phosphodiester Bond)相連
→形成骨架(backbone)
氮鹼基是氮、碳和氧原子所形成的環,其環上還有許多官能基。而氮鹼基之所以稱為鹼,是因為和磷酸根比,它們較為鹼性。

06. DNA骨架間以磷酸雙脂鍵(Phosphodiester bond)連結;
     氮鹼基間以氫鍵(Hydrogen bond)相連。
圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/脱氧核糖核酸


07. 骨架間以磷酸雙脂鍵(Phosphodiester bond)連結;氮鹼基間
      以氫鍵(Hydrogen bond)連結。
6.二股核苷酸長鏈的排列方向相反:一股若為5’—>3’另一股則為3’—>5’
7.二股核苷酸鏈間以氮鹼基相配對,並以氫鍵(Hydrogen Bond)相連,以穩定DNA
  A=T (腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)彼此間形成雙氫鍵)
  CG (胞嘧啶(C)與鳥糞嘌呤(G)彼此間形成三氫鍵)
  ※雙股核苷酸鏈必須為反向平行的狀態,氮鹼基之間才能形成氫鍵(H-bond)


08. 二股核苷酸鏈間以氮鹼基相配對,並以氫鍵(Hydrogen Bonds)相連
,以穩定DNA。雙股DNA以反向方式排列。
8. 雙股的直徑是20Å(2nm),旋轉一圈含10對氮鹼基對的長度是34 Å(
   3.4nm),上下氮鹼基對的距離為3.4Å(0.34nm)
09. DNA分子結構的模型:雙股的直徑是20Å(2nm),旋轉一圈含10對氮鹼基對
的長度是34 Å(3.4nm),上下氮鹼基對的距離為3.4Å(0.34nm)
外側兩股黃綠色結構是DNA的骨架(梯柱)
由磷酸根和去氧核醣以磷酸雙脂鍵組成。中間像階梯(梯及)的構造是由氮鹼基
以氫鍵結合形成,氮鹼基其英文縮寫分別是ATGC
A是腺嘌呤(Adenine)T是胸腺嘧啶(Thymine)
G是鳥糞嘌呤(Guanine) C是胞嘧啶(Cytocine)
AT配對(AT)GC配對(GC)
10. 氮鹼基以AT配對(AT)GC配對(GC)

11.  DNA的雙螺旋具有主要溝=大溝( major groove)以及次要溝=小溝(minor groove),主要溝會與基因調節蛋白結合,次要溝的功能未明。
圖片來源:https://slideplayer.com/slide/8827640/26/images/22/%EF%BC%88%EF%BC%89+DNA双螺旋结构模型要点+两条DNA单链分子反向平行环绕%EF%BC%8C右手螺旋走向%EF%BC%8C表面大沟与小沟相间。.jpg

DNA - What is DNA? - Basics of DNA
 (DNA—何謂DNA?—DNA的基本觀念)
DNA是製造生命的藍圖。(DNA is the instruction manual for how to build life.)  135秒的短片給初學者一個全貌的概念!
Dominant gene 顯性基因(能表現出性狀的基因)
Recessive gene隱性基因(不能表現出性狀的基因)



DNA 的結構 (中文字幕)
麻省理工學院(MIT)生命科學老師製作的短片!
大概在象牙塔待久了,有一些概念我們普羅大眾並不需要,所以還是選此短片,因為它是少數附有中譯的優質短片!
550秒很詳細的說明了DNA的結構。
短片最後提到大溝=主要溝,小溝=次要溝的存在及功能!


二、DNA的功能:
1. 攜帶遺傳訊息(部分DNA上具有基因(genes))
2. 能複製(replication)
3. 能修補(repair)
4. DNA指紋分析(DNA Fingerprinting)DNA的人為功能。
1. 攜帶遺傳訊息(部分DNA上具有基因(genes))
a.          人體大約由1015個細胞組成。
b.          每個細胞核中有23對染色體
          (哺乳類成熟的紅血球及血小板無細胞核,所以細胞中無染色體為例外)
c.          23對染色體上約有2.02.5萬對基因。
d.          DNA的總長約2公尺。
e.          DNA由共約30億個(3.0×109 )核苷酸配對組成,氮鹼基外面的骨架是由
          磷酸根及五碳醣(去氧核醣)以磷酸雙脂鍵相連;腺嘌呤(Adenine)胸腺嘧啶
          (Thymine)以及鳥糞嘌呤(Guanine)胞嘧啶(Cytosine)間是以氫鍵相聯。
f.           雖然分子生物學比起二、三十年前已有長足的進步,但是對於2.02.5
      萬對基因在生長發育過程或新陳代謝過程中,如何受到調控?
          對絕大多數的基因對而言,
          仍然是處於「知其然,而不知其所以然」的階段!!
g.          基因組(Genome)的定義:一種生物體所有遺傳物質的總和。
          人類就是指3.0×109的核苷酸對(bp),其中只有大約3%的核苷酸對(bp)
          含有基因。(bpbase pair,鹼基對的縮寫)
h.          人類23對染色體上的DNA,含有約2.02.5萬對的基因,
          這些基因受到精準的機制調控,於適當的發育時期表現出適當的蛋白質,
          來影響胚胎的發育,器官成熟,組織細胞的替換修補,新陳代謝。
i.            人的一生,如何在適當的時期表現適當的基因?
         試舉知其然,而不知其所以然的實例:
         胚期(embryonic stage1 week8 week)基因表現胚的血紅素球蛋白;
         胎期(fetal stage 9 week42 week) 基因表現胎的血紅素球蛋白;
         出生後至成年期,基因表現成年期的血紅素球蛋白。
         這可能是生命科學中最引人入勝的話題之一,只是許許多多的專家
         研究了長達半個世紀之久,許多的環節仍在努力當中!
12.  胚期(embryonic stage 1W8W)紅血球中血紅素球蛋白是α2ε2
        胎期(fetal stage 9W42W)紅血球中血紅素球蛋白是α2γ2
        出生之後(postnatal) 紅血球中血紅素球蛋白轉換成α2β2或α2δ2
        此為不同的球蛋白基因分別於不同時期表現(expression)然後又關閉
        的示意圖。

※α2ε2的胚血紅素或α2γ2的胎血紅素,對O2的親和力均大於α2β2或α2δ2成體血紅素,使得胚胎在子宮內能因此而獲得較多的O2

     在胚發育過程,ε基因為何最先開啟,八周後又逐漸關閉?
     在胎發育過程,為何γ基因接著開啟,42周後又逐漸關閉?…
     不同發育時期,這些基因表現(gene expression)如何受到調控的問題,
     至今沒有分子生物學家完全知曉!


13. 人類的DNA3%具有基因(genes)
DNA於細胞週期的不同時期,分別以染色質或染色體的形式存在。
※而基因(genes)只有在染色質(chromatin)形式時才能表現。
j. 染色體(chromosome)近中央具有中央節(centromere)
  是真核染色體緊密收縮處,在有絲分裂或減數分裂時,參與染色體的移動。
  中央節是紡錘絲與染色體的接觸點,紡錘絲收縮,使染色體向兩極移動。
  人類的中央節區包含一段約170鹼基對重複序列,稱為α衛星 (alpha satellite)
  隨染色體不同,重複次數約5,000-15,000次。
染色體(chromosome)兩端具有端粒(telomere)
k.端粒的特性:
 1具一小段端粒DNA5-8 bases 前後重複多次。
 2端粒DNA 序列及重複次數隨生物種類不同而不同。
 哺乳類及人類為 5’‘TTAGGG3’,重複250-1000、四膜藻(Tetrahymena) 
  5'TTGGGG3‘
 果蠅端粒內含轉移子( transposable element)

14. 染色體兩端的端粒(telomere)長度隨著每次細胞分裂而縮短,
當細胞有絲分裂7080次之後,端粒縮短到一定長度,細胞便無法
繼續分裂而凋亡(Apoptosis)
圖片來源:http://huihui12.pixnet.net/blog/post/75415038-端粒長度對心血管
疾病的影響

端粒可保護染色體端點,防止染色體被外切酶(exonuclease)切割,
 並輔助染色體端點DNA的複製。

15. 人類的基因組(The Human Genome)一個個體所有基因對(人約為DNA3)
     其它不含基因的核苷酸對(人約為DNA97)之總和稱為基因組(genome)


16. DNA濃縮成染色質(chromatin)再濃縮成染色體(chromosome)
濃縮的過程由圖(a)核小體(Nucleosomes)
→圖(b)染色質纖維(Chromatin fiber)
→圖(c)真染色質和異染色質(Euchromatin & heterochromatin)
→圖(d)染色體(chromosome),由染色質→染色體,
染色質長度縮短了7,00010,000倍;寬度增加了約800

染色體(chromosome)如比喻為毛線球,
染色質(chromatin)就像抽出的毛線絲。
17. DNA(染色質)濃縮成染色體,長度縮短了約7,00010,000倍;
寬度增加了約800倍。可以想像必定是非常耗能量,而且牽涉到多種濃縮的機制。
Chromosome─染色體
Chromatin fiber─染色質纖維
Nucleosomes─核小體
Double helix─雙螺旋

l. 人類身體細胞核裡有23對染色體,第122對稱為體染色體,
   23對是性染色體。每一條染色體是由一條DNA加組織蛋白(Histones)
所濃縮組成。
m. 人體的23對染色體上約有2.02.5萬對基因。

Gene Expression   (基因表現)
宏觀的由水溶性的激素、神經傳導物質、生長因子等,與細胞膜上的接受器
結合談起…簡明扼要的將某些基因受此影響,表現新的蛋白質…,最後胞泌
離開細胞的過程全部提及!


Protein Synthesis (Translation, Transcription Process)
(蛋白質合成(轉譯,轉錄的過程)
5分鐘的短片非常詳細的以卡通圖的方式,表達了何謂基因表現(Gene Expression)
再配上適當的古典音樂,真是別具匠心!


 2. 能複製(replication)


18. DNA的半保留式複製圖。
真核細胞的DNA以每秒約50個核苷酸的速度複製,
而細菌每秒複製約500個核苷酸。
3. 能修補(repair)
例如DNA的一股如因紫外線(UV)照射而形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)
則可啟動細胞核中的修補機制(e.g.p53 system)
利用完好的一股做模板進行修補。
19. DNA損傷(DNA Damage)的原因。
DNA損傷之原因:
1. DNA分子自發性的損傷
   鹼基複製配對錯誤的頻率約為百分之一到千分之一的機率。
2. 物理因素引起的DNA損傷
   (1.) 紫外線(UV)或放射線照射→形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)
3. 化學因素引起的DNA損傷
   (1.) DNA去嘌呤化(depurination)或去胺基化(deamination)
   (2.) 自由基(free radicals)

What happens when your DNA is damaged? - Monica Menesini
(當你的DNA損傷時有些甚麼事情會發生?)
TED的影片,網友至YOUTUBE點閱,有21中翻譯可選擇,包括中文(台灣)在內。


20. DNA因為去嘌呤化(depurination)或去胺基化(deamination)
      而導致損傷。
21. 紫外線(UV)照射→形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)

22. 紫外線(UV)照射→形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)的詳細圖。
DNA損傷後,細胞會做判斷:
DNA如果能夠修補即啟動DNA修補機制。
DNA如不能修補即進行細胞程式性死亡(Apoptosis)
23. DNA修補機制之一─p53 路徑(p53 pathway)
在正常的細胞核中,p53活性被mdm2調節蛋白抑制。
DNA損傷(DNA damage)、缺氧(Hypoxia)或細胞獲得的養分不足等壓力因素下,
mdm2調節蛋白與p53分開,p53 會誘導兩種可能:
1.  DNA如果能修補→細胞週期(=細胞分裂)停止→DNA修復
  →細胞週期重新開始。
2.  DNA如果不能修補apoptosis(細胞程式性死亡or 細胞凋亡)
  丟棄損傷的細胞。

p53蛋白質要到DNA損傷到何種程度,會傾向於做那一種選擇的機制,目前仍未知曉?
(How p53 makes this choice is currently unknown)



24. 細胞週期(cell cycle)的檢查點(checking point)
細胞週期G1期限制點(Restriction point)的設置,主要在檢查DNA損傷
(DNA Damage)後能否修補。
是母細胞能否分裂為二個子細胞,很重要的一項考量。

25. p53蛋白質就好像細胞核的「警報系統」或基因組的保護者
(The Guardian of Genome),當收到a.g.各種訊號後:
a.   氧化壓力  b. 營養缺乏  c. 細胞缺氧  d. DNA損傷  e. 致癌基因表現
f.    核醣體異常  g. 端粒消耗  都可以使p53基因表現,形成p53蛋白質。
而作出細胞凋亡(Apoptosis)、細胞老化(Senescence)、血管新生(Angiogenesis)
細胞週期停止(cell-cycle arrest)DNA 修補(DNA repair)等反應。



※許多癌症的發生,即在於p53蛋白修補DNA的功能異常所致。



4. DNA指紋分析(DNA Fingerprinting)DNA的人為功能。

a.          刑事鑑定可利用犯罪現場遺留的血液、精液、皮膚、唾液或毛髮中的DNA,來辨識可能的加害人。此過程稱為DNA指紋分析,又稱為遺傳指紋分析Genetic fingerprinting)。

b.          此測定法於1984年由英國遺傳學家Alec Jeffreys發展出來的。

c.          測定的原理:限制片段長度多型性(Restriction Polymorphism)

d.          1988年英國的謀殺案嫌犯Colin Pitchfork成為第一位因去氧核糖核酸特徵測定證據而遭定罪者。

e.          去氧核糖核酸指紋分析也可用來辨識重大災害中的罹難者。


26. DNA指紋分析法(DNA Fingerprinting)



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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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