Make your own free website on Tripod.com

第二章 細胞

核苷酸和核酸

一、 引言

?        核酸存在於所有細胞和生物體內,包括細菌和病毒。

?        核酸由核苷酸構成,生物體內有不同分子含有核苷酸,例子包括:

i.            單核苷酸:腺苷三磷酸

ii.          雙核苷酸:菸醯胺腺嘌呤雙核苷酸菸醯胺腺嘌呤雙核苷酸磷酸

iii.         多核苷酸:脫氧核糖核酸核糖核酸

 

二、 核酸的構造

2.1  核苷酸(nucleotide

?        核酸是複雜的長鏈分子,由稱為核苷酸的單元構成。每個核苷酸由三部分以縮合作用連結而成:

1.      戊糖:核糖(C5H10O5)或脫氧核糖(C5H10O4);兩者相異在於脫氧核糖其中一個羥基被氫原子取代。

   2.      磷酸

3.      有機鹼:有5種不同的鹼基,分為兩類:

?        嘧啶pyrimidine):有六邊的單環,包括胞嘧啶cytosine)、胸腺嘧啶thymine)、尿嘧啶uracil

?        嘌呤purine):有六邊環和五邊環構成的雙環化合物,包括腺嘌呤adenine)和鳥嘌呤guanine

?        單核苷酸的例子:腺苷三磷酸ATP, adenosine triphosphate)。它包含一個腺嘌呤聯結到戊糖而形成的核苷,戊糖再帶有三個磷酸基連成串。ATP是一個富能分子,是一切活細胞能量來源。當第三個磷酸基被水解而轉化成腺苷二磷酸(ADP)和磷酸鹽,或水解形成腺苷一磷酸(AMP)和焦磷酸(PPi)時,都會釋放出大量能量(ATP轉化為ADP時釋放30.6 kJ mol-1能量)。

 

2.2   核苷酸(Dinucleotides)和多核苷酸(Polynucleotides

?        兩個核苷酸能透過縮合作用連結而形成雙核苷酸。過程中核苷酸糖基第三碳原子的羥基和磷酸基會結合形成磷酸二酯鍵phosphodiester bond),產生水分子。

?        雙核苷酸的例子:

i.      菸醯胺腺嘌呤雙核苷酸NAD):參與於呼吸作用中的輔酶co-enzyme),見於一切活細胞。當脫氫酶(dehydrogenase)進行脫氫作用期間,NAD作為一個氫受體化合物以接收來自受質的氫原子,被還原成NADH (+ H+)

ii.      菸醯胺腺嘌呤雙核苷酸磷酸NADP):由NAD與一個額外磷酸基結合而成,參與於光合作用中的輔酶,亦見於一切活細胞。在合成途徑中被還原成NADPH (+ H+)

?        核苷酸進行重複的縮合作用會產生長鏈的多核苷酸。多核苷酸的例子:脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。脫氧核糖核酸只存在於細胞核內而核糖核酸則細胞核內形成,主要存在於細胞質。

?        多核苷酸的基本骨幹是磷酸基和糖基的重複單位,以磷酸二酯鍵聯結,鹼基則向糖基的一旁伸延。

?        磷酸二酯鍵是很強的共價鍵,增強了多核苷酸鏈的穩定性和強度。這特性有助DNA再複雜的過程中不易折斷。

 

2.3  脫氧核糖核酸(DNA

?        DNA是核苷酸的雙股聚合物(由兩條多核苷酸相互扭曲)。兩條多核苷酸是以相反方向排列,形成雙螺旋結構。

?        鹼基以氫鍵相互吸引,排列於雙螺旋的中心。雙鏈之間維持固定的寬度(三個環的寬度),顯示每個嘧啶均與一個嘌呤連結。

?        DNA內只有腺嘌呤(adenine)和鳥嘌呤(guanine)、胞嘧啶(cytosine)、胸腺嘧啶(thymine),並沒有尿嘧啶。腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)配對,鳥嘌呤(G)與胞嘧啶(C)配對

 

2.3.1      華生-克里格模型(Watson-Crick model

?        1953年華生和克里格闡明了DNA的詳細構造(華生-克里格模型)。

?        DNAX射線衍射圖顯示雙螺旋DNA的直徑大概是2 nm,而每個捲繞循環有10個鹼基對,每個鹼基對的距力是0.34 nm

?        雙鏈由嘧啶和嘌呤之間的有機鹼對聯繫,兩者以較弱的氫鍵相連。A:T=1:1, C:G=1:1,物種之間A:C的比例有所不同,但同一種生物的細胞之間則相同。所以腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)配對形成兩個氫鍵,鳥嘌呤(G)與胞嘧啶(C)配對形成三個氫鍵。

?        多核苷酸的骨幹是以脫氧核糖3’碳原子和5’碳原子之間形成化學鍵(磷酸二酯鍵)形成。雙鏈是反向平行的。

 

2.3.2       DNA和染色體

?        當進行細胞分裂,細胞核內的DNA會重組形成清晰可見的構造,稱為染色體。

?        DNA會被一些蛋白質依附,形成DNA-蛋白質複合物。

 

2.3.3       DNA的功用

?        DNA的鹼基對序列成為生物的遺傳密碼,提供資料以控制細胞的所有活動。

?        DNA互補特性complementary DNA)容許DNA能準確地進行複製,使後代能獲得相同和準確的遺傳訊息。

 

2.4  核糖核酸(RNA

?        RNA在結構上與DNA相似,但有以下不同之處:

                 i.          在真核細胞內RNA是單鏈的,而DNA是雙鏈的;

               ii.          RNA內的戊糖是核糖,DNA是脫氧核糖;

              iii.          RNA內以尿嘧啶(uracil)代替胸腺嘧啶(thymine)。

?        RNA有三類:

       i.          mRNA信使RNA/ 信使核糖核酸):單股螺旋分子

     ii.          tRNA轉移RNA/ 轉移核糖核酸):單股細小分子,苜蓿葉狀,重疊部分成為螺旋狀;末端形成反密碼子(anticodon)。

    iii.          rRNA核糖體RNA):單鏈扭曲形成巨大而複雜分子,在細胞核內製造,在細胞質內與蛋白質結合形成核糖體ribosome)。

?        比較DNARNA的分別:

RNA

DNA

分子質量小

分子質量大

單鏈多核苷酸

雙鏈多核苷酸

單螺旋體或雙螺旋體

雙螺旋體

戊糖是核糖

戊糖是脫氧核糖

鹼基中含尿嘧啶,沒有胸腺嘧啶

鹼基中含胸腺嘧啶,沒有尿嘧啶

A:UC:G比例不均

A:T = C:G = 1

細胞核內製造,分佈於整個細胞內

分佈於細胞核內

視乎代謝率所有細胞有不同數量

同一物種所有細胞有固定數量

三種類型:mRNA, tRNA, rRNA

一種類型

 

三、 DNA的複製

?        作為遺傳物質,DNA必須能準確地複製。DNA複製在間期內進行。

?        在細胞核內有DNA複製所需的原料:

                 i.          核苷酸(帶A, T, C, G鹼基)

               ii.          ATP(作為能量來源以形成化學鍵)

              iii.          DNA聚合酶DNA polymerase):催化DNA複製的酶

?        DNA聚合酶分解雙螺旋DNA間的氫鍵,把兩股分開。

?        每單股DNA成為一個模板(template)。

?        核苷酸被吸引到互補的鹼基上(A配對TC配對G)。

?        新排列的核苷酸的糖基和磷酸之間連結,形成另一條互補的DNA

?        當所有核苷酸連結在一起,形成完整的多核苷酸,並產生兩條相同的DNA。每條均保留了一半原來DNA的材料。

?        這種複製法稱為半保留複製法semi-conservative replication)。(參考斯特爾的實驗Stahl’s experiment

?       DNA複製在間期內進行。當進入前期,染色體會進行複製,每股DNA會分開形成染色單體。

 

四、 蛋白質的合成(Protein Synthesis

?        DNA透過指引細胞產生特定類別的蛋白質以控制細胞內的活動。

?        DNA上鹼基的排序決定了所產生的多 的氨基酸排序。

?        由於是蛋白質,而所有代謝作用都是靠去協調,所以DNA間接控制了細胞的所有代謝活動。簡單而言:

DNA ® 蛋白質的合成() ® 進行生化反應 ® 細胞的代謝活動

?        蛋白質的合成包括三個步驟:

1.      轉錄作用transcription

2.      活化作用activation

3.      轉譯作用translation

 

4.1  轉錄作用

?        定義:遵從鹼基配對原則,藉RNA聚合RNA polymerase)的催化,由核苷酸複印任何一段DNA鏈,以產生一條互補的信使RNA分子。

?        目標:把遺傳信息從細胞核傳送至細胞質:

?        DNA局限於細胞核的染色體內,而蛋白質是於細胞質內的,所以要把DNA上的密碼複製到另一個分子上(信使RNA),讓這個mRNA離開細胞核到細胞質的核糖體,以進行蛋白質的合成。

?        信使RNA的形成過程(轉錄作用):

i.            只有一小段的DNA分子(順反子cistron基因gene)會用於產生一條多 ;

ii.          順反子的DNA雙螺旋鹼基之間的氫鍵斷裂;

iii.         其中一股的DNA成為模板以製成mRNA。當鹼基暴露出來,會各自吸引互補的RNA核苷酸(A-UC-G)。

iv.            RNA聚合沿DNA移動,在鬆開的順反子上加上一個互補的RNA核苷酸而形成一條互補的RNA鏈。(mRNA鏈上的鹼基排序基本上與非順反子一樣,除了U替代了T

v.          RNA聚合離開的DNA區段會回復雙螺旋狀。

vi.         mRNA轉錄完成,它會沿核孔離開細胞核,進入細胞質,並依附在核糖體表面上。

 

4.2  活化作用

?        DNA轉錄到mRNA的遺傳密碼是一個三聯體密碼序列(triplet code)。也就是說,mRNA上的鹼基序是以每連續三個作為一個密碼子codon),每個獨特的密碼子會轉譯為一種氨基酸。(參筆記4.4遺傳密碼)

?        密碼子是通用的(所有生物都用完全一樣的密碼子)。

?        密碼子是非重疊的,每個密碼子都分開讀,不會有鹼基被重複讀取。

?        轉移RNAtRNA)就是把氨基酸與信使RNA連結的中介,tRNA的底部有反密碼子anticodon)的鹼基三聯體,自由末端有CCA的鹼基三聯體。反密碼子是三個連續的鹼基,以互補mRNA上的密碼子;CCA末端則是連結氨基酸的位置。

?        由於氨基酸分子有二十種,所以tRNA都有二十種。

?        活化作用就是ATP中獲得能量,使氨基酸能與tRNA分子結合的過程。

 

4.3  轉譯作用

?        定義:由編碼於mRNA的遺傳信息指導合成特異蛋白質的過程。通過mRNA的密碼子與攜帶氨基酸的tRNA的反密碼子互補配對的原則,以mRNA為模板在核糖體上有次序地合成多 鏈。

?        核糖體的作用是支持每個密碼子和反密碼子的結合。

?        從一端的mRNA開始,tRNA-氨基酸複合物的互補密碼子被吸引到mRNA的第一個密碼子上。核糖體沿著mRNA移動以支持下一個密碼子-反密碼子複合物。

?        相鄰的氨基酸之間形成 鍵,tRNA會釋放回細胞質去結合另一個相同的氨基酸。

?        當多 完成後(到達終止密碼子),核糖體停止移動,多 鏈會脫離。

?        一條mRNA能夠與多個核糖體結合形成多核糖體polysome),所以同一時間能產生多條相同的多 。

 

4.4  遺傳密碼

?        DNA是決定製造蛋白質的密碼,現存氨基酸有20種,而相對的鹼基有四種。

1個鹼基序轉譯為一個氨基酸 ® 共可轉譯4種氨基酸(41);

2個鹼基序轉譯為一個氨基酸 ® 共可轉譯16種氨基酸(42);

3個鹼基序轉譯為一個氨基酸 ® 共可轉譯64種氨基酸(43);

?        所以要產生20種氨基酸,最少需要3個鹼基序才可以做到。

?        mRNA上能轉譯為一個特定氨基酸的三個相連鹼基序稱為一個密碼子。

?        賴寧博格(Nirenberg)設計一系列實驗後破解了所有密碼子的遺傳密碼如下:

第一鹼基

第二鹼基

第三鹼基

5’末端)

U

C

A

G

3’末端)

U

Phe

Ser

Tyr

Cys

U

 

Phe

Ser

Tyr

Cys

C

 

Leu

Ser

終止

終止

A

 

Leu

Ser

終止

Trp

G

C

Leu

Pro

His

Arg

U

 

Leu

Pro

His

Arg

C

 

Leu

Pro

GluN

Arg

A

 

Leu

Pro

GluN

Arg

G

A

Ileu

Thr

AspN

Ser

U

 

Ileu

Thr

AspN

Ser

C

 

Ileu

Thr

Lys

Arg

A

 

Ileu

Thr

Lys

Arg

G

G

Val

Ala

Asp

Gly

U

 

Val

Ala

Asp

Gly

C

 

Val

Ala

Glu

Gly

A

 

Val

Ala

Glu

Gly

G

?        每種氨基酸可以有數個密碼,數據顯示若首兩個鹼基相同,第三個鹼基是CU(嘧啶)會轉譯為同一種氨基酸;AG(嘌呤)亦有相同現象。

?        有三個鹼基序(UAA, UAG, UGA)不能配為任何氨基酸,稱為終止密碼子或無意義密碼子,轉譯工作到終止密碼子會停止。

?        DNA分子上能製造成一段多 的段落稱為基因(gene),分子生物學家稱為順反子(cistron)。

資料來源:以撒之家