去氧核醣核酸(DNA)的結構與功能2013年10月20日

 

 

 

去氧核醣核酸(DNA)的結構與功能2013年10月20日

圖0. 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： 氮鹽基(Nitrogen Base)+去氧核糖(or去氧五碳糖Deoxyribose) +磷酸根(Phosphate group)   圖1. 核苷酸(Nucleotide)的結構由： (1.)  Phosphate group＝磷酸根 (1.)    Pentose sugar＝五碳糖 (2.)    Nitrogenous base＝氮鹽基共同組成。       Nucleotide─核苷酸，包含三部份。       Nucleoside─核苷，包含氮鹽基 & 五碳糖兩部份。 圖片來源：http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch05/nucleotide.html 3.  氮鹽基共有四種：鳥糞嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)。 4.  DNA的四種氮鹽基比例具有規律性， 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： 核    酸 去氧核糖核酸(DNA) 核糖核酸(RNA) 五 碳 糖 去氧核糖(deoxyribose) 核糖(ribose) 氮 鹽 基 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 dATP、dTTP、dCTP、dGTP ATP、UTP、CTP、GTP 結    構 雙股螺旋(double helix) 單股直線 功    能 轉錄形成各種RNA 轉譯形成蛋白質 分    佈 染色體、粒線體、葉綠體 （主要分佈於細胞核） 核糖體、核仁 （主要分佈於細胞質） 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)於1952年拍攝的DNAX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， 使得另2位學者Francis Crick及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。 圖2. 羅莎琳·愛爾西·富蘭克林（Rosalind Elsie Franklin）。 2.  DNA是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)指A與T配對；G與C配對。    (4.)螺旋體(Double- helix) 3. 雙股是指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：dATP、dTTP、dGTP、dCTP    最前方小寫的d是指五碳糖的第二個碳少一個氧。 (參考圖.3 ) 圖3.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(Deoxyrubose)的不同。 5.核苷酸的連接方式，是以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相連→形成骨架(backbone)。     圖3.5 磷酸雙脂鍵(Phosphodiester bond)。 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鹽基相配對，並以氫鍵(Hydrogen Bond)相連，以穩定DNA：   A=T(彼此間形成雙氫鍵)、C≡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，氮鹽基之間才能形成氫鍵(H-bond)。 圖4. 二股核苷酸鏈間以氮鹽基相配對，並以氫鍵(Hydrogen Bonds)相連，以穩定DNA。 8. 雙股的直徑是20Å(＝2nm)，旋轉一圈含10對氮鹽基對的長度是34 Å(＝    3.4nm)，上下氮鹽基對的距離為3.4Å(＝0.34nm)。 圖5. DNA分子結構的模型：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)的構造是由氮鹽基以氫鍵結合形成，氮鹽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)。 A跟T配對(A＝T)；G跟C配對(G≡C)。 圖6. 氮鹽基以A與T配對(A＝T)；G與C配對(G≡C)。 DNA的功能： 1. 攜帶遺傳訊息(有些DNA上具有基因(genes))： 圖7.人類的DNA約3％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。 圖8. 基因組(genome)─一個個體所有基因對(人約為DNA的3％)＋      其它不含基因的核苷酸對(人約為DNA的97％)之總和稱為基因組(genome)。 圖9. 由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)，染色質長度縮短了7,000～10,000倍； 寬度增加了約800倍。     (1)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。   染色體(chromosome)如比喻為毛線球，染色質(chromatin)就像抽出的毛線絲。 圖10. 由DNA(染色質)濃縮成染色體，長度縮短了約7,000～10,000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。 Nucleosomes─核小體 Double helix─雙螺旋 (2)人類身體細胞核裡有23對染色體，第1至22對稱為體染色體，    第23對是性染色體。每一條染色體是由一條DNA加組織蛋白等所濃縮組成。 (3)人體的23對染色體上約有三萬對基因。 (自從2003年4月人類基因組計畫完成後，此數目一直被往下修正， 有些最新的論文甚至認為人類基因的對數不到三萬對。) 2. 能複製(replication)：
DNA的複製為半保留模式：親代的二股先分開，以每一母股當作鑄模，分別合成一新的互補子股。   圖11. DNA的複製圖。 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。 圖12. DNA損傷的原因。 圖13. 紫外線(UV)照射→形成胸腺嘧啶雙體(T-T dimer)。
圖14. DNA修補機制之一─p53 路徑(p53 pathway): In a normal cell p53 is inactivated by its negative regulator, mdm2. Upon DNA damage or other stresses, various pathways will lead to the dissociation of the p53 and mdm2 complex. Once activated, p53 will induce a cell cycle 1. arrest to allow either repair and survival of the cell 2. apoptosis(細胞程式性死亡) to discard the damaged cell. How p53 makes this choice is currently unknown