第十三章 主宰生命奧秘的分子

13-3 從基因到蛋白質的合成密碼子與胺基酸蛋白質之合成與修飾

蛋白質的合成

1960 年代中期，美國 科學家霍利 、柯阮納及奈倫伯格等解讀出遺傳密碼，獲得 1968 年的諾貝爾生理醫學獎

mRNA轉譯

轉錄 蛋白質DNA

DNA 的轉錄 : in 細胞核

GAT C C C G T A C T T C T G

DNA 3’ 5’

A U G G G C A U G A A G A C C

RNA 聚合酶3’5’RNA

A T G G G C A T G A A G A C C

3’5’

模板股

非模板股 ( 編碼股 )DNA

原料 : RNA 聚合酶 , NTP(ATP, UTP, GTP, CTP)

每個基因，只有其中一股的 DNA會被轉錄 !!

一條 DNA有多個基因，轉錄時可能由不同股 DNA轉錄而來

轉錄後修飾： mRNA的修飾( 在細胞核中 )

構造修飾

前端： 5' 帽（ G-P-P-P）： 5’cap

後端： 3‘ 多腺嘌呤尾 : 3’polyA

mRNA剪接：將內插子切除

RNA的修飾

初合成 mRNA的修飾

mRNA 修飾：加上 5‘ 端帽及在 3’ 端加上多腺嘌呤尾。

在 5' 端被加了 5' 端 帽，而在 3' 端被加了多腺嘌呤尾， 5' 端帽及RNA 的前導段，並不轉譯成胺基酸，其功能在提供核糖體附於此的訊息。多腺嘌呤尾可能是 mRNA分子離開細胞核所必需，它並非直接接於終止密碼子，而是接在 mRNA 上不發生轉譯的密碼子之後。

mRNA剪接：將內插子切除

蛋白質之合成根據 mRNA 的密碼子進行轉譯參與轉譯的分子：

mRNA— 攜帶密碼子tRNA( 轉送 RNA)— 攜帶反密碼子、攜帶胺基酸核糖體

由蛋白質與 rRNA ( 核糖體 RNA) 構成可分成大次單元與小次單元其上有三個功能區位： A 、 P 、 E (Aminoacyl site 、 Peptidy site 、 Exit site)

遺傳的密碼mRNA 上三個連續的核苷酸為一組密碼子，對應特定胺基酸

但構成蛋白質的胺基酸僅 20 種 一種胺基酸有二種以上的遺傳密碼如： CAC 、 CAU 均對應組胺酸 (His) ，為同義碼

AUG→ 起始碼，對應甲硫胺酸 (Met) UAA 、 UGA 、 UAG → 終止碼，不對應任何胺基酸

4 4 4 共 64 組

遺傳密碼表

真正有意義的密碼子共有幾組 ?

蛋白質之合成根據 mRNA 的密碼子進行轉譯參與轉譯的分子：

mRNA— 攜帶密碼子tRNA( 轉送 RNA)— 攜帶反密碼子、胺基酸核糖體

由蛋白質與 rRNA( 核糖體 RNA) 構成可分成大次單元與小次單元其上有三個功能區位： A 、 P 、 E

(Aminoacyl site 、 Peptidy site 、 Exit site)

tRNA 結構圖

mRNA 5’ 3’密碼子

G C C

反密碼子C G G

AC

C3’5’

胺基酸

請查表，該 tRNA應該是攜帶哪一種胺基

酸 ?

Ala

參與轉譯的分子

UAC

5’3’

胺基酸

5’ 3’AUG CGA UUC UGG GCG ACC UAA

tRNA

mRNA

核糖體

反密碼子

密碼子

P AE

P AE

START

tRNA大次單元

小次單元

轉 譯

5’ 3’AUG CGA UUC UGG GCG ACC UAA

mRNA 密碼子START

UAC

Met

GCU

Arg

AAG

Phe

ACC

Trp

CGC

Ala

UGG

ThrAAG

Phe

CGC

Ala

UGG

Thr

釋放因子

釋放因子

釋放因子

釋放因子

STOP

ACC

Trp

UAC

Met

肽鏈tRNA

反密碼子

mRNA 的轉譯過程

進入 A 位

形成肽鍵

位移

蛋白質合成的場所內質網上的核糖體

分泌性蛋白膜蛋白

游離於細胞質中的核糖體細胞質內蛋白部分胞器 ( 粒線體、葉綠體 ) 所需之蛋白質

蛋白質的合成與運送途徑mRNA

核糖體

新合成之蛋白質前段

粗糙型內質網 細胞膜

修飾中之蛋白

質

寡醣側鏈溶體

膜蛋白

分泌性蛋

白

高基氏體

多核糖體同一條 mRNA 上有許多核糖體依序進行轉譯形成『多核糖體』

蛋白質如何被修飾？

1. 蛋白質的修飾：新合成的蛋白質須經修飾才有生理功能

2.修飾的方法：(1) 切除無效的多肽鏈，例如

新合成的胰島素（ 86 個胺基酸）

具活性的胰島素

鏈（ 21 個胺基酸）

鏈（ 30 個胺基酸）

雙硫鍵

水解酶

蛋白質的合成與修飾

蛋白質如何被修飾？

(2) 與金屬元素結合，例如：　需要金屬元素作為輔助因

子　 A. 碳酸酐酶：鋅　 B. 尿素酶　：鎳　 C. 細胞氧化酶：銅　需要金屬元素作為成分　血紅素：鐵

蛋白質如何被修飾？

　　　(3)多肽鏈自動摺疊成有功能蛋白質

(4)蛋白質加上醣類、脂質、磷酸根

(5)某些酵素會被切割成兩段或多段

原核與真核生物轉錄及轉譯的比較

原核生物 真核生物

原核與真核生物 mRNA的比較

基 因 的 表 基 因 的 表 現 現

細胞分化＝細胞基因表現不同

原核生物基因表現

真核生物基因表現

原核生物基因表現基因操縱組

構造基因：可轉錄轉譯出蛋白質的基因啟動子：供 RNA聚合酶附著之一小段 DNA操作子：構造基因轉錄之開關， 抑制蛋白可與操作子結合調節基因：可轉錄轉譯出抑制蛋白

大腸桿菌的乳糖操縱組

DNA5’ 3’

調節基因 啟動子操作子 構造基因

lacI P O lacYlacZ lacA

X系統關閉 (OFF)

無乳糖存在下 ~

抑制子( 可與操作子結合 )

RNA聚合酶

大腸桿菌的乳糖操縱組

DNA5’ 3’

調節基因 啟動子操作子 構造基因

lacI P O lacYlacZ lacA

有乳糖存在下 ~

抑制蛋白

乳糖

Z Y A

進行乳糖吸收及代謝RNA聚合酶

沒乳

糖

有乳

糖

大腸桿菌的色胺酸操縱組

DNA5’ 3’

調節基因 啟動子 操作子 構造基因

trpI O trpCtrpE trpA

無色胺酸存在下 ~

抑制子

trpD trpB

E D C B A

進行色胺酸合成

P

RNA聚合酶

大腸桿菌的色胺酸操縱組

DNA5’ 3’

調節基因 啟動子 操作子 構造基因

trpI O trpCtrpE trpA

有色胺酸存在下 ~

抑制子

色胺酸 ( 協同抑制子 )

trpD trpB

X系統關閉 (OFF)

P

RNA聚合酶

大腸桿菌的色胺酸操縱組

無色胺

酸

有色胺

酸

真核生物缺乏操縱組的調節

真核生物基因表現的調節分為四個階段：

(1)轉錄階段的調節 染色體膨鬆 脂溶性類固醇激素引發轉錄作用

真核生物基因表現

染色體膨鬆

真核生物的基因表現調節

激素、神經傳遞物質等

真核生物基因表現的調節分為四個階段：

(2)轉錄後階段的調節 -　　　在細胞核進行 mRNA的修飾

切除非編碼序列（內含子） 5帽（ 5加 G-P-P-P） 3添加多個A　(AAAAAAAAAAA…)

真核生物基因表現

真核生物基因表現的調節分為四個階段：(3)轉譯階段的調節

mRNA通常只有三小時壽命蛋白質合成完成後， mRNA便被分解

真核生物基因表現

真核生物基因表現的調節分為四個階段：(4)轉譯後階段的調節

• 新形成的分泌蛋白質具有一段訊息肽，必須切除訊息肽才能分泌至細胞外

• 蛋白質的修飾 ( 先前提過 )

真核生物基因表現

遺 傳 工 遺 傳 工 程程

應 用 範 圍

基因重組操作過程

基因放大技術(PCR)

基 因 轉 殖

載體載體的特色

能攜帶外源 DNA進入合適宿主的物質分子量小的 DNA可自行大量複製需有基因插入點帶有標誌基因

常見的有細菌的質體→感染細菌噬菌體→感染細菌農桿菌的質體 (Ti 質體 )→ 感染植物細胞

病毒→感染真核細胞

限制性核酸內切酶能辨識特殊 DNA 序列並將之切割的酵素

第一個被發現的限制酶— EcoR I5’-GAATTC-3’

3’-CTTAAG-5’

AATTC-3’

G-5’3’-CTTAA

5’-G

5’-GAATTC-3’

3’-CTTAAG-5’

AATTC-3’

G-5’3’-CTTAA

5’-G

限制酶切割

接合質體與目標基因

重組 DNA 送入宿主細胞

篩選含目標蛋

白的菌落

大量培養並純化目標蛋白

目標基

因分離質體

轉形細胞可生長於 含抗生素的培養基

基因放大技術(PCR)材料： DNA鑄模、 DNA聚合酶、一對引子、

四種核苷酸 (dATP,dTTP,dCTP,dGTP)

步驟：1.加熱至 90 -95℃ ℃: 分離雙股 DNA

2.冷卻至 50 -60℃ ℃: 使引子與單股 DNA結合3.加熱至 72℃:DNA聚合酶由引子處開始複製4.重複以上循環 20-30次

重覆上述步驟 n 次， DNA的量變為原來的 2n倍

22 23

1.加熱至 90 -95 :℃ ℃ 分離雙股 DNA2.冷卻至 50 -60 :℃ ℃ 使引子與單股 DNA結合3.加熱至 72 :DNA℃ 聚合酶由引子處開始複製

基因擴增 -- 聚合酶連鎖反應 (PCR)聚合酶連鎖反應三步驟：

1. 加 熱 (95 )℃

2.引子黏合 (50~60 )℃

3. 延 長 (72 )℃

5’ 3’5’3’

5’ 3’

5’3’

5’ 3’

5’3’

什麼是基因放大？ (2)應用：

　 DNA鹼基序列的分析　 DNA 指紋分析　 A.親子鑑定 B.刑案證據 C.演化

研究

利用基因轉殖細菌生產胰島素及其基因

基因轉殖植物利用 DNA彈丸槍 ( 基因槍 ) 將外源基因直接嵌入植物細胞核內

桃莉羊

帶有人類基因的基因轉殖羊

白臉羊的 纖維母細胞 黑臉羊打排卵針

玻莉

植入人類凝血因子基因

植入黑臉羊子宮

取卵子

卵細胞質與纖維母細胞融合

卵細胞去核

基因轉殖動物：轉殖生長激素基因之老鼠圖中兩隻老鼠同齡，左方體型較大者為帶有生長激素基因的轉殖鼠，右方體型較小者為正常型的老鼠。

突　變

突變的定義

基因突變的形成

突變的原因

突變的定義 - 遺傳物質發生變異

基因突變 ( 點突變 ) ：取代、插入、刪除

染色體突變：

染色體數目改變：減數分裂無分現象

染色體構造改變：缺失、重複、倒位、

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

易位

基因突變的形成

單基因突變：一個基因突變

Ex. 半乳糖血症

點突變：一個鹼基突變

Ex. 鐮形血球性貧血症

鐮形血球貧血血紅素 β 次單元基因發生點突變

正常 DNA模板股： 3’-GGACTTCTC-5’

正常mRNA 序列：

正常胺基酸序列：脯胺酸 -麩胺酸 -麩胺酸

↓

↓

突變 DNA模板股： 3’-GGACATCTC-5’

突變mRNA 序列： 5’-CCUGUAGAG-3’

突變胺基酸序列：脯胺酸 -纈胺酸 -麩胺酸

↓

↓

5’-CCUGAAGAG-3’

A

點突變：鐮形血球性貧血症

正常人

鐮形

血球性

貧血

突變的原因 自發性突變：

DNA複製DNA修補基因重組

誘導突變：物理因子：紫外線、 X 射線化學因子：亞硝酸、五嗅脲嘧啶生物因子：病毒

紫外線：　波長 100~380nm　 DNA 主要吸收波長為 200nm　紫外線易造成 DNA斷裂或鹼基成分改變

物理因子引起突變如：紫外線造成胸腺嘧啶雙體

或T T TT

胸腺嘧啶雙體的修補過程

胸腺嘧啶雙體造成 DNA 分子扭曲

核酸分解酶移除受損部位

DNA 聚合酶修補缺口

DNA 連接酶封閉空隙

化學因子引起突變如：五溴脲嘧啶 ( T 的相似物，但不穩

定 )

亞硝酸 (HNO2) ( 使 C→U)

HNO2

脲嘧啶胞嘧啶

亞硝酸引起點突變

胞嘧啶(C)

脲嘧啶(U)

DNA 複製

DNA 複製 DNA 複製

＋ ＋

亞硝酸處理

萃取 DNA實驗

加入洗碗精目的？加入 5M NaCl 目的？加入鳳梨汁目的？

加入 95%冰酒精目的？

奇異果利用果菜汁機打碎

加入洗碗精，利用玻棒輕攪

加入 5M NaCl 並攪拌

加入鳳梨汁，並攪拌

紗布過

濾 加入95%冰酒精

捲出白色物

質

破壞細胞膜及核膜

使 DNA呈溶解狀態

5M

利用鳳梨汁中的蛋白酶分解染色體中蛋白質，及細胞質中蛋白質

使 DNA凝聚析出