核苷酸与核酸

963 A + B 生化共筆

範圍：CH8 核苷酸與核酸

CH9 DNA分析技術

我是4/22(A班)或4/24(B班)要考生化的_______________

我的學號是_______________

}結合後可轉譯為蛋白質分子 黃潤誼

基因

含有合成功能性的生物產品(functional biological product)所需資訊的DNA 分子片段

R NAs 的分類

1. Ri b osomal RNAs ：核醣體的組成成分，執行蛋白質合成的複合物

2. Messenger RNAs ：為一中間物，從基因將遺傳訊息攜帶至核醣體

3. Transfer RNAs ：將mRNAs 訊息轉譯成特定的胺基酸序列的分子 *亦可按照RNA 分子大小分類 rRNA ：原核有三種，真核有兩種

mRNA ：大大小小的都有，為3種RNA 中最大的 tRNA ：通常都很小，為3種RNA 中最小的

核苷酸(Nucleotides)的組成 具有三種特定成分：

1. 含氮鹼基(nitrogenous base)：嘧啶(pyrimidine)或膘呤(purine)

2. 五碳糖(pentose)

3. 磷酸根(phosphate)

*核苷(Nucleoside)則是沒有磷酸根的核苷酸

2號碳為判別DNA 或RNA 的依據，若為H 則為DNA ，若為OH 則為RNA 含氮鹼基的結構

嘧啶<六元環> 嘌呤<六元環+五元環

>

N-Β-glycosyl bond

生物體中含有的較少見的含氮鹼基，如下所示

(老師說考試至少會出一題，但只要認識特徵就可作答)

核醣(ribose)在水中的構型

1.核醣在溶液中會達成線形和環形的平衡

2.核苷酸中的五元環在水溶液中可能有四種構形

(C-2’ endo / C-2’ exo / C-3’ endo / C-3’ exo)

說明：五元環的五個原子中有四個原子是共平面的，另一個不在平面上的原子不是

2號碳就是3號碳，若五元環中不在平面上的原子(C-2’或C-3’)與五號碳位於平面的同側稱為endo，若位於不同側則稱為exo

命名

←框框中的是老師認為較好的簡略寫法

二號碳上沒有氧→deoxy→DNA

含氮鹼基是六元環加五元環→認出是嘌呤

有接磷酸根→Deoxyadenosine成為Deoxyadenylate

RNA的水解

1.在酵素的催化或鹼性環境下易發生

2.RNA在鹼性環境下易水解(因為2號C上接的是OH基)；但DNA不會，因為其二號

碳已經去氧(因為2號C上接的是H)

DNA和RNA的區分

1.含氮鹼基的不同(DNA為ATGC，RNA為AUGC)

2.二號碳的去氧與否(DNA接的是氫原子，RNA接的是羥基)

等下雪

有個人看到兒子不肯用功讀書就用古人好學的故事開導他。

他說：「古時候有個叫孫康的人，家裡很窮，沒錢買油點燈，就藉著

雪映的光讀書，後來成了大學問家，你應該向古人學習。」兒子聽

後，點了點頭說：「我記住了。」

過了一些日子，他來到兒子房間，只見兒子瞪著兩眼望著窗

外。他十分生氣地問：「你怎麼不讀書啊？」

兒子回答：「我在等下雪呢。」

核苷酸序列的表示方法

1.以結構式表示(較繁雜)如下

2.以文字表示為(p代表磷酸根)

3.或者可表示為

*不成文規定：左邊是五號碳端(接磷酸根)，右邊是三號碳端(接OH基)(課本的表示方法則剛好相反)

林姍諭核苷酸的鹼基部分會影響核酸的3D結構

1.自由嘧啶(Pyri m idines)與嘌呤(purine)是弱鹼性的化合物，因此稱作鹼基。

2.在圓環中的原子會共振，大部分以雙鍵結合。

Pyri m idine是平面的分子

P u rine分子非常接近平面，環狀結構有一部分會翹起來(pucker)。

3.自由嘧啶跟嘌呤的含氮鹼基會根據pH值得不同而存在2個或更多的異構物(tautomeric)

分子。如下圖所示：

4.在趨近於pH 7.0時，Uracil是屬於Lactam(內醯胺)的形式。當pH值降低時(pH decrase,

此為專有名詞請記住)，他會變為Lactim(內醯亞胺)的形式，最後會變為double lactim的形式。這是因為pH值越來越酸的時候，他就會有異構物的形成。所以氮鹼基的特性會因為環境的pH值來影響他的構造，進而影響他將來形成的一些鍵結。

5.自由嘧啶跟嘌呤的含氮鹼基是厭水性的(hydrophobic)，而且在趨近於中性的狀態時，水

溶度差。

6.在酸性或鹼性的情況下，嘧啶跟嘌呤的含氮鹼基會改變他在水溶液的溶解度(水溶度上

升)。

檢測核酸或核苷酸的濃度

因為核苷酸分子具有環狀構造，所以會有特定的吸光值。上圖告訴我們的是五個分子的吸光值分佈，平均起來這些吸光值在260nm附近都有一個peak。

假設有一瓶溶液，為了看此溶液中是否含有核苷酸，可以檢測此溶液在260nm的吸光值。若260nm有一個pea k，表示溶液中可能有核苷酸存在。若是在280nm有較高的吸光值，則可能

有蛋白質存在。

格里夫茲的細菌性狀轉變（Transformation）

(這點為講義上沒有的，當做補充，高中好像有教過的樣子)

1.1982年英國細菌學者格里夫茲研究肺炎球菌的影響

S型：具有莢膜與毒性，菌落小，有致病力

R型：無莢膜與毒性，菌落大，無致病力

<實驗處理>

S型→鼠死

R型→鼠活

S型經熱殺死→鼠活

死S型與活R型→鼠死

推論：外表型R型具有性狀轉變物使R型性狀轉變成為S型。以前的科學以為protein 是生物的遺傳物質，而此實驗的結論是：有其他的物質﹝非蛋白質﹞攜帶遺傳物質，但無法得知是DNA。

The Avery-MaxLeod McCarty experiment

假設：S型釋放物質造成R型細菌轉型

<實驗處理>

取出S型的細胞內萃取物

→DNA分解酵素處理→萃取液與R型菌混和→R型菌

→RNA分解酵素處理→萃取液與R型菌混和→S型菌

→蛋白質分解酵素處理→萃取液與R型菌混和→S型菌

推論：S型菌與外表型關係密切

(此實驗證明DNA Store Genetic Information)(記!)

也就是說已經證明狀轉變物質為DNA

The Hershey-Chase experience

用35S標定蛋白質外殼→感染細菌→去除附著於細菌的噬菌體→細菌體無放射性(噬菌體核酸沒有進入細菌內)

用32P標定噬菌體核酸→感染細菌→去除附著於細菌的噬菌體→細菌體有放射性(噬菌體核酸有進入細菌內)

(此實驗證明DNA是遺傳訊息的傳遞者)(記!)

X-ray檢測出DNA的結構

如圖，中心的交叉正好指出了DNA是雙螺旋結構

前後兩個鹼基對的平面相互平衡，二者的間距為3.4埃，螺旋鍵每轉一圈的螺距為34埃

Chargaff’s rules

※ DNA鹼基的組成，隨著生物的物種不同而有所差異

※在同一生物體的不同組織中，所分離出的DNA都相同

※在同一生物體中，DNA成分不隨年齡、營養狀態或環境的改變。

Ex. 蝌蚪與青蛙的DNA成分相同

※以鹼基的含量來說：A=T，G=C可以推得A＋G＝T＋C

Watson-Crick 提出的DNA 模型

以雙股配對，反向平行的模式形成。

Watson-Crick 一開始提出的理論中，每個鹼基相距3.4埃，繞一圈(含10個鹼基)的距離是34埃。

但現代的實驗中，測量發現繞一圈需10.5個鹼基對，每圈距離為36埃 (1埃 ＝ 0.1 nm) 鹼基互補 (compelmentary) 結構，每一股都是以5’→3’的方向，反向平行 (antiparallel)。

含氮鹼基G 、C 以3個氫鍵連接，A 、T 則以2個氫鍵連接

半保留複製 Semiconservative

原本的DNA 先分開，再分別做為2個模板複製DNA ，形成新的DNA 。每個新合成的DNA 中都包含一條parent strand 和一條與其互補的daughter strand ，此稱為半保留。

單鍵的旋轉造成DNA結構的改變

1~7標示的鍵為可旋轉的鍵，其中bond 4只可有限度的

旋轉，bond 4 的旋轉會造成之前提過的四種五元環

(C-2’ endo / C-2’ exo / C-3’ endo / C-3’ exo)

核糖和含氮鹼基同側的稱syn (順式)，不同側的稱anti (反式)。在purine中可見到sy n和anti 兩種結構，而pyrimidine因結構關係通常為anti的形式。

※ DNA有許多結構，但其組成都不違背Watson-Crick所提出的三個特性：

1.雙股互補(complementary)

2.雙股反向平行(antiparallel)

3.A＝T 且G≡C。鹼基的數量相等，且互相配對。

何書瑋DNA的結構

DNA的A-form、B-form、Z-form的比較：(粗體字考，這上面兩行的數字要背)

※雖然DNA有三種不同構型，但仍不脫離Watson-Crick的定義：

(1) 雙股互補complementary

(2) 雙股反向平行antiparallel

(3) A＝T，C≡G

小約翰第一次學游泳，可是過了不久，他就向教練說：「我們，我們今天就練到這吧？」

教練很是奇怪，心想：這句話應該是我說呀，可是他還是問：「為什麼呢，小約翰？」

這是小約翰低著頭，說：「因為我，我實在喝不下去了。」

特定的DNA序列可形成特殊結構

當DNA的某一股上有4個或以上的adenosine residues就會產生彎曲(bending)。

而DNA藉此彎曲產生結構上的變化，提供結合位給某些特定蛋白。(Ex. 複製、轉錄時所需的酵素)

彎曲分為兩種：

Hoogsteen Pairing 使DNA形成Triplex DNAs (H-DNA).

特殊狀況時，DNA有可能形成穩定3股的狀態，稱為triplex DNAs或H-DNA.

當此DNA擁有Hoogsteen pairing或鏡像重複都可能形成3股的狀態

※在細胞中的DNA，迴紋序列是提供特殊蛋白質結合的位置。

※而可以形成3股交錯的T、C (A、G) 序列，則可以在一些真核生物中調控基因的表現。若合成DNA時，與可形成3股的序列結合，會影響基因的表現。

當含氮鹼基G 在DNA 的序列裡佔了很大的比例時，就有可能產生4股DNA 的狀況，多出現在DNA 的端點部分，可以穩定DNA ，亦會影響基因表現。而這種4股的型態又分成平行

(parallel)

和反向平行 (antiparallel)

Messenger RNA

DNA 轉錄為mRNA ，作為胺基酸排序的模板。分為2種：

很多RNA 都有更複雜的3D 結構

1. 只要有互補的序列存在，RNA 就可以和DNA 或RNA 結合，且是反向平行。

2. RNA 與DNA 結合時，A 配U 、G 配C ，因為RNA 不含T 。但若發生G 配

U 的情形， 對DNA 來說是不正常的，但是對RNA 來說卻是正常的情況。 3. RNA 若形成雙股螺旋，大多為A form 。

4.A-form螺旋RNA特殊的結構

M1 RNA 是E. coli的一種enzyme RNase P的成分，右圖是他的二級結構，其中包含了很多hairpin。圖中括號的序列是有可能結合形成3D 結構，小方塊裡是含氮鹼基G和U配對，跟Watson-Crick發現的DNA之GC配對不同。

謝沛軒

Double-helical DNA and RNA can be denatured 雙股DNA 和RNA 都會變性 1. DNA 、RNA 結構因加熱、pH 值改變、鹽度改變，

從雙股分開為單股 (denaturation)。回復為雙股的反應叫復性 (annealing, renaturation)

2. 在核苷酸的雙股結構中，鹼基之間的互作用會降

低其紫外線的吸光值。相較於相同濃度的自由核苷酸 (free nucleotides) 溶液，自由核苷酸溶液其吸光值較高。

3. 若吸光值因雙股核苷酸renature 而減低，稱為減

光效應 (hypochromic effect)。

4. 若吸光值因雙股核苷酸denature 而增高，稱為 增光效應(hyperchromic effect)。

5. 當實驗進行中，為了檢測DNA 由雙股變為單股，

可藉由監控UV 的吸光值來偵測。(以Beer’s Law 為基礎，吸光值與濃度成正比。)

(左圖) Heat denaturation of DNA 兩個不同的DNA 加熱變性的曲線

圖中的t m ，在50%變形時的溫度，也稱為熔點，t m 取決於pH 值、離子強度、DNA 的大小與鹼基組成。

必考：上圖中左右兩曲線，哪一條的GC content 較高？ A ： 右邊(講義上的紅色那一條)。因為他denature 的溫度較高。C ≡G 有3個氫鍵其結合力高於A ＝T 只有2個氫鍵的結合力，所以需要較高的溫度使C ≡G denatur e 。

(右圖) C ≡G content 和 t m 的關係

t m 越高，GC 含量越高

值得注意的是，雙股的RNA (RNA duplexes) 比雙股的DNA (DNA duplexes) 要穩定。在中性

的pH 值中，RNA denature 所需的溫度會比DNA denature 的溫度高出20 °C 或20 °C 以上。RNA 、DNA 混合的穩定性則介於兩者中間。

必考： 相同溫度時，穩定性排列 RNA-RNA ＞ RNA-DNA ＞ DNA-DNA (穩定性越高則越不容易由雙股變單股)

Partially denatured DNA (下圖) 箭頭指的地方為單股DNA

由電子密度可以分辨單、雙股 (雙股的顏色較深)

核酸形式可以是混合的 (雜交反應Hybridization )

兩個DNA 樣本先加熱到完成變性(denaturation)後，將兩個溶液混合慢慢冷卻，DNA 會復性(anneal)回duplexes ，當兩種DNA 有顯著的序列相似時，他們會趨向於形成部分duplexes ，成為雜交反應 (Hybridization)

核苷酸和核酸進行非酵素性轉變 脫氨基作用(Deamination reactions)

DNA 的核苷酸分子由胞嘧啶(C ，cytosine) 經脫胺作用轉變為尿嘧啶(U ，uracil)。其機率是每24小時有1/107的可能性。

而腺嘌呤(A ，adenine)和鳥糞嘌呤(G ，guanine)脫氨作用的速度則是慢上100倍。

形成單股

所以胞嘧啶(C)的脫氨基作用會造成DNA 中G ≡C 含量減少，A=U 含量上升。(是可以被修復的)

上圖為脫氨基作用的例子(只要有氨基的位置都有可能反應)

Depurination

每一天在正常的細胞環境下，DNA 中每105 嘌呤(purines)有一個嘌呤會喪失。

在pH 3的Incubation of DNA 會選擇性的移除嘌呤，產生叫apurinic acid 的衍生物

1. 紫外線會誘導pyrimidine dimers 的形成，紫外線會

誘導乙烯的凝結形成會阻礙DNA 形成的環丁烷(cyclobutane ring) 或 形成 6-4 photoproduct.

2. X 光與gamma 光都會造成環的打開、鹼基片段的分離和核甘酸骨架的破壞。

3. 化學試劑會造成DNA 的傷害

4. 氧化傷害：過氧化物，如：在照射放射中、以有氧代謝中的副產物被產生，hydrogen peroxide,

hydroxyl radicals, and superoxide radicals 含量會上升

紫外線誘導pyrimidine dimers 的形成

會影響酵素的移動，阻礙DNA 的形成，因為酵素正常應該可以從中間穿過移動

形成cyclobutane pyrimidine dimer ，會在DNA 中產生彎曲(bend)或扭曲(kink)現象

酵素

劉曉軒破壞DNA結構的化學物質：

1.Alkylating Agents 烷化基

這些烷基團會與DNA分子結合，改變DNA結構使他無法轉錄成RNA，或甚至使鹼基無法互相配對(G無法與C接起來、A無法與T接起來)

在細菌中DNA的alkylation有保護性的作用。細菌將自身DNA烷基化，而外來DNA (譬如病毒DNA) 侵入時，細菌的酵素就會將沒有烷基化的DNA分解掉，這就是細菌的免疫系統。

此圖說明的是Methionine這個烷

基分子接到DNA的Adenosine鹼

基上，改變了他的結構。

此圖說明的是Guanine有兩個不同構型會互

相轉換，而其中一個構型會與

dimethylsulfate，即(CH3)2SO4結合成

O6-Methylguanine。

此結構使Guanine無法與Cytosine接起來。

破壞DNA結構

不行和胞嘧啶(C)

形成氫鍵鍵結

2.Deaminating Agents去胺基化

主要來自Nitrous acid (HNO2) 或Nitrous acid衍生物(precusors)皆為含氮的酸性物質

→這些是衍生物上面的分子都可能會誘導DNA的damination。

DNA Sequencing (定序)

1.首先來介紹DNA electrophoresis (電泳)：

跑DNA電泳的目的是要定量DNA分子大小

2.Sanger的DNA定序原理是利用雙去氧的鹼基(ddNTP，N = A, T, C, G) 來阻斷DNA的合

成過程，由此一來就可以讀取一段一段DNA片段。

定序的時候，將此ddNTP加入試管中合成DNA，而因為他在五碳糖的3’C上去氧，所以下一個鹼基的磷酸根無法接上去，因此DNA的合成就會在此被阻斷。

什麼意思呢？請見下圖

將DNA由上方loading進去。

再來將電泳槽通電，上方為負極，下方為正極。

因為DNA帶負電，所以整體向下移動。但小分子

移動較快，大分子較慢。

最後以UV燈光照射來看各個DNA位置，愈下面

的DNA分子愈小。