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《分子生物学》西南大学2013年度作业答案,共5次,已整理


第一次作业 1.广义分子生物学: 广义的分子生物学包括对蛋白质和核酸等生物大分子结构与 功能的研究,以及从分子水平上阐明生命的现象和生物学规律。 2. 狭义分子生物学:即将分子生物学的范畴偏重于核酸(基因)的分子生物学, 主要研究基因或 DNA 的结构与功能、复制、转录、表达和调控等过程,其中也涉 及到与这些过程相关的蛋白质与酶的结构与功能的研究。 3. 基因:编码蛋白质或 RNA 等具有特定功能产物的遗传信息的基本单位, 是染色 体或基因组的一段 DNA 序列(对以 RNA 作为遗传信息载体的 RNA 病毒而言则是 RNA 序列)。包括编码序列(外显子)、编码区前后对于基因表达具有调控功能的序列 和单个编码序列间的间隔序列(内含子)。 4.断裂基因: 真核生物结构基因,由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连 续镶嵌而成, 去除非编码区再连接后, 可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质, 这些基因称为断裂基因。 5.外显子: 是真核生物基因的一部分,它在剪接 (Splicing)后仍会被保存下来, 并可在蛋白质生物合成过程中被表达为蛋白质。外显子是最后出现在成熟 RNA 中的基因序列, 又称表达序列。 6.内含子:真核生物细胞 DNA 中的间插序列。这些序列被转录在前体 RNA 中,经 过剪接被去除, 最终不存在于成熟 RNA 分子中。内含子和外显子的交替排列构成 了割裂基因。在前体 RNA 中的内含子常被称作“间插序列”。 7.C 值与 C 值矛盾:C 值:简单来说是一种生物单倍体基因组的 DNA 的总称。C 值矛盾: 生物基因组的大小同生物在进化上所处地位的高低无关,这种现象称为 C 值矛盾。 8.半保留复制: 沃森-克里克根据 DNA 的双螺旋模型提出的 DNA 复制方式。 DNA 即 复制时亲代 DNA 的两条链解开,每条链作为新链的模板,从而形成两个子代 DNA 分子,每一个子代 DNA 分子包含一条亲代链和一条新合成的链。 9.转座子: 转座元件中的一种, 具有完整转座元件的功能特征并能携带内外源基 因组片段(单基因或多基因)。 在基因组内移动或在生命体之间传播并可表达出新 的表型。 10.超螺旋结构:是双螺旋 DNA 进一步扭曲盘绕形成的高级结构。有正超螺旋, 负超螺旋.一般的生命体是负超螺旋,可以减少 DNA 螺旋的圈数.正超螺旋可以增 加螺旋数,有些细菌和病毒是正超螺旋。

第二次作业 1.研究 DNA 的一级结构有什么重要的生物学意义?

DNA 分子的一级结构是 DNA 分子内碱基的排列顺序,DNA 分子以密码子的方式蕴 藏了所有生物的遗传信息, 任何一段 DNA 序列都可以反映出它的高度个体性或种 族特异性。DNA 一级结构决定了二级结构,折叠成空间结构。这些高级结构又决 定和影响着一级结构的信息功能。研究 DNA 的一级结构对阐明遗传物质结构、功 能以及它的表达、调控都是极其重要的。 2.RNA 的功能主要是参与蛋白质的生物合成,起着遗传信息由 DNA 到蛋白质的中 间传递体核心功能,此外它的功能多样性还表现在哪些方面? ①控制蛋白质的生物合成; ②作用于 RNA 转录后的加工与修饰; ③参与基因表达的调控; ④具有生物催化剂的功能; ⑤遗传信息的加工与进化。 RNA 所具有的诸多功能都与生物机体的生长发育密切相关,它的核心作用是基因 表达的信息加工和调节。 3.实施基因工程(DNA 重组技术)的重要理论基础之一是什么? 从细菌到哺乳动物的全部生命有机体,它们的基因都是由 DNA 构成的。在分子水 平上,由于所有生物 DNA 基本结构都一致,这是它们作为生物体的共性,又由于 它们 DNA 序列上的不同,就形成了千差万别的生物界。因此,来自两种生命形态 的基因(DNA)可以相互融合重组,可见,基因的 DNA 共性是实施基因工程(DNA 重组)的重要理论基础之一。 4.基因编码的主要产物是什么? 基因的主要编码产物是多肽链,另外还包括许多编码 RNA 的基因,例如 rRNA 基 因、tRNA 基因以及其他小分子 RNA 基因等都是基因编码的产物。

第三次作业 1、DNA 重组包括哪几个过程? Holliday 于 1964 年提出了同源重组模型。模型中,有四个关键步骤:①两个同源染色体 DNA 排列整齐;②一个 DNA 的一条链断裂并与另一个 DNA 对应的链连接,形成的连接分 子,称为 Holliday 中间体;③通过分支移动产生异源双链 DNA;④Ho11iday 中间体切开并 修复,形成两个双链重组体 DNA。根据链断裂切开的方式不同,得到的重组产物也不同。 2、由转座子引起的转座过程有什么特征? 答:由转座子引起的转座过程有以下特征: ① 能从基因组的一个位点转移到另一个位点,从一个复制子转移到另一个复制子; ②不以**的形式存在(如噬菌体或质粒 DNA) ,而是在基因组内由一个部位直接转移到另一 部位; ③转座子编码其自身的转座酶, 每次移动时携带转座必需的基因一起在基因组内跃迁, 所以 转座子又称跳跃基因; ④转座的频率很低,且插入是随机的,不依赖于转座子(供体)和靶位点(受体)之间的任 何序列同源性; ⑤转座子可插入到一个结构基因或基因调节序列内, 引起基因表达内容的改变, 例如使该基 因失活,如果是重要的基因则可能导致细胞死亡。 3. DNA 转座引起的遗传学效应是什么? 转座因子首先是因其可导致突变而被认识的。当它插入靶基因后,使基因突变失活,这是转 座子的最直接效应; 当转座因子自发插入细菌的操纵子时, 即可阻止它所在基因的转录和翻 译, 并且由于转座因子带有终止子, 其插入影响操纵子下游基因的表达, 从而表现出极性 (方 向性) ,由此产生的突变只能在转座子被切除后才能恢复。转座因子的存在一般能引起宿主 染色体 DNA 重组,造成染色体断裂、重复、缺失、倒位及易位等,是基因突变和重排的重 要原因。 转座因子也可通过干扰宿主基因与其调控元件之间的关系或转座子本身的作用而影 响邻近基因的表达,从而改变宿主的表型。归纳以上,转座子引起的遗传学效应可有以下几 个方面:①以 10-8~10-3 的频率转座,引起插入突变;②在插入位置染色体 DNA 重排而出 现新基因;③影响插入位置邻近基因的表达,使宿主表型改变;④转座子插入染色体后引起 两侧染色体畸变。 4、几种不同真核生物的 RNA 聚合酶分别转录哪些 RNA? 答: 真核生物 RNA 聚合酶Ⅰ转录 45S rRNA 前体, 经转录后加工产生 5.8S rRNA、 18S rRNA 和 28S rRNA。 RNA 聚合酶Ⅱ转录所有 mRNA 前体和大多数的核内小 RNA(scRNA) RNA 。

聚合酶Ⅲ转录 tRNA、5S rRNA、U6snRNA 和不同的胞质小 RNA(sc RNA)等小分子转录 物。

第四次作业 1、现代分子生物学研究的主要内容有哪几方面? 答:按照狭义分子生物学的定义,可以将现代分子的研究内容概括为五大方面: (1)基因与基因组的结构与功能; (2)DNA 的复制、转录和翻译; (3)基因表达调控的研究; (4)DNA 重组技术; (5)结构分子生物学。

2、分子生物学的发展趋势是什么? 答:当前,人类基因组研究的重点正在由结构向功能转移,一个以基因组功能研究为主要研 究内容的“后基因组” (Post-genome)时代已经到来。它的主要任务是研究细胞全部基因的 表达图式和全部蛋白图式,或者说是“从基因组到蛋白质组” 。由此,分子生物学研究的重 点又回到了蛋白质上来,生物信息学也应运而生。 (1)功能基因组学

功能基因组学的任务, 是对成千上万的基因表达进行分析和比较, 从基因组整体水平上阐述 基因活动的规律。核心问题是基因组的多样性和进化规律,基因组的表达及其调控,模式生 物体基因组研究等。 这门新学科的形成, 是在后基因组时代生物学家的研究重点从揭示生命 的所有遗传信息转移到在整体水平上对生物功能研究的重要标志。 (2)蛋白质组学

蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象, 研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。 蛋 白质组与基因组不同, 基因组基本上是固定不变的, 即同一生物不同细胞中基因组基本上是 一样的,人类的基因总数约是 6 万~10 万个。单从 DNA 序列并不能回答某个基因的表达时 间、表达量、蛋白质翻译后加工和修饰等情况以及它们的亚细胞分布等。这些问题可望在蛋 白质组研究中找到答案,因为蛋白质组是动态的,有它的时空性、可调节性,进而能够在细 胞和生命有机体的整体水平上阐明生命现象的本质和活动规律。 蛋白质组研究的数据与基因 组数据的整合,将对功能基因组的研究发挥重要的作用。 (3)生物信息学

蛋白质组计划中,由于蛋白质组随发育阶段和所处环境而变化,mRNA 丰度与蛋白质的丰 度不是显著相关,以及需要经受翻译后的修饰,因而对蛋白质的生物信息学研究,在内容上 有许多特殊之处。现在建立的数据库,有蛋白质序列、蛋白质域、二维电泳、三维结构、翻 译后修饰、代谢及相互作用等。目前通用的软件主要包括蛋白质质量与蛋白质序列标记、模 拟酶解、翻译后修饰等。 (4)当今生命科学的潮流是利用生物信息学研究基因产物一一蛋白质的性质与功能并推测 基因的功能。 传统的基因组分析是得到连续的 DNA 序列信息, 而蛋白质组连续系 (proteomic contigs)则是基于多重相对分子质量、等电点范围、空间结构和分子构象等参数,构建活细 胞内全部蛋白质表达的图像, 从而使人们在研究不同条件下细胞和组织乃至整个生命体的活 动成为可能。 3. 怎样证明 DNA 是遗传物质? 答: (1)DNA 是遗传物质的概念起源于 1944 年 Avery 等人首次证明 DNA 是细菌遗传性状 的转化因子。他们从有荚膜、菌落光滑的Ⅲ型肺炎球菌(ⅢS)细胞中提取出纯化的 DNA, 加热灭活后再加入到无荚膜、菌落粗糙的Ⅱ型细菌(ⅡR)培养物中,结果发现前者的 DNA 能使一部分ⅡR 型细胞获得合成ⅢS 型细胞特有的荚膜多糖的能力。而蛋白质及多糖类物质 没有这种转化能力。若将 DNA 事先用脱氧核糖核酸酶降解,也就失去了转化能力。这一实 验不可能是表型改变,也不可能是恢复突变,因为ⅡR 型菌产生的是ⅢS 型的荚膜。它有力 地证明 DNA 是转化物质。已经转化了的细菌,其后代仍保留合成Ⅲ型荚膜的能力,说明此 性状可以遗传给后代。 (2)1952 年 Hershey 和 Chase 等利用大肠杆菌噬菌体实验证实了 DNA 是遗传物质的本质。 在噬菌体中,DNA 是惟一含磷的物质,而蛋白质是惟一含硫的物质。利用含 P 或 S 的放射 性培养基培养噬菌体,得到了放射性标记噬菌体。使标记|的噬菌体吸附细菌,几分钟后离 心除去未吸附的噬菌体。然后利用捣碎机捣碎使噬菌体和细菌分开。离心后细菌在沉淀中, 而噬菌体在上清液中。这时发现放射性的硫有 80%在上清液中,只有 20%在沉淀中,而磷 的情况则相反。说明在噬菌体感染的过程中,DNA 进入了细菌体内,而蛋白质留在细菌体 外。证明具有遗传作用的是 DNA 而不是蛋白质。 4. 作为主要遗传物质的 DNA 具有哪些特性? 答:作为遗传物质的 DNA 具有以下特性: ①贮存并表达遗传信息; ②能把遗传信息传递给子代; ③物理和化学性质稳定; ④有遗传变异的能力。

第五次作业 1.基因与多肽链有什么关系? 答: 多肽链是基因的编码产物, 基因的碱基序列与蛋白质分子中氨基酸的序列之间的对应关 系是通过遗传密码实现的。 2.分别写出病毒、原核、真核生物基因组的概念,它们各有何特点,请比较其异同。 答:基因组是指细胞或生物体中,一套完整单体的遗传物质的总和;或指原核生物染色体、 质粒、真核生物的单倍染色体组、细胞器、病毒中所含有的一整套基因。 真核生物基因组与原核基因组相比, 其区别可总结如下: ①真核生物基因组远远大于原 核生物基因组,且具有相当的复杂度;②基因组中不编码区域远远多于编码区域;③基因组 中的 DNA 与蛋白质结合,形成的染色体存在于细胞核内;④大部分基因有内含子,因此基 因的编码区域不连续;⑤存在着重复序列,重复次数从几次到几百万次不等;⑥基因组中以 多复制起点的形式复制;⑦转录产物为单顺反子;⑧真核生物基因组与原核相同,也存在着 可移动的因子。 3.真核生物的 DNA 序列可分为几种类型?分别写出并简要叙述。 答:根据 DNA 复性动力学研究真核生物的 DNA 序列可以分为 4 种类型:

(1) 单拷贝序列 又称非重复序列,在一个基因组中只有一个拷贝,真核生物的大多数基因都是单拷贝的。在 复性动力学中对应于慢复性组分。

(2) 轻度重复序列 在一个基因组中有 2~10 个拷贝 (有时被视为非重复序列)如组蛋白基因和酵母 rRNA 基因。 , 在复性动力学中也对应于慢复性组分。

(3) 中度重复序列 有十至几百个拷贝,一般是不编码的序列,例如人类基因组中的 Alu 序列等。中度重复序列 可能在基因表达调控中起重要作用,包括 DNA 复制的起始、开启或关闭基因的活性、促进 或终止转录等。 平均长度约 300bp, 它们在一起构成了基因序列家族与非重复序列相间排列。 对应于中间复性组分。

(4) 高度重复序列

有几百到几百万个拷贝,是一些重复数百次的基因,如 rRNA 基因和某些 tRNA 基因,而大 多数是重复程度更高的序列,如卫星 DNA 等。高度重复序列对应于快复性组分。 4.原核、真核生物复制有什么不同点? 答:真核生物 DNA 的复制与原核生物 DNA 的复制有很多不同,如真核生物每条染色体上 可以有多处复制起始点, 而原核生物只有一个起始点; 真核生物的染色体在全部完成复制之 前不能再开始,而在快速生长的原核生物中,复制起始点上可以连续开始新的 DNA 复制, 表现为虽然只有一个复制单元,但可有多个复制叉。真核生物 DNA 复制叉的移动速度是大 肠杆菌的 1/20。在真核生物中有 5 种 DNA 聚合酶,分别称为 DNAα 、β 、γ 、δ 、ε 。 5. hnRNA 转变成 mRNA 的加工过程包括哪几步?

答 : hnRNA 转 变 成 mRNA 的 加 工 过 程 包 括 : ① 5` 端 形 成 特 殊 的 帽 子 结 构 (m7G5`ppp5`N1mpN2p-) ;②在链的 3`端切断并加上多聚腺苷酸(polyA) ;③通过剪接除 去由内含子转录而来的序列;④链内部的核苷被甲基化。 6. 什么是密码的简并性?其生物学意义如何?

答:同一种氨基酸具有两个或更多个密码子的现象称为密码子的简并性(degeneracy) 。对应 于同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码子(synonymous codon) ,只有色氨酸与甲硫氨 酸仅有 1 个密码子。 密码子简并性具有重要的生物学意义, 它可以减少有害突变。 若每种氨基酸只有一个密码子, 61 个密码子中只有 20 个是有意义的,各对应于一种氨基酸。剩下 41 个密码子都无氨基酸 所对应,将导致肽链合成终止。由基因突变而引起肽链合成终止的概率也会大大增加。简并 性使得那些即使密码子中碱基被改变, 仍然能编码原来氨基酸的可能性大为提高。 密码的简 并也使 DNA 分子上碱基组成有较大余地的变动,例如细菌 DNA 中 G+C 含量变动很大,但 不同 G+C 含量的细菌却可以编码出相同的多肽链。所以遗传密码的简并性在物种的稳定上 起着重要的作用。


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