分子生物学复习题及答案1

1分子生物学复习思考题 11 写出分子生物学广义的与狭义的定义，现代分子生物学研究的主要内容，以及 5 个分子生物学发展的主要大事纪（年代、发明者、简要内容） 。广义上: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。狭义概念:既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 结构与功能、复制、转录、表达和调节控制等过程。其中也涉及到与这些过程相关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。现代分子生物学研究的主要内容有：基因与基因组的结构与功能，DNA 的复制、转录和翻译，基因表达调控的研究，DNA 重组技术，结构分子生物学等。几个分子生物学发展的主要大事纪（年代、发明者、简要内容）:1. 1944 年,著名微生物学家 Avery 等人在对肺炎双球菌的转化实验中证实了 DNA 是生物的遗传物质。这一重大发现打破了长期以来，许多生物学家认为的只有象蛋白质那样的大分子才能作为细胞遗传物质的观点，在遗传学上树立了 DNA 是遗传信息载体的理论。2. 1953 年，是开创生命科学新时代具有里程碑意义的一年，Watson和 Crick 发表了“脱氧核糖核酸的结构”的著名论文，他们在Franklin 和 Wilkins X-射线衍射研究结果的基础上，推导出 DNA双螺旋结构模型，为人类充分揭示遗传信息的传递规律奠定了坚实的理论基础。同年，Sanger 历经 8 年，完成了第一个蛋白质胰岛素的氨基酸全序列分析。23. 1954 年 Gamnow 从理论上研究了遗传密码的编码规律 , Crick 在前人研究工作基础上，提出了中心法则理论，对正在兴起的分子生物学研究起了重要的推动作用。4. 1985 年,Saiki 等发明了聚合酶链式反应(PCR) 2. 作为主要遗传物质的 DNA 具有哪些特性，研究 DNA 一级结构有什么重要意义？ DNA 拓扑异构体之间互变异构依赖于什么？简述真核生物的染色体结构，它们是如何组装的？有几种组蛋白参与核小体的形成？作为遗传物质的 DNA 具有以下特性： 贮存并表达遗传信息； 能把遗传信息传递给子代； 物理和化学性质稳定； 有遗传变异的能力。研究 DNA 以及结构的意义是：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、调控都极其重要。如果使这种正常的 DNA 分子额外地多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子末端开放时，这种张力可通过链的转动而释放，DNA 恢复正常的双螺旋状态。如果固定 DNA 分子的两端，或者本身是共价闭合环状 DNA 或与蛋白质结合的 DNA 分子，DNA 分子两条链不能自由转动，额外的张力不能释放，DNA 分子就会发生扭曲，用以抵消张力。3这种扭曲称为超螺旋。超螺旋有正超螺旋和负超螺旋两种形式。拓扑学是数学的一个分支，研究物体变形后仍然保留下来的结构特性。他们之间互变异构依赖于拓扑异构酶的催化。真核生物的染色体十分复杂，具有不同层次的组装结构，染色质分为常染色质和异染色质两种。在常染色质中 DNA 的压缩比为 1 0002 000，相对比较伸展，主要为单拷贝基因和中等重复序列。异染色质是指在间期核中 DNA 折叠压缩程度较高，约 8000-10000 倍,以凝集状态存在，对碱性染料着色较深的区域。在着丝粒、端粒、次缢痕以及染色体的某些节段，由较短和高度重复的 DNA 序列组成永久性的异染色质。另一些染色质区域随细胞分化而进一步折叠压缩，以封闭基因活性，称为功能性异染色质。染色质的基本结构单位是核小体。核小体是由组蛋白核心和盘绕其上的 DNA 构成。核心由组蛋白H2A、H2B、H3 和 H4 各 2 分子组成，所以是一个八聚体。3. 核酸变性后分子结构和性质发生了哪些变化，引起 DNA 变性的主要因素有哪些？检测核酸变性最简单的定性和定量方法是什么？ 写出DNA 复性的条件,影响 DNA 复性速度的因素包括哪些？规定复性实验的标准条件是什么？DNA 复性程度怎样检测？DNA 的 Tm 值一般与什么因素有关，什么是 Cot 曲线？核酸的分子杂交一般有几种类型？它们分别用于检测哪些物质？DNA 变性后原来隐藏在双螺旋内部的发色基团，成为单链而暴露出来，使 DNA 的物理和化学性质发生一系列的变化。这些变化包括：DNA 溶液的粘度大大下降；沉淀速度增加；浮力密度上升；粘度降低；4紫外吸收光谱升高；双折射现象消失，比旋下降；酸碱滴定曲线改变；生物活性丧失等。引起 DNA 变性的主要因素有：温度、pH 值、有机溶剂等。紫外吸收光谱的变化是检测变性最简单的定性和定量方法。DNA 的复性必须满足二个条件：一定的离子强度，用以削弱两条链中磷酸基团之间的排斥力。较高的温度，用以避免随机形成的无规则氢键。影响 DNA 复性速度的因素包括：（1）DNA 分子的复杂程度。 （2）DNA 的浓度。 （3） DNA 片段的大小。 （ 4）温度的影响。 （5）阳离子的浓度。规定复性实验的标准条件是：400 核苷酸长度， Tm = 25的温度，阳离子强度 0.18mol/L，此时的复性速度常数 5105。通过下列 3 种方法可以测定 DNA 序列复性的程度：（1） S1核酸酶水解的双链 DNA 量。（2） 减色效应，在复性过程中可跟踪测定 A260的光吸收值；（3） S1核酸酶只催化单链 DNA 的水解，不能作用于双链DNA，因此将样品限定水解后测定抗羟基磷灰石层析，羟基磷灰石是一种磷酸钙盐，经过一定的处理后，具有吸附双链DNA 的能力，洗脱时，只允许单链通过，从而可以计算出剩余双链 DNA 的量。DNA 的 Tm 值大小一般与下列因素有关：（1） DNA 的均一性;5（2） G-C 对含量;（3） (3)介质中离子强度。以 C/C0对 COt 作图得到的复性对浓度的依赖关系的曲线称为 Cot 曲线。分子杂交有多种类型，将不同来源的 DNA 变性后，在溶液里进行杂交，称为溶液杂交；用硝酸纤维素制成的滤膜，可以吸附单链 DNA 或RNA，将变性 DNA 或 RNA 吸附到滤膜上，再进行杂交，称为滤膜杂交。滤膜杂交包括（1）Southern 印迹法用于检测 DNA;（2）Northern 印迹法用于检测 RNA;（3）Westhern 印迹法用于检测蛋白质。4. 简述基因的概念？什么是反向生物学？什么是顺反子？现代分子生物学中顺反子与基因是什么关系？ 基因（gene ）是原核、真核生物以及病毒的 DNA 和 RNA 分子中具有遗传效应的核苷酸序列是遗传的基本单位。反向生物学是指利用重组 DNA 技术和离体定向诱变的方法研究已知结构的基因相应的功能，在体外使基因突变，再导入体内，检测突变的遗传效应，即以表型来探索基因的结构。一个顺反子就是一段核苷酸序列，能编码一条完整的多肽链。现代分子生物学文献中，顺反子和基因这两个术语互相通用。一般而言，一个顺反子就是一个基因，大约 1500 个核苷酸。它是由一群突变单位和重组单位组成的线性结构（因为任何一个基因都是突变体或重组体） 。6因此，顺反子的概念表明了基因不是最小单位，它仍然是可分的，并非所有的 DNA 序列都是基因，而只有其中某些特定的多核苷酸区段才是基因的编码区。5. 名词解释：断裂基因、外显子、内含子、C 值、C 值矛盾、基因家族、基因簇、卫星 DNA、ORF、微卫星 DNA、反向重复序列、正链/ 负链RNA 病毒、重叠基因、端粒酶、假基因、Alu 家族、基因组学。断裂基因：在真核生物基因组中，基因是不连续的，在基因的编码区域内部含有大量的不编码序列，从而打断了对应于蛋白质的氨基酸序列。这种不连续的基因又称断裂基因或割裂基因。外显子：断裂基因中编码的序列称为外显子(exon)，即基因中对应于信使RNA 序列的区域。内含子：断裂基因中不编码的间隔序列称为内含子(intron)，内含子是在信使 RNA 被转录后的剪接加工中去除的区域。C 值：生物种的一个特征是一个单倍体基因组的全部 DNA 含量总是相对恒定的。通常称为该物种的 C 值。C 值矛盾：C-值矛盾（C Value Paradox）是指真核生物中 DNA 含量的反常现象。主要表现为： C 值不随生物的进化程度和复杂性而增加； 关系密切的生物 C 值相差甚大； 高等真核生物具有比用于遗传高得多的 C 值。基因家族：基因家族(gene family)是真核生物基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。基因簇：基因簇(gene cluster)是指基因家族中的各成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位,定位于染色体的特殊区域。7卫星 DNA：有些高度重复 DNA 序列的碱基组成和浮力密度与主体 DNA不同，在氯化铯密度梯度离心时，可形成相对独立于主 DNA 带的卫星带。这些卫星带称为卫星 DNA。ORF：指核苷酸序列的可阅读框。微卫星 DNA：微卫星 DNA 是由更简单的重复单位组成的小序列，分散于基因组中，大多数重复单位是二核苷酸，也有少量三或四核苷酸的重复单位。反向重复序列：在 DNA 分子中核苷酸顺序相同、区向相反的核苷酸序列。如：AGTTCCGTTATAACGGCAAT正链/负链 RNA 病毒：所含核酸为 RNA 的病毒称为 RNA 病毒。如果所含单恋核酸与 mRNA 序列相同称之为正链 RNA 病毒，与 mRNA 序列互补称之为负链 RNA 病毒。重叠基因：基因的核苷酸序列被另外的基因以不同的方式重读，编码在结构、功能属于其他种类蛋白质的基因。端粒酶：是一种含有 RNA 链的逆转录酶，能以其所含的 RNA 为模板合成DNA 端粒结构。假基因：与结构基因的核苷酸顺序大部分同源，但不能表达的基因。Alu 家族：人类和哺乳动物基因组中存在的一大类中等重复序列，因其可被限制性核酸内切酶 Alu切割所以称之为 Alu 家族。6. 重叠基因最初是在什么生物中发现的？重叠基因的存在有何意义？真核生物的 DNA 序列可分为几种类型？分别写出并简要叙述之。真核生物8基因组重复序列的复性动力学曲线有什么特点？为什么说基因组中的非重复序列主要决定着基因组的复杂性？列出几个已完成全序列测定的基因组生物种类。重叠基因是在在噬菌体 Xl74 基因组中发现的。重叠基因及基因内基因的现象可使原核生物利用有限的遗传资源表达更多生物功能的能力。 根据 DNA 复性动力学研究（复性动力学方程参见第 2 章） ，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 210 个拷贝(有时被视为非重复序列)，如组蛋白基因和酵母 tRNA 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。真核生物 DNA 复性曲线与原核生物有很大不同，跨越了 78 个数量级。可以看出复性反应分三个组分进行，每个组分代表基因组中不同复杂性的序列类型。9因为有研究表明，大约 80左右的 mRNA 是与非重复的 DNA 组分结合的。这也说明大多数结构基因都位于非重复的 DNA 序列上，所以说，基因组中的非重复序列决定基因组的复杂性。大肠杆菌、枯草杆菌、酿酒酵母、线虫以及多种病原体，果蝇、水稻和拟南芥菜等生物种类已完成或接近完成全序列的测定。7. 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。病毒基因组是指病毒的染色体 DNA 或 RNA 所含的基因。它不仅可形成单基因组，还可以形成片段基因组和单链二倍体基因组等。基因组都很小，所含的基因数量也少，能编码病毒衣壳蛋白可少数酶类。按某些病毒的表达时期可分为早期基因和晚期基因，有些病毒还有不同形式的重叠基因。其基因组的复制有半保留和全保留的不同方式，以单复制子单向或双向进行。它不具有自身的翻译体系，基因的表达和病毒的繁殖都需依赖寄主细胞。原核生物的染色体基因组是指其环状或线状的双链 DNA 分子所含有的全部基因，有的原核生物还含有染色体外的质粒基因组。 其特点是它的蛋白质结构基因大都为单拷贝，功能相关的基因大多集中在一起组成操纵子，其中的结构基因为多顺反子，即数个结构基因串联在一起，受同一调节区调节。数个操纵子又由一个共同的调节基因（regulator gene）所调控。与复制有关的酶和蛋白质基因分散排列在整个染色体的不同区域中，rRNA 基因是多拷贝的，并由 16S，23S ，5S rRNA 基因组成一个转录单位，其间有的还插有 tRNA 基因。tRNA 基因有单、双、多拷贝的形10式。基因组中具有多种功能的识别区域，如复制起始区，复制终止