武汉大学《分子生物学》复习题库及答案

武汉大学《分子生物学》复习题库及答案一、名词解释1.基因基因是具有遗传效应的DNA片段，是控制生物性状的基本遗传单位。它携带着特定的遗传信息，通过转录和翻译等过程指导蛋白质的合成，从而决定生物体的各种特征和功能。2.基因组一个生物体的全套遗传物质，包括所有的基因和非编码DNA序列。对于真核生物，基因组存在于细胞核和细胞器（如线粒体、叶绿体）中；对于原核生物，基因组主要是其环状的染色体DNA。3.转录以DNA为模板合成RNA的过程。在RNA聚合酶的作用下，按照碱基互补配对原则，以DNA的一条链为模板合成RNA，将遗传信息从DNA传递到RNA。4.翻译以mRNA为模板合成蛋白质的过程。在核糖体上，tRNA携带氨基酸按照mRNA上的密码子顺序依次连接，形成多肽链，最终折叠成具有特定功能的蛋白质。5.启动子DNA分子上位于基因上游，能够被RNA聚合酶识别并结合，从而启动基因转录的一段特定DNA序列。它包含了一些保守的元件，如TATA框、CAAT框等，对转录的起始和效率起着关键作用。6.增强子能够增强基因转录活性的顺式作用元件。它可以位于基因的上游、下游或内含子中，通过与转录因子结合，改变染色质结构，促进RNA聚合酶与启动子的结合，从而提高基因的转录水平。7.密码子mRNA上相邻的三个核苷酸组成的三联体，每一个密码子对应一种氨基酸或作为翻译的起始、终止信号。密码子具有简并性、通用性等特点。8.反密码子tRNA上与mRNA密码子互补配对的三个核苷酸序列。通过反密码子与密码子的相互识别，tRNA能够准确地将特定的氨基酸转运到核糖体上参与蛋白质合成。9.内含子真核生物基因中存在的一段不编码蛋白质的DNA序列，它在转录后会被切除，不参与成熟mRNA的形成。内含子的存在增加了基因表达调控的复杂性。10.外显子真核生物基因中编码蛋白质的DNA序列，在转录后经过加工保留在成熟mRNA中，最终被翻译成蛋白质。二、简答题1.简述DNA双螺旋结构的特点。-两条链反向平行：DNA分子由两条脱氧核苷酸链组成，它们的方向相反，一条链的走向是5’→3’，另一条链的走向是3’→5’。-碱基互补配对：两条链之间通过碱基之间的氢键相互连接，A（腺嘌呤）与T（胸腺嘧啶）配对，形成两个氢键；G（鸟嘌呤）与C（胞嘧啶）配对，形成三个氢键。这种碱基互补配对原则保证了DNA复制和遗传信息传递的准确性。-右手螺旋结构：DNA分子形成右手螺旋，每螺旋一周包含约10个碱基对，螺距为3.4nm，直径为2nm。-大沟和小沟：双螺旋结构表面形成大沟和小沟，它们是蛋白质与DNA相互作用的重要部位，许多转录因子等蛋白质可以通过识别大沟和小沟中的碱基序列来调控基因表达。2.简述原核生物和真核生物基因表达调控的主要区别。-转录和翻译的时空关系-原核生物：转录和翻译在同一时间和空间进行，转录产生的mRNA不需要经过复杂的加工就可以直接进行翻译。-真核生物：转录在细胞核中进行，而翻译在细胞质中进行，转录和翻译在时间和空间上是分开的。并且真核生物的mRNA需要经过转录后加工，如加帽、加尾、剪接等过程才能成为成熟的mRNA。-基因结构-原核生物：基因结构简单，多为操纵子结构，多个功能相关的基因串联在一起，由一个启动子控制转录，形成多顺反子mRNA。-真核生物：基因结构复杂，通常是单顺反子，一个基因对应一条mRNA。并且真核生物基因中含有内含子，需要进行剪接等加工过程。-调控层次-原核生物：主要在转录水平进行调控，通过操纵子的正负调控来实现基因表达的调控，如乳糖操纵子的负调控和色氨酸操纵子的正调控。-真核生物：调控层次更加复杂，包括染色质水平的调控（如染色质的重塑、组蛋白修饰等）、转录水平的调控（如转录因子的作用、增强子和启动子的相互作用等）、转录后水平的调控（如mRNA的加工、稳定性调控等）、翻译水平的调控和翻译后水平的调控（如蛋白质的修饰、降解等）。3.简述RNA的种类及其功能。-信使RNA（mRNA）：作为遗传信息的携带者，将DNA上的遗传信息转录下来，带到细胞质中的核糖体上，作为蛋白质合成的模板。不同的mRNA编码不同的蛋白质，其序列决定了蛋白质中氨基酸的排列顺序。-转运RNA（tRNA）：在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用。tRNA分子具有特定的二级和三级结构，一端携带特定的氨基酸，另一端的反密码子可以与mRNA上的密码子互补配对，从而将氨基酸准确地转运到核糖体上参与蛋白质合成。-核糖体RNA（rRNA）：是核糖体的组成成分，与蛋白质共同构成核糖体。rRNA在核糖体的结构和功能中起着重要作用，参与蛋白质合成过程中肽键的形成等反应。-小核RNA（snRNA）：主要参与真核生物mRNA的剪接过程。snRNA与一些蛋白质组成小核核糖核蛋白颗粒（snRNP），通过与内含子的特定序列相互作用，识别剪接位点，完成内含子的切除和外显子的连接。-微小RNA（miRNA）：是一类长度较短的非编码RNA，通过与靶mRNA的互补配对，抑制mRNA的翻译或促进其降解，从而调控基因表达，在细胞的生长、分化、凋亡等过程中发挥重要作用。-长链非编码RNA（lncRNA）：长度大于200个核苷酸的非编码RNA，可在多个层面（如染色质重塑、转录调控、转录后调控等）调控基因表达，参与胚胎发育、细胞分化、疾病发生等多种生物学过程。4.简述DNA复制的基本过程。-起始阶段-解旋：在解旋酶的作用下，DNA双链解开，形成复制叉。同时，单链结合蛋白（SSB）结合在解开的单链DNA上，防止单链重新配对和被核酸酶降解。-引物合成：引物酶以解开的单链DNA为模板，合成一段短的RNA引物，为DNA聚合酶提供3’-OH末端，以便DNA聚合酶开始合成DNA链。-延伸阶段-前导链合成：DNA聚合酶Ⅲ以3’→5’方向的模板链为模板，按照碱基互补配对原则，从引物的3’-OH末端开始，连续地合成前导链，合成方向为5’→3’。-后随链合成：后随链的合成是不连续的。DNA聚合酶Ⅲ在引物的基础上合成冈崎片段，每个冈崎片段的长度在几百到几千个核苷酸不等。当一个冈崎片段合成完成后，DNA聚合酶Ⅰ切除RNA引物，并填补引物留下的空缺，最后由DNA连接酶将相邻的冈崎片段连接起来。-终止阶段-当复制叉移动到终止位点时，DNA复制终止。在一些原核生物中，存在特定的终止序列和终止蛋白，它们可以阻止复制叉的继续移动。三、论述题1.论述基因表达调控在生物发育中的重要作用。基因表达调控在生物发育过程中起着至关重要的作用，它决定了细胞的分化、组织和器官的形成以及个体的发育进程。-细胞分化-细胞分化是指同一来源的细胞在形态、结构和功能上发生稳定性差异的过程。这一过程是通过基因表达调控实现的。在胚胎发育早期，所有细胞都具有相同的基因组，但随着发育的进行，不同细胞中特定的基因被激活或抑制，导致细胞合成不同的蛋白质，从而使细胞具有不同的功能。例如，在神经细胞分化过程中，与神经细胞功能相关的基因如神经递质合成相关基因、神经特异性蛋白基因等被激活表达，而一些与其他细胞类型相关的基因则被抑制。-组织和器官形成-基因表达调控对于组织和器官的形成具有关键作用。不同组织和器官的形成是由一系列基因按照特定的时空顺序表达所控制的。例如，在果蝇的发育过程中，同源异型基因（Hox基因）的表达模式决定了身体各部位的发育命运。Hox基因在不同的体节中特异性表达，控制着体节的分化和器官的形成。如果Hox基因的表达发生异常，会导致身体结构的异常，如出现腿长在触角位置等现象。-胚胎发育的调控网络-基因表达调控形成了一个复杂的网络，在胚胎发育过程中发挥作用。这个网络包括转录因子、信号通路和非编码RNA等多个层次的调控。转录因子可以结合到特定的DNA序列上，激活或抑制基因的转录。信号通路则通过细胞间的信号传递，调节基因的表达。非编码RNA如miRNA和lncRNA可以在转录后水平调控基因表达。这些调控因素相互作用，共同协调胚胎发育的各个阶段，确保胚胎能够正常发育成完整的个体。-发育的时序性-基因表达的时序性对于生物发育至关重要。不同的基因在发育的不同阶段表达，保证了发育过程的有序进行。例如，在植物的开花过程中，一些与营养生长相关的基因在营养生长阶段表达，而一些与生殖生长相关的基因如成花素基因等在合适的条件下（如光照、温度等）开始表达，促进植物从营养生长向生殖生长转变，最终开花结果。如果基因表达的时序性被打乱，会导致发育异常，如植物过早或过晚开花等。2.论述蛋白质合成的过程及影响因素。-蛋白质合成的过程-氨基酸的活化：氨基酸在氨基酰-tRNA合成酶的催化下，与相应的tRNA结合，形成氨基酰-tRNA。该酶具有高度的特异性，能够识别特定的氨基酸和tRNA，保证了氨基酸与tRNA的正确结合。-起始阶段-原核生物：30S小亚基首先与mRNA的核糖体结合位点（SD序列）结合，然后fMet-tRNAfMet（携带甲酰甲硫氨酸的tRNA）结合到起始密码子AUG上，形成起始复合物。最后50S大亚基与起始复合物结合，形成完整的70S核糖体。-真核生物：首先，起始因子eIF与mRNA的5’帽子结构结合，然后40S小亚基与起始因子、Met-tRNAMet（携带甲硫氨酸的tRNA）等结合，在mRNA上扫描，直到找到起始密码子AUG，形成起始复合物。最后60S大亚基与起始复合物结合，形成完整的80S核糖体。-延伸阶段-进位：氨基酰-tRNA根据mRNA上的密码子，在延伸因子的作用下进入核糖体的A位。-成肽：在肽基转移酶的作用下，P位上的肽酰-tRNA的肽链转移到A位的氨基酰-tRNA上，形成新的肽键。-移位：在移位酶的作用下，核糖体沿mRNA向3’方向移动一个密码子的距离，使原来在A位的肽酰-tRNA移到P位，原来在P位的空载tRNA移到E位并释放。-终止阶段-当核糖体遇到终止密码子（UAA、UAG、UGA）时，释放因子（RF）识别终止密码子并结合到核糖体上，促使肽酰-tRNA之间的酯键水解，释放出合成好的多肽链，然后核糖体亚基解离，mRNA也从核糖体上释放出来。-影响蛋白质合成的因素-营养物质：氨基酸是蛋白质合成的原料，缺乏必需氨基酸会影响蛋白质合成的进行。此外，能量物质（如ATP、GTP）对于氨基酸的活化、起始复合物的形成、肽链的延伸等过程都至关重要，能量供应不足会导致蛋白质合成受阻。-激素：一些激素可以调节蛋白质合成。例如，生长激素可以促进蛋白质合成，增加肌肉质量和身体生长。胰岛素可以促进氨基酸进入细胞，同时促进蛋白质合成相关基因的表达，从而提高蛋白质合成的速率。-温度：温度会影响酶的活性，蛋白质合成过程中涉及多种酶（如氨基酰-tRNA合成酶、肽基转移酶等），适宜的温度有利于酶发挥活性，保证蛋白质合成的正常进行。温度过高或过低都会影响酶的活性，从而影响蛋白质合成。-药物和毒素：某些药物和毒素可以抑制蛋白质合成。例如，氯霉素可以与原核生物核糖体的50S大亚基结合，抑制肽基转移酶的活性，从而阻断蛋白质合成；嘌呤霉素的结构与氨基酰-tRNA相似，可以进入核糖体的A位，参与肽键形成，但随后会使肽链提前释放，导致蛋白质合成终止。-基因表达调控：基因表达调控在转录和翻译水平都会影响蛋白质合成。转录水平上，转录因子的活性、启动子和增强子的功能等会影响mRNA的合成量；翻译水平上，如miRNA可以与mRNA结合，抑制mRNA的翻译，从而影响蛋白质合成的量。3.论述基因突变的类型、原因及生物学意义。-基因突变的类型-碱基置换：指DNA分子中一个碱基被另一个碱基所取代。分为转换（嘌呤与嘌呤之间或嘧啶与嘧啶之间的替换）和颠换（嘌呤与嘧啶之间的替换）。碱基置换可能导致密码子的改变，从而影响蛋白质的氨基酸序列。-插入和缺失：插入是指在DNA序列中插入一个或多个碱基；缺失是指DNA序列中缺失一个或多个碱基。插入和缺失可能会导致阅读框的改变，使后续的密码子发生错位，产生截短或异常的蛋白质。-移码突变：由于插入或缺失的碱基数目不是3的倍数，导致从突变位点开始的密码子阅读框发生改变，从而使翻译出的蛋白质氨基酸序列发生很大变化。-动态突变：某些基因中的短串联重复序列（如三核苷酸重复序列）在世代传递过程中拷贝数发生扩增，导致疾病的发生。例如，亨廷顿病就是由于Huntingtin基因中的CAG三核苷酸重复序列扩增引起的。-基因突变的原因-自发突变-DNA复制错误：DNA聚合酶在复制过程中可能会出现错误，虽然DNA聚合酶具有校对功能，但仍有少量错误会保留下来，导致基因突变。-碱基的自发化学变化：如碱基的脱氨基作用，会使胞嘧啶变成尿嘧啶，腺嘌呤变成次黄嘌呤等，从而导致碱基配对错误，引起基因突变。-诱发突变-物理因素：如紫外线、X射线、γ射线等。紫外线可以使DNA分子中的相邻嘧啶碱基形成二聚体，影响DNA的复制和转录；X射线和γ射线等高能射线可以直接破坏DNA分子的化学键，导致DNA断裂、碱基损伤等。-化学因素：许多化学物质可以诱发基因突变，如亚硝酸可以使碱基发生脱氨基作用；烷化剂可以使碱基发生烷基化修饰，导致碱基配对错误；碱基类似物（如5-溴尿嘧啶）可以在DNA复制时掺入到DNA分子中，引起碱基配对错误。-生物因素：某些病毒和细菌可以引起基因突变。例如，一些逆转录病毒可以将其基因组整合到宿主细胞的DNA中，导致宿主基因结构和功能的改变。-基因突变的生物学意义-为生物进化提供原材料：基因突变产生新的等位基因，增加了基因的多样性。这些新的基因可能会使生物具有新的性状和功能，在自然选择的作用下，适应环境的突变基因会被保留和积累，从而推动生物的进化。-导致遗传疾病：许多基因突变会导致遗传疾病的发生。例如，镰刀型细胞贫血症是由于血红蛋白基因中的一个碱基置换，使编码的氨基酸发生改变，导致血红蛋白结构异常，红细胞变形能力下降，容易破裂，引起贫血等症状。-影响生物的生长发育和生理功能：基因突变可能会影响生物体内基因的正常表达和调控，从而影响生物的生长发育和生理功能。例如，一些基因突变可能导致植物的生长矮小、开花异常等。-用于基因功能研究：通过人为诱导基因突变或研究自然发生的基因突变，可以了解基因的功能。例如，通过研究基因突变导致的表型变化，可以推断该基因在生物体内的作用。四、实验设计题设计一个实验，验证某一基因是否为某一信号通路的关键调控基因。实验目的：验证某一基因是否为某一信号通路的关键调控基因。实验材料：细胞系、含有目的基因的表达载体、目的基因的siRNA、信号通路相关的抗体、荧光定量PCR试剂、Westernblot试剂等。实验步骤：1.基因过表达实验-将含有目的基因的表达载体转染到细胞系中，同时设置转染空载体的对照组。-培养一段时间后，收集细胞。