现代分子生物学（第6版）习题及解答 思考题解析 第1-5章

第1章思考题解析

1.简述孟德尔、摩尔根和沃森等人对分子生物学发展的主要贡献。

答：孟德尔：经典遗传学创始人，提出遗传单位——遗传因子（现在遗传学

称为基因），并揭示遗传学的两条基本规律（统一规律和分离规律），使人们

对性状遗传有了理性认识。

摩尔根：第一个用实验证明“基因”学说；提出遗传性状的连锁规律，又称

连锁遗传，第一次将代表某一特定性状的基因，与某一特定的染色体联系起

来，使科学界普遍认识了染色体的重要性并接受了孟德尔的遗传学原理，是

现代遗传学的奠基石。

沃森和克里克：提出DNA双螺旋模型，揭示了遗传信息的传递规律，使人

们对于基因的理解具体化，也促进了分子生物学的崛起及快速发展。

2.写出DNA、RNA、mRNA和siRNA的英文全名。

答：DNA：Deoxyribonucleicacid：RNA：Ribonucleicacid；mRNA：messenger

RNA；siRNA：smallinterferingRNA

3.试述“有其父必有其子”的生物学本质。

答：“有其父必有其子”的生物学本质就是基因遗传。基因控制生物的遗传

性状，子代的基因一半来自父本，一半来自母本，也正是由于这种遗传特性，

子女与父母具有一些相似的特征。

4.早期主要有哪些实验证实DNA是遗传物质？写出这些实验的主要步骤°

答：1928年，英国科学家Griffith进行了肺炎双球菌转化实验。1944年，Avery

用致病细菌的分离提取物证明遗传物质是DNA,而不是蛋白质。1952年，

Hershey和Chase的T2噬菌体侵染细菌实验。

肺炎双球菌转化实验主要步骤：将活的S型细菌注射到实验小鼠体内，

小鼠迅速死亡；将经烧煮灭活的S型细菌注射到小鼠体内，小鼠保持健康；

将活的R型细菌注射到小鼠体内，小鼠也保持健康；而将烧煮灭活的S型细

菌和活的R型细菌一道注射到小鼠体内却能导致小鼠死亡。分离被杀死的S

型细菌的各种组分并分别与活的R型细菌混合，注射小鼠后发现，只有S型

死细菌的DNA能使R型细菌发生转化，获得致病力。

证明遗传物质是DNA的实验主要步骤：将平滑型肺炎球菌的主要细菌

结构去除。然后，在剩余下来的物质中加入了蛋白酶，以促进蛋白质的分解。

将粗糙型的肺炎球菌加入平滑型肺炎球菌的DNA中后，粗糙型的肺炎球菌

被转化成了平滑型的肺炎球菌，并稳定地进行了几代的自我复制。表明DNA

才是真正的遗传物质。

T2噬菌体侵染细菌实验主要步骤：当细菌培养基中分别带有35s或32P

标记的氨基酸或核甘酸，子代噬菌体中就相应含有35s标记的蛋白质或32P

标记的核酸。分别用这些噬菌体感染没有放射性标记的细菌，经过1〜2个

噬菌体DNA复制周期后发现，子代噬菌体中几乎不含带35s标记的蛋白质，

但含有30%以上的32P标记，说明在噬菌体传代过程中发挥作用的可能是

DNA,而不是蛋白质。

5.请分别定义重组DNA技术和基因组编辑技术.

答：重组DNA技术：将不同的DNA片段（如某个基因或基因的一部分）按

照人们的设计定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并表达出

相关蛋白，产生影响受体细胞的新的遗传性状。

基因组编辑（genomeediting）技术：利用序列特异核酸酶在基因组特异

位点产生DNA双族断裂，从而激活生物体自身的同源重组或非同源末端连

接修复机制，以达到特异性改造基因组之目的。CRISPR/Cas9系统是目前最

常用的基因组编辑技术。Cas9蛋白是CRISPR/Cas系统中的核酸酶，具有

剪切DNA的功能。该蛋白质与引导RNA（sgRNA）配对，导航到目标DNA

分子上并对其进行切割，为进一步的基因组编辑，如碱基插入、删除或替换

DNA片段等提供机会。

6.说出分子生物学的主要研究内容。

答：（1）重组DNA与基因组编辑技术：将不同的DNA片段按照人们的设计

定向连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响

受体细胞的新性状。可用于定向改造某些生物的基因组结构，还被用来进行

基础研究。全基因组编辑技术，为生物学研究和应用提供了前所未有的可能

性。

（2）基因表达调控研究：基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译，原

核生物的转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在

转录水平；真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分

隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加工过程，其基因表达的调控可以

发生在各种不同的水平上。基因表达调控主要表现在信号转导研究、转录因

子研究及RNA剪辑3个方面。

（3）结构分子生物学：研究生物大分子特定的空间结构及结构的运动变化

与其生物学功能关系的科学。它包括结构的测定、结构运动变化规律的探索

及结构与功能相互关系的建立。

（4）基因组、功能基因组与生物信息学研究：在测定基因组序列了解基因

的基础上，借助功能基因组计划，依赖生物信息学快速高效的鉴定基因的产

物和功能并进行统计分类和结构功能预测。DNA序列分析技术和功能基因

姐学是生物学和生物信息学领域中的重要研究方向°DNA序列分析技术涉

及从DNA样本中获得序列数据，并通过计算和分析来解读这些数据。功能

基因组学则通过整合DNA序列信息和其他实验数据来解析基因组的功能。

7.通过对本章的学习，哪些科学家的哪些事迹使你感动？

答：（1）英国生物学家、进化论的奠基人一达尔文。达尔文对拉马克的进化

学说一用进废退，获得性遗传提出质疑。为了拿出令人信服的证据，他参加

了历时5年的贝格尔号军舰环球旅行，历尽了千辛万苦，在晕船、饥渴、病

痛和死亡的威胁下，他坚持工作，采集了大量动、植物标本和化石并细心地

进行比较、鉴别和研究，提出并解答了一系列学术问题，用大量事实证明“物

竞天择，适者生存”的进化论思想。

（2）荷兰显微镜专家LeeuwenhoekoLeeuwenhoek虽出身贫寒，16岁便失

学当了学徒。但在好奇心驱使下，他把工余时间都用来研究、磨制、装配玻

璃透镜，制作成功了世界第一架九学显微镜。

（3）奥地利大科学家、经典遗传学创始人孟德尔。虽然因为家境贫寒，没

有念完大学就当了修道士，但却矢志不渝钻研科学。他出于对“种瓜得瓜，

种豆得豆”的生物遗传现象的好奇和困惑，挑选了20多种大小不同，形状、

颜色各异的食用豌豆，在修道院里反复进行杂交、自交等试验，揭示了遗传

学的两大基本规律。

（4）摩尔根是美国进化生物学家，遗传学家和胚胎学家，是现代实验生物

学奠基人。他从小热爱生物，形成了“一切都要经过实验”的信条。为了检

验孟德尔定律，他利用老鼠、果蝇进行实验，在进行果蝇诱发突变的实验过

程中频频失败，但是屡败屡战，终于发现了白眼突变果蝇，并留下了突变基

因，在此基础上他于20世纪20年代创立了著名的基因学说，揭示了基因是

组成染色体的遗传单位，它能控制遗传性状的发育，也是突变、重组、交换

的基本单位。

（5）其他为分子生物学发展做出贡献的杰出科学家们。

8.你觉得分子生物学最可能将在哪些方面尽快获得突破。

答：分子生物学可能将在以下方面获得突破：

（1）遗传病的机制解析及治疗；

（2）通过核酸、置白质序列间的比较，探讨物种的起源、分类和进化：

（3）动、植物个体发育的分子机制研究；

（4）以基因组学、转录物组学、蛋白质组学、脂质组学以及代谢组学等不

同层次“组学”为基础的系统生物学研究。

（5）其他方面。

第2章思考题解析

1.染色体具备哪些作为遗传物质的特征？

答：染色体作为遗传物质的特征：（1）能够自我复制，使亲、子代之间保持连

续性；（2）分子结构相对稳定；（3）能指导蛋白质的合成，控制生命过程；（4）

能产生可遗传的变异。

2.简述真核细胞内核小体的结构特点。

答：（1）核小体是由H2A,邮、出、H4各两个分子生成的八聚体以及大约200bp

DNA组成。⑵电•出四聚体的形成启动核小体的组装，四聚体与DNA结合，再

与两个H2A-H2B二聚体结合，完成核小体的组装。⑶八聚体在中间，DNA分

子盘绕在外，出在核小体的外面，每个核小体只有一个出。（4）核小体串联

起来形成染色质细丝。形成过程：两分子的也和两分子的1光形成四聚体,

然后由和形成的异二聚体在该四聚体的两侧，分别结合形成八聚体。

H2AH2B

长146bp的DNA以左手螺旋的形式盘绕在八聚体上1.8圈，形成核小体的核

心颗粒，每圈约80bp。核心颗粒两端的DNA各有11bp与Hi结合，形成完整

的核小体。

3.请列举3项实验证据来说明为什么染色质中DNA与蛋白质分子是相互作用的。

答：证据一：用微球菌核酸酶(MicrococcalNuclease)处理染色质后进行电泳，

可以得到一系列片段，这些被保留的DNA片段均为200bp基本单位的倍数。

证据二：染色质的电子显微镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以

看到由一条细丝连接着的一连串直径为10nm的球状体。在染色质的X射线衍

射图中也发现了10nm的重复单位。

证据二：在染色质状态卜，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA更制

和转录活性大大低于在自由DNA中的反应。DNA酶I对染色质DNA的消化远

远慢于对纯DNA的作用。

4.简述组蛋白的主要修饰类型并说出其功能。

答：组蛋白的修饰作用只发生在细胞周期的特定时间和组蛋白的特定位点上,

由于其富含精氨酸和赖氨酸，可以发生包括甲基化、乙基化、磷酸化及泛素化

等修饰，所有这些修饰作用都有一个共同的特点：降低组蛋白所携带的正电荷,

直接或间接影响基因的转录活性。

(1)甲基化可发生在组蛋白的Lys和Arg残基上，不同程度的甲基化极大地增

加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性，组蛋白甲基化的异常导致肿瘤等

多种人类疾病的发生；

(2)乙酰化主要发生在核心组蛋白上，主要分布在国和山的N端比较保守的

赖氨酸位置上。乙酰化修饰由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进

行，以保证乙酰化水平的动态平衡。参与DNA修复、拼接和复制，参与染色

体组装以及细胞的信号传导，与某些疾病的形成密切相关。

(3)磷酸化参与基因转录、DNA修复、细胞凋亡及染色体浓缩等过程。

(4)泛素化修饰位点为高度保守的赖氨酸残基。泛素化修饰不会导致蛋白质的

降解，却能招募核小体形成染色体，并参与X染色体的失活，影响组蛋白的

甲基化和基因的转录，在DNA损伤应答等生理过程中发挥重要调控作用。

5.简述DNA的一、二、三级结构特征。

答：DNA又称脱氧核糖核酸，其基本单位是脱氧核甘酸。

(1)DNA一级结构是指4种核甘酸的连接及排列顺序，表示该DNA分子的化学

构成。组成DNA分子的碱基只有4种，配时方式为A与T、C与G,由于碱基

可以任何顺序排列，构成DNA分子的多样性。许多脱氧核甘酸经3,5磷酸二

酯键聚合而成为DNA链。

(2)DNA二级结构是指两条多核甘酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构，其

特点是：DNA分子由两条互相平行的脱氧核甘酸长链盘绕而成，DNA分子中

的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧，

两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律，却：

噂吟与喀咤配对(A与T,G与C配对)。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基

互补配对原则。由于碱基可以任何顺序排列，因此构成了DNA分子的多样性。

通常情况下DNA的二级结构分两大类:一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA,

DNA通常以右手螺旋形式存在；另一类是左手螺旋，即Z-DNA。

(3)DNA的三级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构,

包括超螺旋、线性双链中的纽结、多重螺旋等。其中超螺旋结构是其主要形

式，可分为正超螺旋(右手螺旋)和负超螺旋(左手螺旋)两类，负超螺旋

是细胞内常见的DNA高级结构形式，正超螺旋是过度缠绕的双螺旋。它切在

不同类型的拓扑异构酶作用下或特殊情况下可相互转变。

6.原核生物DNA具有哪些不同于真核生物DNA的特征？

答：(1)结构简练。原核DNA分子的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小

的一部分不转录，这与真核细胞DNA冗余现象完全不同。不转录的DNA通常

是控制基因表达的序列。

⑵存在转录单元。原核生物DNA序列中功能相关的基因(RNA和蛋白质基因)，

往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可

被一起转录为含多个mRNA的分子，叫多顺反子mRNA,受同一操纵基因调控。

原核基因是多顺反子结构，是连续的，而真核生物为单顺反子。

(3)有重叠基因。主要有三种情况：①一个基因完全在另一个基因里面；②部

分重置；③两个基因只有一个碱基对是重叠的。尽管这些重置基囚的DNA序

列大致相同；但由于基因重叠部位一个碱基的变化可能影响后续肽链的全部序

歹从而编码完全不同的蛋白质，而真核生物多为断裂基因。

7.谁提出了DNA双螺旋结构模型？简述其主要实验依据及其在分子生物学发展

中的重要意义。

答：Watscn和Crick于19S3年提出DNA的双螺旋结构模型-其主要内容如下：

(1)两条互补的多核甘酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链都为右手螺旋；

(2)DNA分子的基本骨架是脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在双螺旋外侧，彼此

通过315"-磷酸二酯键连接，碱基排列在双螺旋的内侧，碱基平面与纵轴垂直。

(3)双螺旋的平均直径为2.0nm,相邻碱基平面之间垂直距离为0.34nm,每10

个碱基对旋转一圈，碱基对之间的螺距为3.4nm。

(4)在双螺旋的表面分别形成大沟和小沟，大沟部分和蛋白结合。

(5)两条链通过碱基互补配对连在一起，借助碱基之间的氢键和碱基堆积力牢

固结合，维持DNA结构的稳定性。

该模型的建立对促进分子生物学及分子遗传学的发展具有划时代意义，对

DNA本身的复制机制、遗传信息的存储方式和遗传信息的表达、生物遗传稳定

性和变异性等规律的阐明起了非常重要的作用，同时，该模型的建立也推进了

一系列分子生物学技术的发展，如PCR技术，DNA分子杂交技术等等。

8.DNA以何种方式进行复制？如何保证复制的准确性？

答：染色体DNA的自我复制主要是通过半保留复制来实现的，是一个以亲代

DNA分子为模板合成子代DNA链的过程。双链DNA的复制是一个非常复杂的

过程，有复制的起始、延伸和终止三个阶段。

保证DNA复制准确性的因素,：

（1）内因：①按碱基配对原则进行DNA链的合成。②DNA聚合酶对碱基的识

别作用，有利于选择正确的碱基掺入引物末端。③DNA聚合酶的高选择性。

DNA聚合酶对底物的识别作用，可以先识别引物最后一个碱基是否正确，后识

别参入的dNTP是否正确。④DNA聚合酶具有3,玲5外切酶的作用，可以自我

校对。⑤使用RNA引物，减少复制差错，提高了复制准确性。⑥有错配修复

机制。

（2）外因：MM+和Mg2+的比例、浓度对核甘酸还原酶活性进行调控，确保细胞

内四种dNTP在浓度上的平衡。

9.简述原核生物DNA的复制特点。

答：（1）原核生物双链DNA都是以半保留方式遗传的，DNA的复制在整个细胞

周期都能进行；（2）只有一个复制起点，复制子较大；（3）在起始点处解开形成

复制叉，快速生长的原核生物，在复制起始点上可以连续开始新的DNA复制，

表现为虽只有一个复制单元，但可有多个复制叉。（4）复制叉移动速度很快，

是真核生物很多倍；（5）是半不连续的复制J,需要多种酸和蛋白质的协同参与，

都涉及拓扑异构酶、解旋酶、单链结合蛋白、引物合成酶、DNA聚合酶、连接

酶等；（6）DNA聚合酶在组成和功能上与真核生物有很大的不同；（7）DNA分子

是环形,不存在末端缩短问题；⑻冈崎片段大（1000-2000nt）o

10.什么是DNA的Tm值?它受哪些因素的影响？

答:Tm值:增色效应达到最大值的一半时的温度叫DNA的熔解温度（或熔点），

以符号Tm表示。不同序列的DNA,Tm值不同。

影响Tm值的因素：

（l）DNA的均一性。一些病毒DNA、人工合成的多腺喋吟•胸腺喀咤脱氧核

甘酸等均质DNA融解温度范围较小，而异质DNA融解温度范围较宽，因此

Tm值也可作为衡量DNA样品均一性的标准。DNA的均一性高，融解过程爆

发的温度范围窄。

（2）DNA分子中GC碱基对的含量。DNA分子中GC含量高，则Tm值大，这

主要是因为G-C碱基对间有3个氢键，并且它与相邻碱基间的堆积力更大。

两者的关系可表示为：

T=693+0.41(G+C)%o

(3)DNA溶液的离子强度。离子强度的效应反映出双螺旋的另一基本特征。

两条DNA链的骨架包含了带负电荷的磷酸基团，当这些负电荷没有被中和时,

DNA双链间的静电斥力将驱使两条链分开。在高离子强度下，负电荷可以被

阳离子中和，双螺旋的结构稳定保持；在低离子强度下，未被中和的负电荷

将会降低双螺旋的稳定性。因此，在离子强度较低的介质中，DNA的Tm值

较低而范围宽，在较高离子强度下，Tm值较高而范围窄。离子强度高，熔

解温度范围窄；离子强度低，熔解温度范围宽。

(4)核酸分子的长度。一定条件下(相对较短的核酸分子)，Tm值大小还与核

酸分子的长度有关。核酸分子越长，值越大。

11.DNA复制时为什么前导链是连续复制，而后随链是以不连续的方式复制?并请

以大肠杆菌为例简述后随链复制的各个步骤。

答：DNA双螺旋的两条链是反向平行的，因此在复制叉附近解开的DNA钱一

条是5,f3,方向，另一条是3，与5,方向，两个模板的极性相反。DNA聚合酶只

有聚合酶活性，而没有3,f5,聚合酶活性。这样在一条链上,DNA合成方

向和复制义移动方向相同，可以连续复制，而在另一条模板链上，DNA合成方

向和复制叉移动方向却是相反的，必须在引物酶的作用下，先合成一段引物，

在DNA聚合酶m的作用下，在引物RNA的3,瑞合成一段1至2kb的冈崎片

段,然后由DNA聚合酶I切除引物，相邻的片段之间的缺刻最后由连接酶连接，

因此后随链以不连续的方式完成它的复制过程。

大肠杆菌DNA复制包括复制的起始、DNA片段的延伸和复制的终止三个

过程。具体如下：

(1)复制起始；①复制叉的形成：复制蛋白DnaA识别大肠杆菌复制起始点

(oriC)并与其结合，然后DnaC结合上去，允许解旋酶DnaB结合，将母链DNA

分开，形成一个复制叉；在起始点出现复制泡，从起点向两个方向移动。②引

物的形成在后随链上，DNA引发酶(DnaG)与DnaB结合形成复合体，ATP水解

驱动复合物沿模板链移动，促使母链分开，单链结合蛋白(SSB)与单链DNA相

结合，DnaG催化合成短的RNA引物。

(2)延伸：DNA聚合酶DI从引物3，-0H起，延伸冈崎片段，当聚合酶复合物遇到

己经合成的冈崎片段引物时，延长反应停止；DNA聚合酶HI从DNA模板上解

离下来。前导链则连续合成，直到终点。

⑶DNA复制的终止：①DNA聚合酶I去除引物，并填补留下的空隙。②DNA

连接酶封闭缺口，完成链的合成。

12.真核生物DNA的复制在哪些水平上受到调控？

答：真核细胞中DNA复制有3个水平的调控：真核生物DNA的复制在细胞

周期、染色体水平以及复制子水平都可进行调控。

(1)细胞生活周期水平调控，也称为限制点调控，即决定细胞停留在G1期

还是进入S期。许多外部因素和细胞因子参与限制点调控。促细胞分裂剂、致

癌剂、外科切除等都可诱发细胞由G1期进入S期。一些细胞因子如四璘酸

二腺昔和聚ADP-核糖也可诱导DNA的复制。

(2)染色体水平调控。决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一

定顺序在S期起始复制，这种有序复制的机制还不清楚。

(3)复制子水平调控。决定复制的起始与否。这种调控从单细胞生物到高等

生物是高度保守的。此外，真核生物复制起始还包括转录活化、复制起始复合

物的合成和引物合成等阶段，许多参与复制起始蛋白的功能与原核生物中相类

似。酵母染色体复制只发生于S期，各个复制子按专一的时间顺序活化，在S

期的不同阶段起始复制。

13.细胞通过哪几种修复系统对DNA损伤进行修复？它们在维持基因组稳定性

中的作用是什么？

答：细胞可以通过直接修复、错配修复、重组修复、跨损伤合成和SOS多种修

复机制来修复DNA损伤。

(1)DNA的直接修复(directrepair)：生物体内还存在多种DNA损伤以后直

接修复(directrepair)而并不需要切除碱基或核苜酸的机制。直接修复是把损伤的

碱基回复到原来状态的一种修复。如DNA光解酶(photolyase)修复胸腺喀咤二体

及6-4光化物(6-4photoproduct)的过程。

(2)错配修复(mismatchrepair)：一旦在DNA复制过程中发生错配，细咆能

够通过准确的错配修复系统识别新合成链中的错配并加以校正，DNA子链中的错

配几乎完全能被修正，充分反映了母链序列的重要性。该系统识别母链的依据来

自Dam甲基化酶。

(3)切除修复①碱基切除修复(base-excisionrepair)：细胞中有能识别受损

核酸位点的糖昔水解酶，特异性切除受损核昔酸上的Nf糖昔键，在DNA捱上

形成去噪吟或去喀咤位点，统称为AP位点。一旦产生AP位点，AP内切核酸酶

就会把受损核甘酸的糖甘-磷酸键切开，移去包括AP位点在内的小片段DNA,由

DNA聚合酶I合成新的片段。②核甘酸切除修复(nucleotide-excisionrepair)：

当DNA链上相应位置的核甘酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核

甘酸切除修复系统负责修复。

(4)同源重组修复(homologousrecombinationrepair,HR)和非同源末端连接

(non-homologousendjoining,NHEJ),当DNA发生双链断裂时,可通过同源

重组修复和非同源末端连接来进行修复。同源重组修复是利用细胞内的同源染色

体对应的DNA序列作为修复模板进行DNA修复的过程。

(5)跨损伤合成(translesionsynthesis,TLS)是一类复制后修复，也被称为“跨

缺刻复制〃或“备份复制〃(backupsynthesis),最先发现于原核细胞中。在DNA

链复制过程中，当DNA聚合酶遇到嗜咤二聚体或脱嚏吟位点等没有被修复的损

伤而使复制停顿时，复制机器必须越过损伤以防止复制叉的崩塌，机体必须启动

跨损伤合成系统并忽略已存在的损伤。

(6)SOS修复系统(SOSrepair)SOS修复(SOSrepair)系统是细胞DNA受到损

伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。它

是一种旁路系统，允许新生的DNA链越过胸腺喉咤二聚体继续复制，其代价是

保真度的极大降低。SOS修复包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的

抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等。

14.什么是转座子？可分为哪些种类？

答：转座子（transposon,Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基

本单位。转座子分为两大类：插入序列（insertionalsequence,IS）和复合型

转座子（compositetransposon）。

（1）插入序列（IS序列）是最简单的转座子，是细菌的一小段可转座元件，

它不含有任何宿主基因而常被称为插入序列，它们是细菌染色体或质粒DNA

的正常组成部分。常见的IS序列都是很小的DNA片段（约1千碱基对），末端

具有反向重复区，转座时往往复制宿主靶位点一小段（4〜15碱基对）DNA,形

成位于IS序列两端的正向重复区。

（2）复合型转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，

其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基

因两端时就可能产生复合型转座子。一旦形成复合型转座子，IS序列就不能

再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。

15.转座的遗传效应有哪些？

答：转座子引发了许多遗传变异，如基因重排及质粒-染色体DNA整合等，DNA

转座的遗传学效应主要有以下几方面：

（1）转座引起插入突变。各种IS、Tn转座子都可以引起插入突变。如果插入位

于某操纵子的前半部分，就可能造成极性突变，导致该操纵子后半部分结构基因

表达失活。

（2）转座产生新的基因。如果转座子上带有抗药性基因，它一方面造成靶DNA序

列上的插入突变，同时也使这个位点产生抗药性。

（3）转座产生的染色体畸变。当复制型转座发生在宿主DNA原有位点附近时，

往往导致转座子两个拷贝之间的同源重组，引起DNA缺失或倒位。若同源重组

发生在两个正向重复转座区之间，就导致宿主染色体DNA缺失；若重组发生在

两个反向重复转座区之间，则引起染色体DNA倒位。

（4）转座引起的生物进化。由于转座作用，使原来在染色体上相距甚远的基因

组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，可能产生有新的生物学功能的基因

和新的蛋白质分子。

第3章思考题解析

1.什么是编码链？什么是模版链？

答：与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链(或有意义链)；另一条

根据碱基互补原则指导mRNA合成DNA链称为模版链(或反义链)。

2.简述RNA的种类及其生物学意义。

答：生物体内的RNA种类繁多，且分布在细胞的不同部位。

细胞内总RNA

编码RNA非编码RNA

占总量的2%占总量的98%

|।।।।।।

前mRNA(hnRNA)

非编码RNAHijrRNA前tRNAsnRNAsnoRNAscRNA(tmRNA^)

II

mRNArRNAtRNA

所有生物仅真核生物U)仅细菌

编码RNA：mRNA(hnRNA)：mRNA是合成蛋白质的模板，由模扳链

DNA所转录；真核生物的基因转录时，包括内含子和外显子的整个基因均

被转录，形成分子大小极不相同的核内不均一RNA(heterogeneousnuclear

RNA,hnRNA)ohnRNA通过剪接和加工，转化为成熟的mRNA,原核生物

mRNA一般不需要剪接和加工。

非编码RNA：以RNA形式直接发挥作用的RNA,称非编码RNA

(non-codingRNA,ncRNA)。

tRNA是mRNA上碱基序列(即遗传密码子)的识别者和氨基酸的转运

者，能特异性解读mRNA中的遗传信息、将其转化成相应氨基酸后加入多

肽链中。

rRNA直接参与核糖体中蛋白质合成。

细胞核小分子RNA(smallnuclearRNA,snRNA)主要存在于细胞核中，

少数穿梭于核质之间，或存在于细胞质中。snRNA存在广泛，但含量不高,

只占细胞RNA总量的().1%〜1%,分子大小多为58〜30()b。snRNA均以核

糖核酸蛋白(ribonuclearprotein,RNP)的形式存在。参与hnRNA的剪接和

加工过程等。

核仁小分子RNA(smallnucleolarRAN,snoRNA)广泛分布于核仁区，

大小一般为几十到几百个核甘酸，主要参与rRNA前体的加工。

ScRNA(SmallCytoplasmicRNA)小胞质RNA,分布在细胞质，主要在

蛋白质合成过程中起作用。

tmRNA(Transfer-messengerRNA),是细菌和部分细胞器中特有的一类

双功能RNA,即有tRNA的功能，又有mRNA的功能，翻译时既可以转运

氨基酸，又可作合成肽链的模版。

3.简述原核和真核生物RNA结构特征。

答：(1)原核生物mRNA的半衰期短。细菌基因的转录与翻译是紧密相联

的，基因转录一旦开始，核糖体就结合到新生mRNA链的5,端，启动蛋白

质合成，而此时该mRNA的3,端还远远没有转录完全。mRNA的降解紧

随着蛋白质翻译过程发生。真核生物mRNA的合成和蛋白质的合成发生在

不同的空间和时间范畴内，因此其mRNA的半哀期通常比原核生物更长，

具体取决于细胞类型、mRNA的序列特征及调控需求。

(2)许多原核生物mRNA可能以多顺反子的形式存在，而真核生物

mRNA一般以单顺反子形式存在。

(3)原核生物mRNA的夕端无帽子结构，3,端没有或只有较短的多

(A)结构。原核生物起始密码子AUG上游7〜12个核甘酸处有一被称为

SD序列(Shine-Dalgarnosequence)的保守区，因为该序列与16SrRNA3'

端反向互补，所以被认为在核糖体与mRNA的结合过程中起作用。真核生

物mRNA的5,端存在“帽子”结构。

(4)一般来说，原核生物mRNA的3,端不具有poly(A)尾。绝大多数

真核生物mRNA的3,端具有poly（A）尾。

4.简述RNA转录的概念及其基本过程。

答：RNA转录：以DNA为模板，游离碱基为原料，在依赖于DNA的RNA

聚合酶催化下，以4种NTPs（ATP、CTP、GTP、UTP）为原料，合成RNA

的过程。无论是原核还是真核细胞，RNA链的合成都具有以下几个特点：

RNA是按5J3方向合成的，以DNA双链中的反义链（模板链）为模板，

在RNA聚合酶催化下，以4种核甘三磷酸（NTPs）为原料，根据碱基配对

原则（A-U、T-A、G-C）,各核甘酸间通过形成磷酸二酯键相连，不需要引

物参与，合成的RNA带有与DNA编码链（有义链）相同的序列（A-U）。

转录的基本过程包括模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和

终止。

5.请说出转录与复制的异同点。

答：相同点：（1）都以DNA链作为模板；（2）合成的方向均为9—31（3）

聚合反应均是通过核甘酸之间形成的315。璘酸二酯键，使核甘酸链延长；

（4）都遵循碱基互补配对原则；（5）都需要酶的参与。

不同点：（1）与DNA聚合酶不同，RNA聚合酶具有从头起始转录的能

力，所以它在催化RNA合成时不需要引物。（2）RNA聚合酶在添加几个

核甘酸后，便将正在延长的链从模板上置换下来，RNA产物不与模板DNA

链保持碱基互补状态。（3）转录具有选择性，RNA转录则是选择性地复制

基因组的特定部分，可以产生几个到上千个相同的拷贝。（4）与DNA复制

的精确度相比，转录中每添加10000个核甘酸会发生一次错误，表明转录过

程缺乏严谨的矫正机制C

复制和转录中的一些不同点如下表:

复制转录

模板两条链均复制模板链转录

原料dNTPCdATP,dTTP,dGTP,dCTP)NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)

酶DNA聚合酶RNA聚合前

产物子代双链DNAmRNA,(RNA,rRNA等RNA

配对A-T,G-CA-U,G-C

引物RNA引物无

6.大肠杆菌的RNA聚合酶由哪些组成成分？各个亚基的作用是什么？

答：大肠杆菌的RNA聚合酶是由2个a亚基、一个。亚基、一个伊亚基和

一个3亚基组成的核心酶，加上一个。亚基后则成为聚合酶全酶。

a亚基与核心酶的组装及启动子的识别布•关，并参与RNA聚合酶和部

分调节因子的相互作用；亚基和0'亚基组成了聚合酶的催化中心，亚基

能与模版DNA、新生RNA链及核甘酸底物相结合。。因子的作用在于帮助

转录起始，因此也称为起始亚基，一旦转录开始，它就脱离了起始复合物，

而由核心酶负责RNA链的延伸。3亚基促正核心酶的组装，可作为卜亚基

的分子伴侣。

7.什么是封闭复合物、开放复合物以及三元复合物？

答：转录过程中的模版的识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭性

复合物；封闭性复合物形成后，此时，DNA链仍然处于双链状态，伴随着

DNA构象的重大变化，封闭性复合物转化为开放复合物，聚合酶全酶所结

合的DNA序列中有一小段双链被解开；开放复合物与最初的两个NTP相结

合并在这两个核甘酸之间形成磷酸二脂键后即转变成包括RNA聚合酶、

DNA和新牛RNA的二元复合物.

8.简述。因子的作用。

答”因子的作用是负责模版链的选择和转录的起始,它是酶的别构效应物，

使酶专一性识别模版上的启动子；o因子可以极大的提高RNA聚合酶对启

动子区DNA序列的亲和力；。因子还能使RNA聚合酶与模版DNA上非特

异性位点的结合常数降低。

9.什么是Pribnowbox?它的保守序列是什么?

答:Pribnowbox属于启动子的结构。1975年,PribnowSchaller设计了一

个实验，把RNA聚合酶全酶与模板DNA结合后，用DNaseI水解DNA,

然后用酚抽提，沉淀纯化DNA后得到一个被RNA聚合酶保护的DNA片

段，有41〜44个核甘酸对。在启动子被保护区内有一个由5个核昔酸组成

的共同序列，是RNA聚合酶的紧密结合点，现在称为Pribnow区（Pribnow

box）,这个区的中央大约位于起点上游lObp处，所以又称为TO区。它的保

守序歹|J是TATAAT,

10.说出真核和原核基因转录的异同。

答：相同点：RNA按方向合成，以DNA双链中的反义链（模板链）为

模板，在RNA聚合酶催化下，以4种核甘三磷酸（NTPs）为原料，根据碱基

配对原则，各核甘酸间通过形成磷酸二酯键相连，不需要引物的参与，合成

的RNA带有与DNA编码链相同的序列（A-U）。转录的基本过程包括模板识

别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。

不同点：（1）只有一种RNA聚合酶参与所有类型的原核生物基因转录,

而真核生物有3种以上的RNA聚合酶来侦责不同类型的基因转录，合成

不同类型的、在细胞核内有不同定位的RNAo

（2）转录产物有差别。原核生物的初始转录产物大多数是编码序列，

与蛋白质的氨基酸序列呈线性关系；而真核生物的初始转录产物很大，含有

内含子序列，成熟的mRNA只占初始转录产物的一小部分。

（3）原核生物的初始转录几乎不需要剪接加工，就可直接作为成熟的

mRNA进一步行使翻译模板的功能：直核牛物转录产物需要经过剪接、修饰

等转录后加工成熟过程才能成为成熟的mRNA。

（4）在原核生物细胞中，转录和翻译不仅发生在同一个细胞空间里，

而且这两个过程几乎是同步进行的，蛋白质合成往往在mRNA刚开始转录

时就被引发。真核生物mRNA的合成和蛋白质的合成则发生在不同的空间

和时间范畴内。

H.大肠杆菌的终止子有哪两大类？请分别介绍一下它们的结构特点。

答：大肠杆菌的终止子可以分为不依赖于p因子和依赖于p因子两大类。

不依赖于p因子的终止子结构特点：位于终止位点上游一般存在一个富

含GC碱基的二重对称区，由这段DNA转录产生的RNA容易形成发夹式

结构；在终止位点前面有一端由4〜8个A组成的序列，所以转录产物的3,

端为寡聚U。

依赖于p因子的终止子的结构特点：IR序列中的G/C对含量较少；发

夹结构末端没有固定特征；依靠与p因子的共同作用而实现终止。

12.真核生物的原始转录产物必须经过哪些加工过程才能成为成熟的mRNA?

答：加工包括：（1）5,端连接“帽子”结构；（2）3,端添加polyA“尾巴”；（3）

hnRNA被剪接，把内含子（DNA上非编码序列）转录序列剪掉，把外显子

（DNA上的编码序列）转录序列拼接上（真核生物一般为不连续基因）；（4）

对分子内的核苜酸进行甲基化、去氨基化、硫代、乙酰化、磷酸化等化学修

饰。

13.简述I、II类内含子的剪接特点。

答：I类自剪接内含子I类内含子的剪接发生了两次磷酸二酯键的转移,

即两次转酯反应（trans-esterification）o在I类自剪接内含子切除体系中,第

一个转酯反应由一个游离的鸟昔或鸟甘酸（GMP、GDP或GTP）介导，鸟

昔或鸟甘酸的3，-OH作为亲核基团攻击内含子5,端的磷酸二酯键，从上游切

开RNA链。在第二个转酯反应中，上游外显子的自由3，-OH作为亲核基团

攻击内含子3,位核甘酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个

外显子通过新的磷酸二酯键相连。I类内含于释放出线性内含子，而不是一

个套索结构。I类自剪接内含子通常比11类内含子小，有一个保守的二级

结构，包括容纳鸟甘或鸟甘酸结合的口袋以及一段与5,剪接位点序列配对

的“内在指导序列“，以确定鸟背亲核攻击的精确位置

H类自剪接内含子这类内含子主要存在于真核生物的线粒体和叶绿

体rRNA基因中。在II类内含子切除体系中，也发生两次转酯反应，但转

酯反应无需游离鸟昔酸或鸟甘，而是由内含子自身靠近3,端的腺甘酸7-OH

作为亲核基团攻击内含子5,端的磷酸二酯键，从上游切开RNA链后形成

套索状结构。再由上游外显子的自由3，-OH作为亲核基团攻击内含子3,位核

甘酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷

酸二酯键相连。

14.什么是套索结构？哪些类型RNA的剪接中会形成该结构？

答：套索结构是在真核生物RNA前体加工过程中，切除内含子时，通过才，

5。磷酸二酯键形成的一种带尾巴的环形中间结构。主要在前体mRNA的剪

接过程中会形成该结构。

15.什么是RNA编辑？其生物学意义是什么？

答；RNA的编辑(RNAediting)是mRNA前体的加工方式之一，通过插入、

删除或取代一些核甘酸残基，使DNA所编码的遗传信息发生变化，是生物

细胞内改变mRNA序列和蛋白质编码信息的重要途径。在动物体内，介导

RNA编辑的机制主要有两种：位点特异性脱氨基作用和引导RNA(Guide

RNA,gRNA)指导的尿嗑咤插入或删除。

生物学意义：校正作用，有些基因在突变的途中丢失的遗传信息可能通

过RNA的编辑得以恢复；调控翻译，通过编辑可以构建或去除其实密码子

和终止密码子，是基因表达调控的一种方式，扩充遗传信息；能使基因产物

获得心得结构核功能，有利于生物的进化。

16.核酶具有哪些结构特点？核酶的生物学意义是什么？

答：核酶的结构特点：具有自剪切能力的RNA大多数都能形成锤头结构

(hammerheadstructure)0该二级结构由三个茎(I、II、III)构成，茎区

是由互补碱基构成的局部双链结构，包围着一个由11〜13个保守核甘酸构

成的催化中心。

生物学意义：核酶是继反转录现象之后对中心法则一个重要的修正，说

明RNA既是遗传物质乂是酶；核酶的发现为生命起源的研究提供了新思路

——也许曾经存在以RNA为基础的原始生命。

第4章思考题解析

1.简述破译遗传密码的主要过程。

答：遗传密码的破译是20世纪60年代分子生物学最辉煌的成就，先后经

历了50年代的数学推理阶段和1961-1965年的实验研究阶段。

1954年物理学家GeorgeGamow根据在DNA中存在四种核甘酸，在蛋白

质中存在20种氨基酸的对应关系，通过数学推理，得出三个核甘酸编码一个

氨基酸。1961年Brenner和Grick根据DNA链与蛋臼质链的共线性(colinearity),

首先肯定了三个核甘酸的推理。随后用各种人工合成的核甘酸均聚物或共聚物

模板在体外翻译蛋白质的方法确定遗传密码子。1964年Nirenberg和Leder用

核糖体结合技术测定密码子中的核甘酸排列顺序，历经4年时间，最终确定了

编码20种天然氨基酸的密码子，编出了遗传密码字典。70年代以来，分子生

物学技术如DNA、RNA序列测定及氨基酸序列测定技术的进步，使遗传密

码的存在得到验证。

2.遗传密码有哪些特性？说出遗传密码简并性的生物学意义。

答；(1)遗传密码的特性有方向性、连续性、简并性、摆动性、通用性与

特殊性。

①方向性，遗传密码是三联子密码，即密码子(codon),1个密码子由3

个核甘酸组成，它特异性地编码多肽链中的1个氨基酸；密码子是对mRNA分

子的碱基序列而言的，它的阅读方向是与mRNA的合成方向或mRNA编码方向

一致，即从5,端至3,端。

②连续性，mRNA的读码方向从S端至于端方向，两个密码子之间无任何

核甘酸隔开。mRNA链上碱基的插入、缺失和重叠，均造成移码突变(frame-shift

mutation)。

③简并性(degeneracy),指一个氨基酸具有两个或两个以上的密码子，61

个密码子编码20种氨基酸，多数氨基酸有2〜4个密码子。同一氨基酸的不同密

码子称为同义密码子(synonymscodon),密码虽有简并性，但它们使用的频率

并不相等，有的密码子使用的机会较多，有的几乎不用。

④摆动性，mRNA上的密码子与转移RNA(tRNA)上的反密码子配对时，

大多数情况遵守碱基互补配对原则，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第

三位碱基与反密码子的第一位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为

摆动配对。1966年Crck根据立体化学原理提出摆动学说(wabblehypothesis),

解释了反密码子中某些稀有成分(如I)的配对以及许多氨基酸有2个以上密码

子的问题。

⑤通用性与特殊性，蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通

用。但已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体中的密码子有

特殊性。

⑥密码子有起始密码子和终止密码子，蛋白质合成的起始和终止信号含在

密码子中，无论在真核生物还是在原核生物中AUG(Met)都是用作起始密码子,

但在少数情况下也用GUGo遗传密码表中有3个终止密码子(stopcode),称

为无义密码子(nonsensecodons)或链终止密码子(chain-terminatingcodons)。

终止密码子没有相应的tRNA存在，只供释放因子识别来实现翻译的终止。

(2)遗传密码简并性的生物学意义：

①减少变异对生物的影响，对生物物种的稳定有一定意义。

②简并性除了能降低突变所造成的损害外，还可减少所需的tRNA种类。

密码子共有64种，但并不需64种tRNA。

3.终止密码子主要有哪几种？

答：有三种，即UAA、UGA和UAG。UAA叫赭石密码，UAG叫琥珀密码，

UGA叫蛋白石密码。

4.tRNA在组成和结构上有哪些特点？

答：tRNA是由73〜93个核甘酸组成的单股RNA,有利于与单股的模板

mRNA进行酮基和氨基反应，形成氢键。它含大量稀有碱基，如假尿喀咤核普

(W)，各种甲基化的嚓吟和喀咤核昔，二氢尿嗒咤(hU或D)和胸腺嗜咤(T)

核昔等。

所有的tRNA均有类似的三叶草结构，结构的共同特点如下：

(1)一般由4臂4环组成，以76nt的tRNA分子为标准，超过76nt的tRNA

增加的核甘酸位于17位20位和47位，均位于分子的单链环部分。

(2)3,端氨基酸接受臂：5'端1〜7位与3,瑞66〜72位形成7bp的氨基酸

臂，3,端有共同的CCA-OH序列，因为该序列是单股突伸出来，并且氨基酸总是

接在该序列腺甘酸残基(A)上，所以CCA-OH序列称为氨基酸接受臂(aminoacid

acceptorarm)oCCA通常接在夕端第4个可变核甘酸上。

(3)T\yC环(T\yCk)op)：T\|/C环是第一个环，由7个不配对的核甘酸残

基组成，几乎总是含5，GT\|/C3,序列。该环涉及tRNA与核糖体表面的结合，有

人认为GTi|/C序列可与5SrRNA的GAAC序列识别。

(4)额外环或可变环(extrovariableloop):位于44〜48位,这个环1勺碱

基种类和数量高度可变，有80%的IRNA可变环由4〜5nl组成，20%的由13〜

21m组成，富有稀有碱基。

(5)反密码子环(anticodonloop)与反密码子臂(anticodonarm)：第27〜

43位有5bp的反密码子臂和7nt的反密码子环组成。其中34〜36位是与mRNA

相互作用的反密码子。毗邻反密码子的3,端碱基往往为烷基化修饰喋吟，其5,

端为U,即：-U-反密码子-修饰的噂吟。

(6)二氢尿6咤环(dihydrouracilloop)/D环(D-loop)：第10〜25位形

成3〜4bp的臂和8〜14nt的环。由于环上有(2+1或2-1)个修饰的二氢尿喀咤

(D),故称为二氢尿啥呢环或D环。相应的臂称为D臂。

(7)tRNA分子中含有多少不等的修饰碱基，某些位置的核甘酸在不同的

tRNA分子中很少变化，称不变碱基。

5.tRNA如何转运活化氨基酸至mRNA模板上?

答：由于tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，可以为氨酰tRNA合成

酶所识别，在该酶的催化下活化相应地氨基酸，形成氨酰tRNA（在细菌中，起

始氨酰tRNA是甲酰甲硫氨酸tRNAme，；真核生物中，起始氨酰tRNA是甲琉氨

酰tRNAiMct）,结合GTP的起始因子IF2-GTP1或延伸因子EF-Tu-GTP）与该

活化氨基酸结合形成三元复合物，该氨酰tRNA上的反密码子通过碱基互补配对

的原则识别mRNA上相应的密码子，与起始复合物的P（A）位点结合（只有第

一个活化的氨基酸进入P位点，链延伸过程中，氨酰RNA均进入A位点），这

样就将活化的氨基酸转运至mRNA模板上。

6.原核生物与真核生物的核糖体组成有哪些异同点？

答：核糖体（ribosome）亦称核蛋白体，由rRNA和蛋白质组成。单核糖体

有二个亚基，分别称为大亚基和小亚基。在原核细胞和真核细胞中核糖体的组成

见下表：

表：原核生物和真核生物的核糖体组成