第三章遗传物质的分子基础(练习) 解释下列名词: 半保留复制冈崎片段转录翻译小核RNA不均一RNA遗传密码 简并多聚合糖体中心法则 二、如何证明DNA是生物的主要遗传物质? 三、简述DNA的双螺旋结构,有何特点? 四、比较A一DNA,B一DNA和Z一DNA的主要异同。 五、染色质的基本结构是什么?现有的假说是怎样解释染色质螺 六 旋化为染色体的? 七、原核生物DNA聚合酶有哪几种?各有何特点? 八、真核生物与原核生物DNA合成过程有何不同? 九、简述原核生物RNA的转录过程。 十、真核生物与原核生物相比,其转录过程有何特点? 十一、简述原核生物蛋白质合成的过程
6 第三章 遗传物质的分子基础（练习） 一、 解释下列名词： 半保留复制 冈崎片段 转录 翻译 小核RNA 不均一RNA 遗传密码 简并 多聚合糖体 中心法则 二、 如何证明DNA是生物的主要遗传物质？ 三、 简述DNA的双螺旋结构，有何特点？ 四、 比较A－DNA， B－DNA和Z－DNA的主要异同。 五、 染色质的基本结构是什么?现有的假说是怎样解释染色质螺 六、 旋化为染色体的? 七、 原核生物DNA聚合酶有哪几种？各有何特点？ 八、 真核生物与原核生物DNA合成过程有何不同？ 九、 简述原核生物RNA的转录过程。 十、 真核生物与原核生物相比，其转录过程有何特点？ 十一、简述原核生物蛋白质合成的过程
第三章遗传物质的分子基础(参考答案 解释下列名词 半保留复制:以DMA两条链分别作模板,以碱基互补的方式,合成两条新的DNA 双链,互相盘旋在一起,恢复了DNA的双分子链结构。这样,随着DMA分子双螺旋的 完全拆开,就逐渐形成了两个新的DNA分子,与原来的完全一样。DNA的这种复制方 式称为半保留复制( semiconservative replication),因为通过复制所形成的新的 DNA分子,保留原来亲本DNA双链分子的一条单链。DNA在活体内的半保留复制性质, 已为1958年以来的大量试验所证实。DNA的这种复制方式对保持生物遗传的稳定具 有非常重要的作用。 冈崎片段:DNA的复制只能从5’向3’方向延伸,5’向3’方向延伸的链称作 前导链( leading strand),它是连续合成的。而另一条先沿5’-3’方向合成一些 片段,然后再由连接酶将其连起来的链,称为后随链( lagging strand),其合成是不 连续的。这种不连续合成是由冈崎等人首先发现的,所以现在将后随链上合成的DNA 不连续单链小片段称为冈崎片段( Okazaki fragment)。 转录:以DNA的一条链为模板,在RNA聚合酶的作用下,以碱基互补的方式 以U代替T,合成mRNA,在细胞核内将DNA的遗传信息转录到RNA上 翻译:以mRNA为模板,在多种酶和核糖体的参与下,在细胞质内合成蛋白质的 多肽链。 小核RNA:真核生物转录后加工过程中RNA剪接体( spliceosome)的主要成份 不均一RNA:在真核生物中,转录形成的RNA中,含由大量非编码序列,大约 只有25%RNA经加工成为mRNA,最后翻译为蛋白质。因为这种未经加工的前体 mRNA(pre-mRNA)在分子大小上差别很大,所以通常称为不均一核 RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA) 遗传密码:DNA链上编码氨基酸的三个核苷酸称之为遗传密码 简并:一个氨基酸由一个以上的三联体密码所决定的现象,称为简并 ( degeneracy)。 多聚合糖体:在氨基酸多肽链的延伸合成过程中,当mRNA上蛋白质合成的起始 位置移出核糖体后,另一个核糖体可以识别起始位点,并与其结合,然后进行第二条 7
7 第三章 遗传物质的分子基础（参考答案） 一、解释下列名词 半保留复制：以 DNA 两条链分别作模板，以碱基互补的方式，合成两条新的 DNA 双链，互相盘旋在一起，恢复了 DNA 的双分子链结构。这样，随着 DNA 分子双螺旋的 完全拆开，就逐渐形成了两个新的 DNA 分子，与原来的完全一样。DNA 的这种复制方 式称为半保留复制(semiconservative replication)，因为通过复制所形成的新的 DNA 分子，保留原来亲本 DNA 双链分子的一条单链。DNA 在活体内的半保留复制性质， 已为 1958 年以来的大量试验所证实。DNA 的这种复制方式对保持生物遗传的稳定具 有非常重要的作用。 冈崎片段：DNA 的复制只能从 5’向 3’方向延伸，5’向 3’方向延伸的链称作 前导链(leading strand)，它是连续合成的。而另一条先沿 5’－3’方向合成一些 片段，然后再由连接酶将其连起来的链，称为后随链(lagging strand)，其合成是不 连续的。这种不连续合成是由冈崎等人首先发现的，所以现在将后随链上合成的 DNA 不连续单链小片段称为冈崎片段(Okazaki fragment)。 转录：以DNA的一条链为模板，在RNA聚合酶的作用下，以碱基互补的方式， 以U代替T，合成mRNA，在细胞核内将DNA的遗传信息转录到RNA上。 翻译：以mRNA为模板，在多种酶和核糖体的参与下，在细胞质内合成蛋白质的 多肽链。 小核RNA：真核生物转录后加工过程中RNA剪接体(spliceosome)的主要成份。 不均一RNA：在真核生物中，转录形成的RNA中，含由大量非编码序列，大约 只有25％RNA经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。因为这种未经加工的前体 mRNA(pre-mRNA) 在 分 子 大 小 上 差 别 很 大 ， 所 以 通 常 称 为 不 均 一 核 RNA(heterogeneous nuclear RNA，hnRNA)。 遗传密码：DNA链上编码氨基酸的三个核苷酸称之为遗传密码。 简并：一个氨基酸由一个以上的三联体密码所决定的现象，称为简并 (degeneracy)。 多聚合糖体：在氨基酸多肽链的延伸合成过程中，当mRNA上蛋白质合成的起始 位置移出核糖体后，另一个核糖体可以识别起始位点，并与其结合，然后进行第二条
多肽链的合成。此过程可以多次重复,因此一条mRNA分子可以同时结合多个核糖体, 形成一串核糖体,称为多聚核糖体(φ polyribosome或者 polysome 中心法则:遗传信息从DNA→mRNA→蛋白质的转录和翻译的过程,以及遗传 信息从DNA→DNA的复制过程,这就是分子生物学的中心法则( central dogma)。由 此可见,中心法则所阐述的是基因的两个基本属性:复制与表达 二、证明DNA是生物的主要遗传物质,可设计两种实验进行直接证明 DNA是生物的主要遗传物质 (1)肺炎双球菌定向转化试验: 有毒SⅢ型(65℃杀死)→小鼠成活→无细菌 无毒RⅡ型→小鼠成活→重现RⅡ型 有毒SⅢ型→小鼠死亡→重现SⅢ型 RⅡ型+有毒SⅢ型(65℃)→小鼠→死亡→重现SⅢ型 将IS型细菌的DNA提取物与IR型细菌混合在一起,在离体培养的条件下,也 成功地使少数IIR型细菌定向转化为IS型细菌。该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核 糖核酸酶的影响,而只能为DNA酶所破坏。所以可确认导致转化的物质是DNA (2)噬菌体的侵染与繁殖试验 T2噬菌体的DNA在大肠杆菌内,不仅能够利用大肠杆菌合成DNA的材料来复制 自己的DNA,而且能够利用大肠肝菌合成蛋白质的材料,来合成其蛋白质外壳和尾部, 因而形成完整的新生的噬菌体。 即P和3S分别标记T2噬菌体的DNA与蛋白质。因为P是DNA的组分,但不见于 蛋白质;而S是蛋白质的组分,但不见于DNA。然后用标记的T2噬菌体(P或3S)分 别感染大肠杆菌,经10分钟后,用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。发现 在第一种情况下,基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。在第 二种情况下,放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中,细菌内只有较低的放射性活性, 且不能传递给子代。 二 (1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式,彼此以一定的空间距离,平行地环绕于 同一轴上,很象一个扭曲起来的梯子
8 多肽链的合成。此过程可以多次重复，因此一条mRNA分子可以同时结合多个核糖体， 形成一串核糖体，称为多聚核糖体(polyribosome 或者polysome)。 中心法则：遗传信息从 DNA→mRNA→蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传 信息从 DNA→DNA 的复制过程，这就是分子生物学的中心法则(central dogma)。由 此可见，中心法则所阐述的是基因的两个基本属性：复制与表达。 二、证明DNA是生物的主要遗传物质，可设计两种实验进行直接证明 DNA是生物的主要遗传物质： （1）肺炎双球菌定向转化试验： 有毒SⅢ型(65℃杀死)→小鼠成活→无细菌 无毒RⅡ型→小鼠成活→重现RⅡ型 有毒SⅢ型→小鼠死亡→重现SⅢ型 RⅡ型+有毒SⅢ型（65℃) →小鼠→死亡→重现SⅢ型 将III S型细菌的DNA提取物与II R型细菌混合在一起，在离体培养的条件下，也 成功地使少数II R型细菌定向转化为III S型细菌。该提取物不受蛋白酶、多糖酶和核 糖核酸酶的影响，而只能为DNA酶所破坏。所以可确认导致转化的物质是DNA。 （2）噬菌体的侵染与繁殖试验 T2 噬菌体的 DNA 在大肠杆菌内，不仅能够利用大肠杆菌合成 DNA 的材料来复制 自己的 DNA，而且能够利用大肠肝菌合成蛋白质的材料，来合成其蛋白质外壳和尾部， 因而形成完整的新生的噬菌体。 32P 和 35S 分别标记 T2 噬菌体的 DNA 与蛋白质。因为 P 是 DNA 的组分，但不见于 蛋白质；而 S 是蛋白质的组分，但不见于 DNA。然后用标记的 T2 噬菌体( 32P 或 35S)分 别感染大肠杆菌，经 10 分钟后，用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳。发现 在第一种情况下，基本上全部放射活性见于细菌内而不被甩掉并可传递给子代。在第 二种情况下，放射性活性大部分见于被甩掉的外壳中，细菌内只有较低的放射性活性， 且不能传递给子代。 三、 (1)两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于 同一轴上，很象一个扭曲起来的梯子
(2)两条多核苷酸链走向为反向平行( antiparallel)。即一条链磷酸二脂键为5 3’方向,而另一条为3’-5,方向,二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠 倒过来的,这称为反向平行。 3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基,碱基一方面与脱氧核糖相联系,另一方 面通过氢键( hydrogen bond)与它互补的碱基相联系,相互层叠宛如一级一级的梯子 横档。互补碱基对A与T之间形成两对氢键,而C与G之间形成三对氢键。上下碱基 对之间的距离为3.4A。 (4)每个螺旋为34A(3.4m)长,刚好含有10个碱基对,其直径约为20A (5)在双螺旋分子的表面大沟( major groove)和小沟( minor groove)交替出现。 四 一般将瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称这B-DNA。B-DNA是DNA在生理状 态下的构型。生活细胞中极大多数DNA以B一DNA形式存在。但当外界环境条件发生 变化时,DNA的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内,B-DNA一螺圈也并不是正 好10个核苷酸对,而平均一般为10.4对。当DNA在高盐浓度下时,则以A-DNA形 式存在。A—DNA是DNA的脱水构型,它也是右手螺旋,但每螺圈含有11个核苷酸对。 A一DNA比较短和密,其平均直径为23A。大沟深而窄,小沟宽而浅。在活体内DNA 并不以A构型存在,但细胞内DNA一RNA或RNA-RNA双螺旋结构,却与A一DNA非常 相似。现在还发现,某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在,称为Z一DNA。当某 些DNA序列富含G一C,并且在嘌呤和嘧啶交替出现时,可形成Z-DNA。Z-DNA除左 手螺旋外,其每个螺圈含有12个碱基对。分子直径为18A,并只有一个深沟。现在 还不知道,Z-DNA在体内是否存在 五
9 (2)两条多核苷酸链走向为反向平行(antiparallel)。即一条链磷酸二脂键为 5’ －3’方向，而另一条为 3’－5’方向，二者刚好相反。亦即一条链对另一条链是颠 倒过来的，这称为反向平行。 (3)每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方 面通过氢键(hydrogen bond)与它互补的碱基相联系，相互层叠宛如一级一级的梯子 横档。互补碱基对 A 与 T 之间形成两对氢键，而 C 与 G 之间形成三对氢键。上下碱基 对之间的距离为 3.4Å。 (4)每个螺旋为 34Å(3.4nm)长，刚好含有 10 个碱基对，其直径约为 20Å。 (5)在双螺旋分子的表面大沟(major groove)和小沟(minor groove)交替出现。 四 一般将瓦特森和克里克提出的双螺旋构型称这 B－DNA。B－DNA 是 DNA 在生理状 态下的构型。生活细胞中极大多数 DNA 以 B－DNA 形式存在。但当外界环境条件发生 变化时，DNA 的构型也会发生变化。实际上在生活细胞内，B－DNA 一螺圈也并不是正 好 10 个核苷酸对，而平均一般为 10.4 对。当 DNA 在高盐浓度下时，则以 A－DNA 形 式存在。A－DNA 是 DNA 的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺圈含有 11 个核苷酸对。 A－DNA 比较短和密，其平均直径为 23Å。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内 DNA 并不以 A 构型存在，但细胞内 DNA－RNA 或 RNA－RNA 双螺旋结构，却与 A－DNA 非常 相似。现在还发现，某些 DNA 序列可以以左手螺旋的形式存在，称为 Z－DNA。当某 些 DNA 序列富含 G－C，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成 Z－DNA。Z－DNA 除左 手螺旋外，其每个螺圈含有 12 个碱基对。分子直径为 18Å，并只有一个深沟。现在 还不知道，Z－DNA 在体内是否存在。 五
宽度增加长度压缩 第一级DNA+组蛋白←→核小体 倍 7倍 第二级核小体←→螺线体 倍 5倍 第三级螺线体←→超螺线体13倍 40倍 第四级超螺线体←→染色体2.5-5倍5倍 0-1000倍 0倍 (8000-10000) 六、原核生物DNA聚合酶有一些共同的特性: 只有5’一3’聚合酶的功能,而没有3’-5’聚合酶功能,DNA链的延伸只能 从5’向3’端进行。它们都没有直接起始合成DNA的能力,只能在引物存在下进行 链的延伸,因此,DNA的合成必须有引物引导才能进行。都有核酸外切酶的功能,可 对合成过程中发生的错识进行校正,从而保证DNA复制的高度准确性 七 (1)原核生物DNA的复制是单起点的,而真核生物染色体的复制则为多起点的 (2)真核生物DMA合成所需的RNA引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度 比原核生物要短:在原核生物中引物的长度约为10-60个核苷酸,“冈崎片段”的 长度为1000—2000个核苷酸;而在真核生物中引物的长度只有10个核苷酸,而“冈 崎片段”的长度约为原核生物的十分之一,只有100-150核苷酸。 (3)有二种不同的DNA聚合酶分别控制前导链和后随链的合成。 在原核生物中有DNA聚合酶Ⅰ、II和III等三种聚合酶,并由聚合酶IIl同时控 制二条链的合成 而在真核生物中共有α、β、γ、δ和ε等五种DNA聚合酶。聚合酶a和δ是 DNA合成的主要酶,由聚合酶α控制不连续的后随链的合成,而聚合酶δ则控制前导 链的合成,所以其二条链的合成是在二种不同的DNA聚合酶的控制下完成。聚合酶β 可能与DNA修复有关,而γ则是线粒体中发现的唯一一种DNA聚合酶
10 六、原核生物DNA聚合酶有一些共同的特性： 只有 5’－3’聚合酶的功能，而没有 3’－5’聚合酶功能， DNA 链的延伸只能 从 5’向 3’端进行。它们都没有直接起始合成 DNA 的能力，只能在引物存在下进行 链的延伸，因此，DNA 的合成必须有引物引导才能进行。都有核酸外切酶的功能，可 对合成过程中发生的错识进行校正，从而保证 DNA 复制的高度准确性。 七 （1）原核生物 DNA 的复制是单起点的，而真核生物染色体的复制则为多起点的； （2）真核生物 DNA 合成所需的 RNA 引物及后随链上合成的“冈崎片段”的长度 比原核生物要短：在原核生物中引物的长度约为 10－60 个核苷酸，“冈崎片段”的 长度为 1000－2000 个核苷酸；而在真核生物中引物的长度只有 10 个核苷酸，而“冈 崎片段”的长度约为原核生物的十分之一，只有 100－150 核苷酸。 （3）有二种不同的 DNA 聚合酶分别控制前导链和后随链的合成。 在原核生物中有 DNA 聚合酶 I、II 和 III 等三种聚合酶，并由聚合酶 III 同时控 制二条链的合成。 而在真核生物中共有α、β、γ、δ和ε等五种 DNA 聚合酶。聚合酶α和δ是 DNA 合成的主要酶，由聚合酶α控制不连续的后随链的合成，而聚合酶δ则控制前导 链的合成，所以其二条链的合成是在二种不同的 DNA 聚合酶的控制下完成。聚合酶 β 可能与 DNA 修复有关，而γ则是线粒体中发现的唯一一种 DNA 聚合酶。 500-1000倍 宽度增加 长度压缩 第四级 超螺线体 ➔ 染色体 2.5-5倍 5倍 第三级 螺线体 ➔ 超螺线体 13倍 40倍 第二级 核小体 ➔ 螺线体 3倍 6倍 第一级 DNA+组蛋白 ➔ 核小体 5倍 7倍 8400倍 (8000-10000)