生物化學(第三版)第十二章-核酸通論-核算的結構課后習題詳細解答-復習重點

PAGE35第十二章核酸通論提要1868年Miescher發(fā)現DNA。Altmann繼續(xù)Miescher的研究，于1889年建立從動物組織和酵母細胞制備不含蛋白質的核酸的方法。RNA的研究開始于19世紀末，Hammars于1894年證明酵母核酸中的糖是戊糖。核酸中的堿基大部分是由Kossel等所鑒定。Levene對核酸的化學結構以及核酸中糖的鑒定作出了重要貢獻，但是他的“四核苷酸假說”是錯誤的，在相當長的時間內阻礙了核酸的研究。理論研究的重大發(fā)展往往首先從技術上的突破開始。20世紀40年代新的核酸研究技術證明DNA和RNA都是細胞重要組成成分，并且是特異的大分子。其時，Chargaff等揭示了DNA的堿基配對規(guī)律。最初是Astbury，隨后Franklin和Wilkins用X射線衍射法研究DNA分子結構，得到清晰衍射圖。Watson和Crick在此基礎上于1953年提出DNA雙螺旋結構模型，說明了基因結構、信息和功能三者之間的關系，奠定了分子生物學基礎。DNA雙螺旋結構模型得到廣泛的實驗支持。Crick于1958年提出了“中心法則”。DNA研究的成功帶動了RNA研究出現一個新的高潮。20世紀60年代Holley測定了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列；Nirenberg等被破譯了遺傳密碼；闡明了3類DNA參與蛋白質生物合成的過程。在DNA重組技術帶動下生物技術獲得迅猛發(fā)展。將DNA充足技術用于改造生物機體的性狀特征、改造基因、改造物種，統(tǒng)稱之為基因工程或遺傳工程。與此同時出現了各種生物工程。技術革命改變了分子生物學的面貌，并推動了生物技術產業(yè)的興起。在此背景下，RNA研究出現了第二個高潮，發(fā)現了一系列新的功能RNA，沖擊了傳統(tǒng)的觀點。人類基因組計劃是生物學有史以來最偉大的科學工程。這一計劃準備用15年時間（1990-2005年），投資30億美元，完成人類單倍體基因組DNA3×109bp全部序列的測定。它首先在美國啟動，并得到國際科學界的高度重視，英國、日本、法國、德國和中國科學家先后加入了這項國際合作計劃。由于測序技術的改進，人類基因組計劃被大大提前完成，生命科學進入了后基因時代，研究重點已從測序轉向對基因組功能的研究。功能基因組學需要從基因產物的結構研究入手，因此產生了結構基因組學。為研究蛋白質組和DNA組，產生了蛋白質組學和RNA組學。生物化學與分子生物學已成為自然科學中最活躍，發(fā)展最快的學科之一。DNA是主要的遺傳物質，分布在原核細胞的核區(qū)，真核細胞的核核細胞器以及許多病毒中也含DNA。DNA通常是雙鏈分子。原核細胞的染色體DNA、質粒DNA、真核細胞的細胞器DNA以及某些病毒DNA都是環(huán)狀雙鏈分子。真核細胞染色體DNA以及某些病毒DNA是線型雙鏈分子。病毒DNA還有環(huán)狀單鏈和線型單鏈的分子。細胞RNA通常都是線型單鏈分子，單病毒RNA有雙鏈、單鏈、環(huán)狀、線型多種形式。生物機體通過DNA復制而將遺傳信息由親代傳遞給子代；通過RNA轉錄和翻譯而使遺傳信息在子代得以表達。DNA具有基因的所有屬性，基因也就是DNA的一個片段。基因的功能最終需由蛋白質來執(zhí)行，RNA控制著蛋白質的合成。參與蛋白質合成的DNA有三類：rRNA器裝配和催化作用；tRNA攜帶氨基酸并識別密碼子；mRNA攜帶DNA的遺傳信息并作為蛋白質合成的模板。除參與蛋白質合成外，RNA還有多種功能，幾乎涉及細胞功能的所有方面，歸根結底與遺傳信息的表達和表達調控有關。習題1.核酸是如何被發(fā)現的？為什么早期核酸研究的進展比蛋白質研究緩慢？答：1868年瑞士青年科學家F.Mescher由膿細胞分離得到細胞核，并從中提取出一種含磷量很高的酸性化合物，稱為核素。核酸中的堿基大部分由Kossel等所鑒定。1910年因其在核酸化學研究中的成就授予他諾貝爾醫(yī)學獎，但他卻認為決定染色體功能的是蛋白質，以后轉而研究染色體蛋白質。Levene對核酸的化學結構以及核酸中糖的鑒定作出了重要貢獻，但是他的“四核苷酸假說”認為核苷酸中含等量4種核苷酸，這4種核苷酸組成結構單位，核酸是由四核苷酸單位聚合而成。照這一假說，核酸只是一種簡單的高聚物，從而使生物學家失去對它的關注，嚴重阻礙核酸的研究。當時還流行一種錯誤的看法，認為胸腺核苷酸代表動物核苷酸，酵母核苷酸代表植物核苷酸，這種觀點也不利于對核酸生物功能的認識。2.Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構模型的背景和依據是什么？答：背景：20世紀上半葉，數理學科進一步滲入生物學，生物化學本身是一門交叉學科，也就成為數理學科與生物學之間的橋梁。數理學科的滲入不僅帶來了新的理論和思想方法，而且引入了許多新的技術和實驗方法。依據：已知核酸的化學結構知識；E.Chargaff發(fā)現的DNA堿基組成規(guī)律；M.Wilkins和R.Franklin得到的DNAX射線衍射結果。此外，W.T.Astbury對DNA衍射圖的研究以及L.Pauling提出蛋白質的α-螺旋結構也都有啟發(fā)作用。2．為什么科學界將Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構模型評為20世紀自然科學最偉大的成就之一？答：因為DNA雙螺旋結構模型的建立說明了基因的結構、信息和功能三者之間的關系，使當時分子生物學先驅者形成的三個學派（結構學派、信息學派和生化遺傳學派）得到統(tǒng)一，并推動了分子生物學的迅猛發(fā)展。4.什么是DNA重組技術？為什么說它的興起導致了分子生物學的第二次革命？答：DNA重組技術——在細胞體外將兩個DNA片段連接成一個DNA分子的技術。在適宜的條件下，一個重組DNA分子能夠被引入宿主細胞并在其中大量繁殖。DNA重組技術極大推動了DNA和RNA的研究，改變了分子生物學的面貌，并導致了一個新的生物技術產業(yè)群的興起，所以被認為是分子生物學的第二次革命/5．人類基因組計劃是怎樣提出來的？它有何重大意義？答：1986年，著名生物學家、諾貝爾獎獲得者H.Dubecco在Sience雜志上率先提出“人類基因組計劃”，經過了3年激烈爭論，1990年10月美國政府決定出資30億美元，用15年時間（1990-2005年）完成“基因組計劃”。重大意義：人類對自己遺傳信息的認識將有益于人類健康、醫(yī)療、制藥、人口、環(huán)境等諸多方面，并且對生命科學也將有極大貢獻。6．為什么說生命科學已進入后基因時代？它的意思是什么？答：由于技術上的突破，“人類基因組計劃”進度一再提前，全序列的測定現已進入后基因組時代。意思：科學家的研究重心已從揭示基因組DNA的序列轉移到在整體水平上對基因組功能的研究。7.核酸可分為哪幾種類？它們是如何分布的？答：核酸分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩大類。原核細胞中DNA集中在核區(qū)，其核細胞DNA分布在核內，病毒只含DNA或只含RNA，RNA存在于原核生物、真核生物或部分RNA病毒中。8.如何證明DNA是遺傳物質？答：用35S和32P標記的噬菌體T2感染大腸桿菌，結果發(fā)現只有32P標記的DNA進入大腸桿菌細胞內，而35S標記的蛋白質仍留在細胞外，由此證明：噬菌體DNA攜帶了噬菌體的全部遺傳信息，DNA是遺傳物質。9.參與蛋白質合成的三類RNA分別起什么作用？答：rRNA起裝配和催化作用；tRNA攜帶氨基酸并識別密碼子；mRNA攜帶DNA的遺傳信息并作為蛋白質合成的模板。10.如何看待RNA功能的多樣性？它的核心作用是什么？答：RNA有5類功能：①控制蛋白質合成；②作用于RNA轉錄后加工與修飾；③基因表達與細胞功能的調節(jié)；④生物催化與其他細胞持家功能；⑤遺傳信息的加工與進化。核心功能是：遺傳信息由DNA到蛋白質的中間傳遞體。第十三章核酸的結構提要核酸分兩大類：DNA和RNA。所有生物細胞都含有這兩類核酸。但病毒則不同，DNA病毒只含DNA；RNA病毒只含RNA。核酸的研究是生物化學與分子生物學研究的重要領域。核酸是一種多聚核苷酸，其基本結構單位是核苷酸。DNA主要由四種脫氧核糖核苷酸組成。RNA主要由四種核糖核苷酸組成。核苷酸又由含氮堿基、戊糖（核糖或脫氧核糖）及磷酸組成。核酸中還有少量稀有堿基。核酸的共價結構也就是核酸的一級結構，通常是指具核苷酸序列。利用磷酸二酯酶從RNA分子的兩端逐個水解下核苷酸，得到3ˊ核苷酸和5ˊ核苷酸，證明RNA分子中核苷酸之間的連鍵為3ˊ，5ˊ-磷酸二酯鍵。DNA無2ˊOH基，它的核苷酸連鍵只能是3ˊ→5ˊ走向。原核生物基因序列是連續(xù)的，常組成操縱子，很少重復序列。真核生物基因序列是斷裂的，不組成操縱子，含有較高比例的重復序列。RNA有各種類型，常含有修飾核苷，tRNA含有較多修飾堿基，rRNA含有較多甲基化的核糖，兩者均含有假尿嘧啶核苷。真核生物mRNA5ˊ端有甲基化鳥嘌呤核苷酸形成的帽子；3ˊ端有poly（A）尾巴。DNA的空間結構模型是在1953年由Watson核Crick兩人提出的。建立DNA空間結構模型的根據有三方面。一是一直核酸的化學結構。二是DNA堿基組成的分析資料，Chargaff首先發(fā)現A-T，G-C之間相等的規(guī)律。三是DNA纖維的X射線衍射分析資料，提示了雙螺旋結構的可能性。按照Watson-Crick的模型，DNA是由兩條反平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，堿基位于結構之內側，磷酸與糖基在外側，通過磷酸二酯鍵相連，形成雙螺旋分子的骨架。堿基平面與軸垂直，糖環(huán)平面則與軸平行。兩條鏈皆為右手螺旋。雙螺旋的直徑為2nm，堿基堆積距離為0.34nm，兩核苷酸之間的夾角是36°，每一螺旋由10對堿基組成。堿基按A-T，G-C配對互補，彼此以氫鍵相連系。維持DNA結構穩(wěn)定的力量主要是氫鍵和堿基堆積力。雙螺旋結構表面有兩條螺形凹溝，一大一小。Watson-Crick所闡明的是B型DNA。此外還有A型DNA及左旋DNA（Z-DNA）。它們在結構上有明顯不同。應用核酸晶體的X射線衍射分析技術研究發(fā)現，Watson-Crick模型需要作某些補充才能反映DNA結構的真實情況。DNA的二級結構主要是形成雙螺旋。但在某些情況下也能形成三股螺旋。Hoogsteen最早發(fā)現寡聚嘌呤核苷酸-寡聚嘧啶核苷酸雙螺旋的大溝可以結合第三條寡聚嘌呤或嘧啶核苷酸，形成Hoogsteen配對。H-DNA是通過分子內折疊形成的三股螺旋，它存在于基因調控區(qū)，因而有重要生物學意義。細胞內很多DNA是雙鏈環(huán)狀分子（cccDNA），一條鏈斷裂可以形成開環(huán)分子（ocDNA），兩條鏈斷裂就成為線型分子（linearDNA）。DNA分子的兩端如是固定的，或是環(huán)狀分子，增加或減少螺旋圈數，可引起超螺旋。拓撲學的公式L=T+W可用以說明連環(huán)數（L）、扭轉數（T）和纏繞數（W）之間的關系。比連環(huán)差（λ）=（L1-L0）/L0表示超螺旋的強度。DNA超螺旋是DNA三級結構的一種形式。DNA與蛋白質復合物的結構是其四級結構。病毒、細菌擬核核真核生物的染色體都存在DNA的組裝核一定程度的壓縮。核小體是真核生物染色質基本結構單位，它由8個組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）2核心核外繞1.8圈的DNA所組成。由核小體鏈形成纖絲，進而折疊、螺旋化，組裝成不同層次結構的染色質核染色體。不同類型RNA分子可自身回折形成局部雙螺旋，并折疊產生三級結構，RNA與蛋白質復合物則是四級結構。TRNA的二級結構呈三葉草形，三級結構為倒L形。RRNA組裝成核糖體，其結構已獲得解析。已知有8種類型的核酶，它們的催化功能與空間結構有密切關系。信號識別顆粒中的4.5SRNA具有催化SRP的Ffh蛋白與SRP受體FtsY可逆結合的功能。習題1.比較DNA和RNA在化學結構上、大分子結構上和生物學功能上的特點。答：DNA的一級結構中組成成分為脫氧核糖核苷酸，核苷酸殘基的數目由幾千至幾千萬個；而RNA的組成成分是核糖核苷酸，核苷酸數目僅有幾十到幾千個。另外在DNA分子中A=T，G=C,而在RNA分子中A≠U，G≠C。二者的相同點在于：它們都是以單核苷酸作為基本組成單位，核苷酸殘基之間都是由3，5-磷酸二酯鍵連接的。二級結構：DNA是雙鏈分子，2條鏈之間通過氫鍵和堿基完全配對（A-T，G-C）形成雙螺旋的二級結構，一般是右手螺旋，也有左手螺旋。RNA是單鏈分子，分子內部的不同部位（有的近距離，也有遠距離）能夠通過堿基發(fā)生配對（A-U，G-C和G-U），形成既有單鏈，又有雙鏈的RNA二級結構，RNA二級結構元件有：烴環(huán)（發(fā)夾）結構、內部環(huán)結構、分支環(huán)結構和中心環(huán)結構等。2.從已經揭示的人類基因組結構有何特點？3.原核生物與真核生物mRNA有何特點？答：原核生物以操縱子為轉錄單位，產生順反子mRNA，即一條mRNA鏈上有多個編碼區(qū)，5ˊ端和3ˊ端各有一段非翻譯區(qū)（UTR）。原核生物mRNA，包括噬菌體RNA，都無修飾堿基。真核生物的mRNA都是單順反子，5ˊ端有帽子（cap）結構，然后依次是5ˊ非編碼區(qū)、編碼區(qū)、3ˊ非編碼區(qū)、3ˊ端為聚腺苷酸（poly(A)）尾巴，其分子內有時還有極少甲基化的堿基。4.DNA雙螺旋結構類型有那些基本要點？這些特點能解釋哪些基本的生命現象？答：DNA雙螺旋結構模型的基本要點有：（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，兩條鏈均為右手螺旋。（2）嘌呤與嘧啶位于雙螺旋的內側，磷酸與核糖在外側，彼此通過3’,5’-磷酸二酯鍵相連接，形成DNA分子的骨架，堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面則與縱軸平行。多核苷酸鏈的方向取決于核苷酸間磷酸二酯鍵的走向，習慣上以C3’-C5’為正向。兩條鏈配對偏向一側，形成一條大購和一條小溝。（3）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個相鄰的堿基對之間的高度，即堿基堆積距離為0.34nm，兩個核苷酸之間的夾角為36°，沿中心軸每旋轉一周有10個核苷酸，每一轉的高度（即螺距）為3.4nm。（4）兩條核苷酸依靠彼此堿基之間形成的氫鍵相聯系而結合在一起。（5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制。但根據堿基配對原則，當一條多核苷酸鏈的序列彼此確定后，即可決定另一互補的序列。解釋生命活動：雙螺旋DNA是儲存遺傳信息的分子，通過半保留復制，儲存遺傳信息，通過轉錄和翻譯表達出生命活動所需信息（蛋白質和酶）。5．應用DNA晶體X射線衍射技術分析DNA對Watson-Crik模型有何修正？比較A-DNA、B-DNA、Z-DNA的主要特點。答：（1）Watson-Crick模型認為每一螺周含有10個堿基對，所以兩個核苷酸之間夾角是36°。但在Dickerson的十二聚體中，兩個堿基間的夾角可由28°至42°不等，實際平均每一螺周含10.4個堿基對