生物化學(xué)(第三版)第十二章-核酸通論-核算的結(jié)構(gòu)課后習(xí)題詳細(xì)解答-復(fù)習(xí)重點(diǎn)

PAGE35第十二章核酸通論提要1868年Miescher發(fā)現(xiàn)DNA。Altmann繼續(xù)Miescher的研究，于1889年建立從動(dòng)物組織和酵母細(xì)胞制備不含蛋白質(zhì)的核酸的方法。RNA的研究開始于19世紀(jì)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(duì)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及核酸中糖的鑒定作出了重要貢獻(xiàn)，但是他的“四核苷酸假說”是錯(cuò)誤的，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)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(shù)上的突破開始。20世紀(jì)40年代新的核酸研究技術(shù)證明DNA和RNA都是細(xì)胞重要組成成分，并且是特異的大分子。其時(shí)，Chargaff等揭示了DNA的堿基配對(duì)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(jié)構(gòu)，得到清晰衍射圖。Watson和Crick在此基礎(chǔ)上于1953年提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，說明了基因結(jié)構(gòu)、信息和功能三者之間的關(guān)系，奠定了分子生物學(xué)基礎(chǔ)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型得到廣泛的實(shí)驗(yàn)支持。Crick于1958年提出了“中心法則”。DNA研究的成功帶動(dòng)了RNA研究出現(xiàn)一個(gè)新的高潮。20世紀(jì)60年代Holley測(cè)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(zhì)生物合成的過程。在DNA重組技術(shù)帶動(dòng)下生物技術(shù)獲得迅猛發(fā)展。將DNA充足技術(shù)用于改造生物機(jī)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(shí)出現(xiàn)了各種生物工程。技術(shù)革命改變了分子生物學(xué)的面貌，并推動(dòng)了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起。在此背景下，RNA研究出現(xiàn)了第二個(gè)高潮，發(fā)現(xiàn)了一系列新的功能RNA，沖擊了傳統(tǒng)的觀點(diǎn)。人類基因組計(jì)劃是生物學(xué)有史以來最偉大的科學(xué)工程。這一計(jì)劃準(zhǔn)備用15年時(shí)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(cè)定。它首先在美國(guó)啟動(dòng)，并得到國(guó)際科學(xué)界的高度重視，英國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)和中國(guó)科學(xué)家先后加入了這項(xiàng)國(guó)際合作計(jì)劃。由于測(cè)序技術(shù)的改進(jìn)，人類基因組計(jì)劃被大大提前完成，生命科學(xué)進(jìn)入了后基因時(shí)代，研究重點(diǎn)已從測(cè)序轉(zhuǎn)向?qū)蚪M功能的研究。功能基因組學(xué)需要從基因產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)研究入手，因此產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)基因組學(xué)。為研究蛋白質(zhì)組和DNA組，產(chǎn)生了蛋白質(zhì)組學(xué)和RNA組學(xué)。生物化學(xué)與分子生物學(xué)已成為自然科學(xué)中最活躍，發(fā)展最快的學(xué)科之一。DNA是主要的遺傳物質(zhì)，分布在原核細(xì)胞的核區(qū)，真核細(xì)胞的核核細(xì)胞器以及許多病毒中也含DNA。DNA通常是雙鏈分子。原核細(xì)胞的染色體DNA、質(zhì)粒DNA、真核細(xì)胞的細(xì)胞器DNA以及某些病毒DNA都是環(huán)狀雙鏈分子。真核細(xì)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(xì)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(jī)體通過DNA復(fù)制而將遺傳信息由親代傳遞給子代；通過RNA轉(zhuǎn)錄和翻譯而使遺傳信息在子代得以表達(dá)。DNA具有基因的所有屬性，基因也就是DNA的一個(gè)片段?；虻墓δ茏罱K需由蛋白質(zhì)來執(zhí)行，RNA控制著蛋白質(zhì)的合成。參與蛋白質(zhì)合成的DNA有三類：rRNA器裝配和催化作用；tRNA攜帶氨基酸并識(shí)別密碼子；mRNA攜帶DNA的遺傳信息并作為蛋白質(zhì)合成的模板。除參與蛋白質(zhì)合成外，RNA還有多種功能，幾乎涉及細(xì)胞功能的所有方面，歸根結(jié)底與遺傳信息的表達(dá)和表達(dá)調(diào)控有關(guān)。習(xí)題1.核酸是如何被發(fā)現(xiàn)的？為什么早期核酸研究的進(jìn)展比蛋白質(zhì)研究緩慢？答：1868年瑞士青年科學(xué)家F.Mescher由膿細(xì)胞分離得到細(xì)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(xué)研究中的成就授予他諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，但他卻認(rèn)為決定染色體功能的是蛋白質(zhì)，以后轉(zhuǎn)而研究染色體蛋白質(zhì)。Levene對(duì)核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及核酸中糖的鑒定作出了重要貢獻(xiàn)，但是他的“四核苷酸假說”認(rèn)為核苷酸中含等量4種核苷酸，這4種核苷酸組成結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單的高聚物，從而使生物學(xué)家失去對(duì)它的關(guān)注，嚴(yán)重阻礙核酸的研究。當(dāng)時(shí)還流行一種錯(cuò)誤的看法，認(rèn)為胸腺核苷酸代表動(dòng)物核苷酸，酵母核苷酸代表植物核苷酸，這種觀點(diǎn)也不利于對(duì)核酸生物功能的認(rèn)識(shí)。2.Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的背景和依據(jù)是什么？答：背景：20世紀(jì)上半葉，數(shù)理學(xué)科進(jìn)一步滲入生物學(xué)，生物化學(xué)本身是一門交叉學(xué)科，也就成為數(shù)理學(xué)科與生物學(xué)之間的橋梁。數(shù)理學(xué)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(shù)和實(shí)驗(yàn)方法。依據(jù)：已知核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)知識(shí)；E.Chargaff發(fā)現(xiàn)的DNA堿基組成規(guī)律；M.Wilkins和R.Franklin得到的DNAX射線衍射結(jié)果。此外，W.T.Astbury對(duì)DNA衍射圖的研究以及L.Pauling提出蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)也都有啟發(fā)作用。2．為什么科學(xué)界將Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型評(píng)為20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成就之一？答：因?yàn)镈NA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立說明了基因的結(jié)構(gòu)、信息和功能三者之間的關(guān)系，使當(dāng)時(shí)分子生物學(xué)先驅(qū)者形成的三個(gè)學(xué)派（結(jié)構(gòu)學(xué)派、信息學(xué)派和生化遺傳學(xué)派）得到統(tǒng)一，并推動(dòng)了分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展。4.什么是DNA重組技術(shù)？為什么說它的興起導(dǎo)致了分子生物學(xué)的第二次革命？答：DNA重組技術(shù)——在細(xì)胞體外將兩個(gè)DNA片段連接成一個(gè)DNA分子的技術(shù)。在適宜的條件下，一個(gè)重組DNA分子能夠被引入宿主細(xì)胞并在其中大量繁殖。DNA重組技術(shù)極大推動(dòng)了DNA和RNA的研究，改變了分子生物學(xué)的面貌，并導(dǎo)致了一個(gè)新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的興起，所以被認(rèn)為是分子生物學(xué)的第二次革命/5．人類基因組計(jì)劃是怎樣提出來的？它有何重大意義？答：1986年，著名生物學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者H.Dubecco在Sience雜志上率先提出“人類基因組計(jì)劃”，經(jīng)過了3年激烈爭(zhēng)論，1990年10月美國(guó)政府決定出資30億美元，用15年時(shí)間（1990-2005年）完成“基因組計(jì)劃”。重大意義：人類對(duì)自己遺傳信息的認(rèn)識(shí)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(duì)生命科學(xué)也將有極大貢獻(xiàn)。6．為什么說生命科學(xué)已進(jìn)入后基因時(shí)代？它的意思是什么？答：由于技術(shù)上的突破，“人類基因組計(jì)劃”進(jìn)度一再提前，全序列的測(cè)定現(xiàn)已進(jìn)入后基因組時(shí)代。意思：科學(xué)家的研究重心已從揭示基因組DNA的序列轉(zhuǎn)移到在整體水平上對(duì)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(xì)胞中DNA集中在核區(qū)，其核細(xì)胞DNA分布在核內(nèi)，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(zhì)？答：用35S和32P標(biāo)記的噬菌體T2感染大腸桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有32P標(biāo)記的DNA進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)，而35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)仍留在細(xì)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(zhì)。9.參與蛋白質(zhì)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(shí)別密碼子；mRNA攜帶DNA的遺傳信息并作為蛋白質(zhì)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(zhì)合成；②作用于RNA轉(zhuǎn)錄后加工與修飾；③基因表達(dá)與細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)；④生物催化與其他細(xì)胞持家功能；⑤遺傳信息的加工與進(jìn)化。核心功能是：遺傳信息由DNA到蛋白質(zhì)的中間傳遞體。第十三章核酸的結(jié)構(gòu)提要核酸分兩大類：DNA和RNA。所有生物細(xì)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(xué)與分子生物學(xué)研究的重要領(lǐng)域。核酸是一種多聚核苷酸，其基本結(jié)構(gòu)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(jià)結(jié)構(gòu)也就是核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)，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(gè)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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)模型是在1953年由Watson核Crick兩人提出的。建立DNA空間結(jié)構(gòu)模型的根據(jù)有三方面。一是一直核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)。二是DNA堿基組成的分析資料，Chargaff首先發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之內(nèi)側(cè)，磷酸與糖基在外側(cè)，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(duì)堿基組成。堿基按A-T，G-C配對(duì)互補(bǔ)，彼此以氫鍵相連系。維持DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力量主要是氫鍵和堿基堆積力。雙螺旋結(jié)構(gòu)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?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有明顯不同。應(yīng)用核酸晶體的X射線衍射分析技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，Watson-Crick模型需要作某些補(bǔ)充才能反映DNA結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況。DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)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(xiàn)寡聚嘌呤核苷酸-寡聚嘧啶核苷酸雙螺旋的大溝可以結(jié)合第三條寡聚嘌呤或嘧啶核苷酸，形成Hoogsteen配對(duì)。H-DNA是通過分子內(nèi)折疊形成的三股螺旋，它存在于基因調(diào)控區(qū)，因而有重要生物學(xué)意義。細(xì)胞內(nèi)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(shù)，可引起超螺旋。拓?fù)鋵W(xué)的公式L=T+W可用以說明連環(huán)數(shù)（L）、扭轉(zhuǎn)數(shù)（T）和纏繞數(shù)（W）之間的關(guān)系。比連環(huán)差（λ）=（L1-L0）/L0表示超螺旋的強(qiáng)度。DNA超螺旋是DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的一種形式。DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)是其四級(jí)結(jié)構(gòu)。病毒、細(xì)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(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位，它由8個(gè)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(jìn)而折疊、螺旋化，組裝成不同層次結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)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(chǎn)生三級(jí)結(jié)構(gòu)，RNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物則是四級(jí)結(jié)構(gòu)。TRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)呈三葉草形，三級(jí)結(jié)構(gòu)為倒L形。RRNA組裝成核糖體，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。信號(hào)識(shí)別顆粒中的4.5SRNA具有催化SRP的Ffh蛋白與SRP受體FtsY可逆結(jié)合的功能。習(xí)題1.比較DNA和RNA在化學(xué)結(jié)構(gòu)上、大分子結(jié)構(gòu)上和生物學(xué)功能上的特點(diǎn)。答：DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)中組成成分為脫氧核糖核苷酸，核苷酸殘基的數(shù)目由幾千至幾千萬個(gè)；而RNA的組成成分是核糖核苷酸，核苷酸數(shù)目?jī)H有幾十到幾千個(gè)。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(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)：DNA是雙鏈分子，2條鏈之間通過氫鍵和堿基完全配對(duì)（A-T，G-C）形成雙螺旋的二級(jí)結(jié)構(gòu)，一般是右手螺旋，也有左手螺旋。RNA是單鏈分子，分子內(nèi)部的不同部位（有的近距離，也有遠(yuǎn)距離）能夠通過堿基發(fā)生配對(duì)（A-U，G-C和G-U），形成既有單鏈，又有雙鏈的RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)，RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)元件有：烴環(huán)（發(fā)夾）結(jié)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)結(jié)構(gòu)、分支環(huán)結(jié)構(gòu)和中心環(huán)結(jié)構(gòu)等。2.從已經(jīng)揭示的人類基因組結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？3.原核生物與真核生物mRNA有何特點(diǎn)？答：原核生物以操縱子為轉(zhuǎn)錄單位，產(chǎn)生順反子mRNA，即一條mRNA鏈上有多個(gè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)有時(shí)還有極少甲基化的堿基。4.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)類型有那些基本要點(diǎn)？這些特點(diǎn)能解釋哪些基本的生命現(xiàn)象？答：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的基本要點(diǎn)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(nèi)側(cè)，磷酸與核糖在外側(cè)，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(xí)慣上以C3’-C5’為正向。兩條鏈配對(duì)偏向一側(cè)，形成一條大購(gòu)和一條小溝。（3）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個(gè)相鄰的堿基對(duì)之間的高度，即堿基堆積距離為0.34nm，兩個(gè)核苷酸之間的夾角為36°，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一周有10個(gè)核苷酸，每一轉(zhuǎn)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(lián)系而結(jié)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(jù)堿基配對(duì)原則，當(dāng)一條多核苷酸鏈的序列彼此確定后，即可決定另一互補(bǔ)的序列。解釋生命活動(dòng)：雙螺旋DNA是儲(chǔ)存遺傳信息的分子，通過半保留復(fù)制，儲(chǔ)存遺傳信息，通過轉(zhuǎn)錄和翻譯表達(dá)出生命活動(dòng)所需信息（蛋白質(zhì)和酶）。5．應(yīng)用DNA晶體X射線衍射技術(shù)分析DNA對(duì)Watson-Crik模型有何修正？比較A-DNA、B-DNA、Z-DNA的主要特點(diǎn)。答：（1）Watson-Crick模型認(rèn)為每一螺周含有10個(gè)堿基對(duì)，所以兩個(gè)核苷酸之間夾角是36°。但在Dickerson的十二聚體中，兩個(gè)堿基間的夾角可由28°至42°不等，實(shí)際平均每一螺周含10.4個(gè)堿基對(duì)