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第二章、第三章、第四章思考题及其答案（2011年生物科学）第二章、DNA及其基因结构1．DNA的三级结构：DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的一种类型。双螺旋的DNA是以共价闭合环的形式存在，被称为CCC分子，通常是与组蛋白结合构成核小体，CCC分子是所有原核以及真核生物DNA分子的共有特征。2．常见DNA的分子形式I形DNA：具有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分子；沉降系数1.41;I0形DNA：没有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分子；沉降系数1.14;II形DNA：在一条链或者两条链上有切刻的双链环状分子；沉降系数1.14;III形DNA：线性的双螺旋DNA分子,沉降系数1.10;坍缩DNA：I形或者I0形DNA在碱变性条件下,氢键断裂形成的两条紧密缠绕的分子；沉降系数3.00;单链环状DNA：沉降系数1.14;单链线性DNA：沉降系数1.30;环链DNA：由DNA旋转酶催化形成的,I形DNA环连而成。3．Holliday结构：两个DNA双螺旋分子进行交叉重组，则将形成一个“四螺旋”作为中间物。Holliday结构能够发生立体异构现象，它可以导致两条子链发生双重交换，或所有四条链发生单交换。4．三链DNA（H-DNA）：含有（TC)n和（AG)n的同型嘧啶或者是同型嘌呤易形成镜像重复序列，该序列在低pH的条件下能够形成分子内的三链DNA，它是由双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折并嵌入剩下的双链DNA的大沟之中形成的，在三链的DNA中，原来的两股链的走向是反向平行的，其碱基通过Watson-Crick方式配对，位于大沟中的多聚嘧啶链则与双链DNA中的多聚嘌呤链平行走向，碱基按照Hoogsteen方式配对并形成TAT，CGC三联体。5.核小体:构成染色质的基本结构单位,由200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体以及一个分子的组蛋白H1构成,组蛋白八聚体的核心颗粒是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子组成，并由组蛋白H1连接一段连接DNA。八聚体的组蛋白分子连接成匝道形状，直径7.0nm，螺距2.7nm，提供1.75圈（146bp）的DNA缠绕，核小体颗粒高6.0nm，直径11.0nm。核小体具有二分对称性。8个组蛋白在八聚体上相互连接的次序是：H2A--H2B--H4--H3--H3--H4--H2B--H2A。6.DNA的变性DNA的变性是指DNA在加热和变性剂的作用下，堆积力受到破坏而形成的近似于无规则线团构型的DNA过程。核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链结构的过程。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，而是双链变单链的解链过程，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。7.增色效应：变性后DNA对260nm紫外光的吸收率（A260）比变性前明显增加的现象。8.DNA的Tm值通常将DNA的变性达到50%时，即增色效应达到一半时的温度称为DNA的解链温度（meltingtemperature,Tm）,Tm也称熔解温度或DNA的熔点。9.DNA的复性变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列物理、化学性质将得到恢复。10.原核生物基因结构的特点:1)功能上相关的几个基因前后相连,与调节基因,启动子和操纵子构成一个操纵子；2)有时一个调节基因可以调控几个操纵子基因的表达,构成基因表达调控的单元—调控子3)位于同一个操纵子内的若干个蛋白质基因在转录时产生多个基因的mRNA,例如核糖体蛋白的三种RNA:16SRNA,23SRNA,5SRNA4)结构基因通常是以单拷贝的形式存在,同一染色体上的多拷贝基因或序列,会因为非均等的交换,导致相同序列之间的基因缺失或者倒位,甚至基因的倍增；5)RNA基因通常是多拷贝的,上述的三种核糖体RNA各有7个拷贝,20分钟内是核糖体的装配增加一倍,同时7个rrn操纵子有6个在染色体的复制位点附近；11多聚dＴ-dＧ家族：这一家族的基本单位是dＴ－dＧ双核苷酸，多个dＴ－dＧ双核苷酸串联重复在一起，分散于人体基因组中。已经发现，这个家族的一个成员位于人类δ和β珠蛋白基因之间，含有17个dＴ－dＧ双核苷酸组成的串联重复顺序。在人基因组中，dＴ－dＧ交替顺序达106拷贝，这些顺序的平均长度为40bp。这样一个短的串联重复顺序可能是基因转变（geneconversion）或不等交换（unequalcrossing-over）的识别信号。12基因的概念：基因是DNA或RNA分子中具有遗传效应的核苷酸序列，是遗传的基本单位；具有突变、重组、倒位、重复的功能，它包括编码蛋白的结构序列，也包括转录所需要的5`端调控序列和3`端终止序列13基因家族：来源相同、结构相似、功能类同的一组基因，例如：血红蛋白的基因，基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇(genecluster)或串联重复基因(tandemlyrepeatedgenes)，如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；有些成员不产生有功能的基因产物--假基因(Pseudogene)14多基因家族（multigenefamily）：多基因家族是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。一类是基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质，如组蛋白基因家族就成簇地集中在第7号染色体长臂3区2带到3区6带区域内；另一类是一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。15.超基因家族由基因家族和单基因组成的大基因家族，结构上有程度不等的同源性，但功能不同．新基因超家族趋化素类似因子超家族（Chemokine-LikeFactorSuperFamily，CKLFSF）16.串联重复基因同一个基因家族内、基因序列高度一致、非转录序列短而一致，并且串联在同一染色体上的多基因。组蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因都是串联重复基因17.物种的C值以及C值矛盾：基因组是一个物种的单倍体的染色体数目。一个单倍体的基因组染色体数目通常是恒定的，被称为该物种的C值。功能基因所占基因组的比例低于可能编码基因数量的DNA预期值的情况。18.人类线粒体基因的特点A．人类线粒体的基因排列得非常紧凑，除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列。在37个基因之间，基因间隔区总共只有87bp,只占DNA总长度的的0.5%，有些基因之间没有间隔，有时基因有重叠，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔接。因此，mtDNA的任何突变都会涉及到基因组中的一个相关重要功能区域。B．mtDNA为高效利用DNA。有5个阅读框架，缺少终止密码子，仅以U或UA结尾。C．mtDNA的突变率高于核DNA，并缺乏修复能力。D．mtDNA为母系遗传。E.部分mtDNA的密码子不同于核内DNA的密码子。第三章、DNA的复制1DNA的复制过程：起始(Initiation)：子链的合成起始于复制叉,DNA原点(Origion)R1－R4被DnaA蛋白质所识别，拓扑异构酶GyrA解螺旋，解旋酶DnaBDnaC结合13-Merrigion，母链解开，引发酶DnaG、PolIII构成引发体(Primosome)，SSB结合单链，PolIII合成冈崎片段延伸(Elongation)由复制复合体(Replisome)完成。复制复合体含有DNA的特定复制叉结构，解旋酶、异构酶、DNA多聚酶I、II、III、连接酶等与之结合，复制复合体沿DNA移动时，解旋酶母链解开，异构酶沿着母链移动，子链合成。终止反应(Termination)，在复制子(Replicon)的末端，Tus－ter复合体能够同时阻止双向的复制叉前移；复制终止后的两条链，相互缠绕形成复合体，经拓扑异构酶IV的断开再连接，使得双链的DNA分子解开。同时，加倍的染色体与另一个分开，完成有序的DNA复制。2DNA的半保留复制的实验验证:DNA的复制由Meselson和Stahl1958年的15N滲入试验来证实的。方法是采用稳定的同位素15N作DNA标记，15N会导致DNA分子密度显著增加。他们将E.coli放在含有15N的培养基上生长，使亲代的DNA双链都标记上15N（重链），若提取DNA进行CsCl梯度离心应只有一条带位于离心管底部，紫外吸收光谱只出现一个大峰。然后，再在含有14N的NH4Cl的培养基上连续培养几代，通过密度梯度离心将亲本链和子代链区分开来。3DNA复制的方向1.定点开始双向复制这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式，从一个特定位点解链，沿着两个相反的方向各生长出两条链，形成一个复制眼；2.定点开始单向复制质粒colE1是个典型的例子，复制从一个起始点开始，以同一方向生长出两条链，形成一个复制叉(replicationfork)。3.两点开始单向复制腺病毒DNA的复制是从两个起点开始的，形成两个复制叉，各以一个单一方向复制出一条新链。4复制的形式及其特点和比较1）叉式复制（θ复制）：DNA的复制原点各自解开呈单链形式，各自合成它的互补链，并形成两个叉状的复制点（复制眼），θ复制是全程起始（denovoinitiation）的复制，有单向复制和双向复制之分，复制的中间体被称为Cairns分子。2）滚环复制（σ复制）：例如许多病毒DNA的复制、F因子在接合(conjugation)转移时的DNA复制。1968年由Gilbelt提出的，它有以下的特点：（1）共价延伸。σ复制是先在一条亲代链（＋链）上切一缺口，然后以另一负环为模板，在正链切口上的3’-OH上延伸，新合成的链和正链连在一起。而θ复制是以引物的3‘-OH为起点以亲代链为模板从头合成一条新链，新链和旧链是完全分开的。（2）模板链和新合成的链分开。σ复制3‘端不断延环状模板合成，5’端脱离负环，随着复制游离的5‘端越来越长，和环形模板完全分开；而θ复制是半保留的新合成的，一条单链总是和模板链互补地结合在一起形成一条子链（3）不需RNA引物，在正链3‘-OH上延伸；（4）只有一个复制叉。θ复制一般都有两个复制叉。（5）形成多联体（concatemer）。5‘游离的部分经半保留复制形成双链，并含有多个基因组，串联在一起称为多联体，或者称为链环分子。λ的增殖、接合，以及真核生物rDNA的扩增都是以这种形式。（6)参与滚环复制的除A蛋白和SSB以外，还有Rep（解旋）、DNAPolⅢ、DNAPolⅠ、RNAPol、连接酶等，形成复制体，催化连续复制和半不连续复制。5不连续复制与半不连续复制先导链(Leadingstrand)DNA的合成以5‘→3’方向，随着亲本双链的解链连续进行。在后随链(Laggingstrand)上，复制是以相对于复制叉移动相反的方向（5‘→3’方向）合成一个片段冈崎片段，然后再通过连接酶把它们连接成一个完整的后随链，形成不连续复制(Discontinuousreplication)。通常后随链是不连续合成，而先导链连续合成，亦称为半不连续复制(Semidiscontinuousreplication)。6.复制起始的主要步骤：转录激活：DnaA开始进入oriC，并启动左向复制叉；起始复合物：包括DnaA（与R1-4的结合）,ATP，HU蛋白（识别与促进），拓扑异构酶I；预引发体的形成：DnaA与R1-4的结合以后，DnaB-DnaC六聚体与oriC位点结合构成预引发体；RFI的形成：DnaB的解旋酶活性与DNA的拓扑异构酶活性协作进行大范围的解旋，增大负超螺旋数量，形成高迁移率形式（RFI：含有负超螺旋的复制形式一）；引发体的形成：DNA引发酶加入，合成引物DNA；DNA合成：有DNA聚合酶III操作，包括α亚基位聚合酶，ε亚基为3‘－5’外切酶，β亚基维护酶的功能；τ亚基与γ亚基协助β亚基工作。7D