王镜岩生物化学下册课后习题答案

第19章 代谢总论 ⒈怎样理解新陈代谢？

答：新陈代谢是生物体内一切化学变化的总称，是生物体表现其生命活动的重要特征之一。它是由多酶体系协同作用的化学反应网络。新陈代谢包括分解代谢和合成代谢两个方面。 新陈代谢的功能可概括为五个方而：①从周围环境中获得营养物质。②将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件。③将结构元件装配成自身的大分子。④形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子。⑤提供机体生命活动所需的一切能量。

⒉能量代谢在新陈代谢中占何等地位？

答：生物体的一切生命活动都需要能量。生物体的生长、发育，包括核酸、蛋白质的生物合成，机体运动，包括肌肉的收缩以及生物膜的传递、运输功能等等，都需要消耗能量。如果没有能量来源生命活动也就无法进行．生命也就停止。

⒊在能量储存和传递中，哪些物质起着重要作用？ 答：在能量储存和传递中， ATP（腺苷三磷酸）、GTP（鸟苷三磷酸）、UTP（尿苷三磷酸）以及CTP（胞苷三磷酸）等起着重要作用。

⒋新陈代谢有哪些调节机制？代谢调节有何生物意义？ 答：新陈代谢的调节可慨括地划分为三个不同水平：分子水平、细胞水平和整体水平。 分子水平的调节包括反应物和产物的调节（主要是浓度的调节和酶的调节）。酶的调节是最基本的代谢调节，包括酶的数量调节以及酶活性的调节等。酶的数量不只受到合成速率的调节，也受到降解速率的调节。合成速率和降解速率都备有一系列的调节机制。在酶的活性调节机制中，比较普遍的调节机制是可逆的变构调节和共价修饰两种形式。 细胞的特殊结构与酶结合在一起，使酶的作用具有严格的定位条理性，从而使代谢途径得到分隔控制。

多细胞生物还受到在整体水平上的调节。这主要包括激素的调节和神经的调节。高等真核生物由于分化出执行不同功能的各种器官，而使新陈代谢受到合理的分工安排。人类还受到高级神经活动的调节。

除上述各方面的调节作用外，还有来自基因表达的调节作用。 代谢调节的生物学意义在于代谢调节使生物机体能够适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。

⒌ 从“新陈代谢总论”中建立哪些基本概念？

答：从“新陈代谢总论”中建立的基本概念主要有：代谢、分解代谢、合成代谢、递能作用、基团转移反应、氧化和还原反应、消除异构及重排反应、碳－碳键的形成与断裂反应等。

⒍ 概述代谢中的有机反应机制。 答：生物代谢中的反应大体可归纳为四类，即基团转移反应；氧化－还原反应；消除、异构化和重排反应；碳－碳键的形成或断裂反应。这些反应的具体反应机制包括以下几种：酰基转移，磷酰基转移，葡糖基基转移；氧化－还原反应；消除反应，分子内氢原子的迁移（异构化反应），分子重排反应；羟醛综合反应，克莱森酯综合反应，β-酮酸的氧化脱羧反应。

⒎举列说明同位素示踪法和波谱法在生物化学研究中的重要作用。

答：同位素示踪法和波谱法生物化学中研究新陈代谢的两种重要方法。

同位素示踪法不改变被标记化合物的化学性质，已成为生物化学以及分子生物学的研完中一种重要的必不可少的常规先进技术。如：1945年 David Shemin和 David Rittenberg首先成功地用14C 和15N标记的乙酸和甘氨酸怔明了血红素分子中的全部碳原子和氮原子都来源于乙酸利甘氨酸； 胆固醇分子中碳原子的来源也是用同样的同位空示踪法得到闸明的。

核磁共振波谱法对于样品不加任何破坏，因此，在生物体的研究得到广泛的应用。例如 在生物化学、生理学以及医学等方面都广泛位用核磁共振波谱技术对生活状态的人体进行研究，取得了重要的研究成果，其中最为人知的实验是1986年用核磁共振波谱法对人体前臂肌肉在运动前和运动后的比较研究。

第20章 生物能学

⒈就某方面而言，热力学对生物化学工作者更为重要，为什么？

答：生物能学是深人理解生物化学特别是理解主物机体新陈代谢规律不可缺少的基本知识。它是生物化学中涉及生活细胞转移和能量利用的基本间题。生物能学完全建立在热力学的基础上，因此，从这个角度看，热力学对生物化学工作者更为重要。

⒉考虑下面提法是否正确？

①在生物圈内，能量只是从光养生物到异养生物，而物质却能在这两类生物之间循环。 ②生物机体可利用体内较热部位的热能传递到较冷的部位而做功。 ③ 当一个系统的熵值降低到最低时，该系统处于热力学平衡状态。 ④当Δ G0’值为0.0时，说明反应处于平衡状态。 ⑤ ATP水解成ADP的反应，Δ G0’约等于Δ G0。 答：①-是， ②- 非，③-非 ，④- 非，⑤-非

⒊怎样可判断一个化学反应能够自发进行？

答：一个化学反应的自由能是否降低是判断它是否可以自发进行的标准。只有自由能变化为负值的化学反应，才能自发进行。

⒋怎样判断一个化学反应进行的方向？当反应物和产物的起始浓度都为1mol时，请判断下列反应的进行方向。（参看表20-3中的数据） 。 ①磷酸肌酸+ADP ????→ ATP+肌酸

② 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP ????→丙酮酸+ATP ③葡萄糖6-磷酸+ADP ????→ATP+葡萄糖

答：一个化学反应是从总能量高的体系向总能量低的体系变化，即可根据化学反应式两边体系总能量的大小来判断其方向。

根据表20-3中的数据：①-向右， ②-向右 ，③-向左。

⒌ 解释ATP的γ -磷酸基团转运到葡萄糖6-磷酸的磷酸脂键（Δ G0’=13.8kJ/mol）上,一般情况下，为什么在热力学上可行？逆反应是否可行？

答：由于ATP的γ -磷酸基团的Δ G0’=32.2kJ/mol大于葡萄糖6-磷酸的磷酸脂键的Δ G0’=13.8kJ/mol,因此，一般情况下，ATP的γ -磷酸基团转运到葡萄糖6-磷酸的磷酸脂键上在热力学上可行的。在某些情况下，当该反应的ΔG值为正值时，该反应的逆反应可行。

⒍从ATP的结构特点说明ATP在能量传递中的作用。

答：ATP也叫做腺苷三磷酸、三磷酸腺苷、腺三磷，是高能磷酸化合物的典型代表。高能磷酸化合物的特点是：它的高能磷酸键（也即酸酐键，用“～”表示），水解时释放出的化学能是正常化学键释放化学能的2倍以上（一般在20.92 kJ/mol以上）。ATP是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的。这三个磷酸基团从与分子中腺苷基团连接处算起，依次分别称为 α、β、γ磷酸基团。ATP的结构式是：

分析ATP的结构式可以看出，腺嘌呤与核糖结合形成腺苷，腺苷通过核糖中的第5位羟基，与3个相连的磷酸基团结合，形成ATP。ATP分子既可以水解一个磷酸基团（γ磷酸基团），而形成二磷酸腺苷（ADP）和磷酸（Pi）；又可以同时水解两个磷酸基团（β磷酸基团和γ磷酸基团），而形成一磷酸腺苷（AMP）和焦磷酸（PPi；AMP可以在腺苷酸激酶的作用下，由ATP提供一个磷酸基团而形成ADP，ADP又可以迅速地接受另外的磷酸基团而形成ATP。另外， ATP的Δ G0’值在所有含磷酸基团的化合物中处于中间位置。这使ATP有可能在磷酸基团转移中作为中间传递体而起作用。

⒎ATP水解成ADP+Pi的Δ G0’是-30.5kJ/mol， ①试计算此反应中的平衡常数。

②此反应在细胞内是否处于平衡状态？ 答：①K'eq=2.2×105 ； ②否]

⒏在细胞内是否ATP水解的Δ G0通常比Δ G0’更负？为什么？[是，Δ G'=Δ G0’+RTInK,Δ G'≈-41.84kJ/mol]

⒐利用表20-3的数据试计算：

ATP+丙酮酸????→磷酸烯醇式丙酮酸+ADP的反应在25℃下，其Δ G0’和K'eq值。若ATP与ADP之比为10时，求丙酮酸与磷酸烯醇式丙酮酸的平衡比。 答：Δ G0’=+31.38kJ/mol，K'eq=3.06×106，平衡比是3.82×104。

⒑假设有一个 由A向B的转化反应(A?→B)，它的Δ G0’=20kJ/mol请计算： ①在达到平衡时[B]/[A]的比值。

②假设A和B参加的反应与ATP水解为ADP和Pi同时进行，总反应是： A+ATP+H2O ???→B+ADP+Pi

请计算此反应达平衡时[B]/[A]的比值，假设ATP 、ADP和Pi都是1mol浓度，请问在什么时候反应才达到到平衡？

③ 已知[ATP] 、[ADP]和[Pi]在生理条件下都远非1mol浓度。当和浓度依次为[ATP] 、[ADP]和[Pi]8.05mmol,0.93mmol和8.05mmol时，求出一个与偶联反应的[B]/[A]比值。 答：① 比值=3.1×10-4 ② [B]/[A]=69.4 ③[B]/[A]=7.5×104

第21章 生物膜与物质运输

⒈试述物质的被动运输和主动运输的基本特点。研究物质运输的意义是什么？

答：主动运输是由载体蛋白所介导的物质逆浓度梯度或电化学梯度由浓度低的一侧向高浓度的一侧进行跨膜转运的方式，需要与某种释放能量的过程相偶联。主动运输过程可分为由ATP直接提供能量和间接提供能量等基本类型。 被动运输包括简单扩散和载体介导的协助扩散，运输方向是由高浓度向低浓度，运输的动力来自物质的浓度梯度，不需要细胞提供代谢能量。

⒉什么是Na+泵和Ca+泵，其生理作用是什么？

答：Na+/K+泵是动物细胞中由ATP驱动的将Na+ 输出到细胞外同时将K+输入细胞内的运输泵，又称Na+泵或Na+/K+交换泵。实际上是一种Na+ /K+ ATPase。Na+ /K+ ATPase是由两个大亚基(α亚基)和两个小亚基(β亚基)组成。α亚基是跨膜蛋白，在膜的内侧有ATP结合位点，细胞外侧有乌本苷(ouabain)结合位点;在α亚基上有Na+和K+结合位点。其生理意义: Na+/K+ 泵具有三个重要作用， 一是维持了细胞Na+离子的平衡，抵消了Na+离子的渗透作用;二是在建立细胞质膜两侧Na+离子浓度梯度的同时，为葡萄糖协同运输泵提供了驱动力;三是Na+泵建立的细胞外电位，为神经和肌肉电脉冲传导提供了基础。

Ca2+-ATPase有10个跨膜结构域，在细胞膜内侧有两个大的细胞质环状结构，第一个环位于跨膜结构域2和3之间，第二个环位于跨膜结构域4和5之间。在第一个环上有Ca2+离子结合位点;在第二个环上有激活位点，包括ATP的结合位点。Ca2+-ATPase的氨基端和羧基端都在细胞膜的内侧，羧基端含有抑制区域。在静息状态，羧基端的抑制区域同环2的激活位点结合，使泵失去功能，这就是自我抑制。

Ca2+-ATPase泵有两种激活机制，一种是受激活的Ca2+/钙调蛋白(CaM)复合物的激活，另一种是被蛋白激酶C激活。当细胞内Ca2+浓度升高时，Ca2+同钙调蛋白结合，形成激活的Ca2+/钙调蛋白复合物，该复合物同抑制区结合，释放激活位点，泵开始工作。当细胞内Ca2+浓度下降时，CaM同抑制区脱离，抑制区又同激活位点结合，使泵处于静息状态。在另一种情况下，蛋白激酶C使抑制区磷酸化，从而失去抑制作用；当磷酸酶使抑制区脱磷酸，抑制区又同激活位点结合，起抑制作用。

Ca2+ 泵的工作原理类似于Na+/K+ ATPase。在细胞质膜的一侧有同 Ca2+结合的位点，一次可以结合两个 Ca2+， Ca2+结合后使酶激活，并结合上一分子ATP，伴随ATP的水解和酶被磷酸化，Ca2+泵构型发生改变，结合 Ca2+的一面转到细胞外侧，由于结合亲和力低Ca2+离子被释放，此时酶发生去磷酸化，构型恢复到原始的静息状态。

Ca2+ -ATPase每水解一个ATP将两个Ca2+离子从胞质溶胶输出到细胞外。

⒊试述Na+泵的生理机制。

答：Na+/K+ ATPase运输分为六个过程: ①在静息状态，Na+/K+泵的构型使得Na+ 结合位点暴露在膜内侧。当细胞内Na+浓度升高时，3个 Na+ 与该位点结合；② 由于Na+的结合，激活了ATP酶的活性， 使ATP分解， 释放ADP，α亚基被磷酸化; ③由于α亚基被磷酸化， 引起酶发生构型变化， 于是与Na+ 结合的部位转向膜外侧，并向胞外释放3个Na+ ；④膜外的两个K+同α亚基结合; ⑤ K+ 与磷酸化的Na+/K+ ATPase结合后， 促使酶去磷酸化;⑥ 去磷酸化后的酶恢复原构型， 于是将结合的K+ 释放到细胞内。每水解一个ATP， 运出3个Na+ ， 输入2个K+ 。Na+ /K+泵工作的结果，使细胞内的Na+浓度比细胞外低10～30倍，而细胞内的K+浓度比细胞外高10～30倍。由于细胞外的Na+浓度高，且Na+是带正电的，所以Na+ /K+泵使细胞外带上正电荷。

⒋什么是胞吐作用和胞吞作用？它们有何共同特点？

答：细胞膜将外来物包起来送入细胞，称胞吞作用；某些代谢废物及细胞分泌物形成

小泡从细胞内部移至细胞表面，与质膜融合后将物质排出，称胞吐作用。它们的共同特点是物质是通过胞膜的包裹来出入细胞的。

⒌试举列说明受体介导的胞吞作用的重要性。

答：某些大分子的内吞往往首先同质膜上的受体结合，然后质膜内陷形成衣被小窝，继之形成衣被小泡，这种内吞方式称受体介导的胞吞作用。

受体介导的胞吞作用对细胞非常重要，它是一种选择浓缩机制，既可保证细胞大量地摄入特定的大分子，同时又可避免吸入细胞外大量的液体。如低密脂蛋白、运铁蛋白、生长因子、胰岛素等蛋白类激素、糖蛋白等，都是通过受体介导的胞吞作用进入细胞的。

⒍生物膜运输的分子机制有几种主要假设？它们相互关系如何？

答：物质跨膜运输的分子机制大致可概括为3种主要假设模型：移动性载体模型、 孔道或通道模型和构象变化模型。

生物膜运输是生物膜研究中一个重要的而内容又非常广泛的领域，不可能用一种模型去根括迄今己知的多种运输体系的功能。这3种假设模型有许多不同点，如参与运输的实体在形态、结构以及运输方式等方面各有特点；但它们又有许多共同性和相关性，主要表现在这3种运输方式都有选择性和方向性。

第22章 糖酵解作用

⒈为什么应用蔗糖保存食品而不用葡萄糖？

答：糖酵解是生物最古老、最原始获得能量的一种方式。绝大多数微生物都具有利用糖酵解分解葡萄糖的能力，而蔗糖是一种非还原性二糖，许多微生物不能直接将其分解，因此，可利用蔗糖的高渗透压来抑制食品中细菌等有害微生物的生长。

⒉用14C标记葡萄糖的第一个碳原子，用做糖酵解底物，写出标记碳原子在酵解各步骤中的位置。

答：见P67 图22-1 糖酵解和发酵的全过程 ⒊写出从葡萄糖转变为丙酮酸的化学平衡式。

答：由葡萄糖转变为两分子丙酮酸包括能量的产生总的化学反应式为： 葡萄糖 + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+ +2H2O 该反应的化学平衡式为：

K/eq=[丙酮酸]2[ATP]2[NADH]2[H+]2/[葡萄糖][Pi]2[ADP]2[NAD+]2

⒋已知ATP和葡萄糖6-磷酸在pH7和25 ℃时水解的标准自由能变化Δ G0’分别为-7.3和-3.183kcal/mol（1kcal=4.184kJ），计算己糖激酶催化的葡萄糖和ATP反应的Δ G0’和K'eq。 答： Δ G0’=-17.44KJ/mol=-4.162kcal; K'eq=1.125×103

⒌由丙酮酸转变为乳酸的标准自由能变化Δ G0’=-25.10KJ/mol，计算出由葡萄糖转变为乳酸的标准自由能变化。

答：Δ G0’=-56.48KJ/mol

⒍当葡萄糖的浓度为5mmol/L，乳酸的浓度为0.05mmol/L，ATP和ADP浓度都为2mmol/L，无机磷酸(Pi)的浓度为1mmol/L时，计算该由葡萄糖转变为乳酸的自由能（Δ G0’）变化。

发生转录，使β-半乳糖苷酶分子增加 1000倍。

⒎简要说明原核生物和真核生物转录调控的主要特点。 答：原核生物和真核生物转录调控的主要特点有： 原核生物功能相关基因常组织在一起构成操纵子，作为基因表达和调节的单位，真核生物不组成操纵子，每个基因都有自己的基本启动子和调节单元，单独进行转录，相关基因间也可进行协同调节；原核生物只有少数种类的调节单元，真核生物调节单元众多，包括组成型元件、可诱导元件以及增强子等；无论是原核还是真核生物，其转录受反式调节因子所调节；真核生物的转录调节涉及到染色质改型，原核生物不存在染色质水平的调节。

⒏转录调节因子的结构有何特点？

答：转录调节因子分类。转录因子，分为两类：①基本转录因子是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组因子，为所有mRNA转录起动共有②特异转录因子为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达，包括转录激活因子和抑制因子。

所有转录因子至少包括两个结构域：DNA结合域和转录激活域；此外，很多转录因子还包含一个介导蛋白质-蛋白质相互作用的结构域，最常见的是二聚化结构域。①DNA结合域通常由60－100个氨基酸残基组成。最常见的DNA结合域结构形式是锌指结构和碱性α螺旋。类似的碱性DNA结合域多见于碱性亮氨酸拉链和碱性螺旋-环-螺旋。②转录激活域——由30-100个氨基酸残基组成。根据氨基酸组成特点，转录激活域又有酸性激活域、谷氨酰胺富含区域及脯氨酸富含区域。③介导二聚化的结构域——二聚化作用与亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋结构有关。

⒐比较启动子上游元件增强子和绝缘子的作用特点。

答：增强子是远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关，可位于转录起始点的上游或下游。从功能上讲，没有增强子存在，启动子通常不能表现活性；没有启动子时，增强子也无法发挥作用。

绝缘子是一种长约几十到几百个核苷酸对的调控序列，通常位于启动子同邻近基因的正调控元件(增强子)或负调控元件(沉默子)之间(图5-22)。绝缘子本身对基因的表达既没有正效应，也没有负效应，其作用只是不让其他调控元件对基因的活化效应或失活效应发生作用。

⒑什么是染色质的结构域？它有哪些控制位点？

答：染色质上具有特定结构和功能的区域，叫染色质的结构域。它有3种类型的控制位点：基因座控制区，绝源子，基质附着位点。

⒒目前有哪些重要的RNA合成抑制剂已在临床上用作抗癌药物抗病毒药物和治疗艾滋病的药物？其作用机制是什么？

答：目前在临床上应用的RNA合成抑制剂可分为3类，一是嘌呤和嘧啶类似物，如6 – 巯基嘌呤、5 – 尿嘧啶等，它们可作为核苷酸代谢颉颃物而抑制核苷酸前体的合成；二是DNA模板功能的抑制物如烷化剂、放线菌素等，它们通过与DNA结合而改变DNA的功能；三是RNA酶抑制剂，如利福霉素、利链菌素等，它们与RNA酶结合并影响其功能。

⒓为什么RNA转录后加工比任何生物大分子合成后的加工过程都更复杂？

答：由于RNA，特别是真核生物的RNA分子在转录后必须在其头和尾部加上帽子和多

聚尾巴结构；5，端往往有调控序列，基因往往是被内含子隔断的断裂基因，在转录后必须进行剪切、拼接和重编码。因此与其它生物大分子相比，其合成后的加工过程都更复杂。

⒔试述的snoRNA结构和作用。 答：核仁小RNA（snoRNA），是近来生物学研究的热点，由内含子编码。富含AT，有boxC和boxD结构元素。核仁小RNA有多种功能，反义snoRNA指导rRNA核糖甲基化。 核仁小RNA与其它RNA的处理和修饰有关，如核糖体和剪接体核小RNA、gRNA等。核仁小RNA是一个与特性化的非编码RNA相关的大家族。

⒕为什么真核生物要先转录内含子然后再将其切除？ 此题目本身值得商榷，理由如下：

关于内含子的功能，有2种不同看法。一种见解认为，内含子是在进化中出现和消失的，内含子如果有功能，只不过是有利于物种的进化选择。例如细菌丢失了内含子， 可以使染色体变小和复制速度加快。真核生物保留内含子，则可以产生外显子移动，有利于真核生物在适应环境改变时能合成功能上有差异而结构上只有微小差异的蛋白质。另一些学者则力图证明内含子在基因表达中有调控功能。例如，现在已知道某些遗传性疾病，其变异是发生在内含子而不在外显子。有些内含子在调控基因表达的过程中起作用，有些内含子还能为酶编码。为了更精细地研究内含子，现在对内含子的分类有两种方法。 1．按基因的类型分为四类

第I类内含子：主要存在于线粒体、叶绿体及某些低等真核生物的rRNA基因。 第Ⅱ类内含子：也发现于线粒体、叶绿体，但转录产物是mRNA。

I、Ⅱ类内含子中，已发现相当一部分是属于自身剪接的内含子，由RNA分子起酶的作用而催化剪接（见下述）。

第Ⅲ类内含子：是常见的形成套索结构后剪接的内含子，大多数mRNA的基因有此类内含子。

第Ⅳ类内含子：是tRNA的基因及其初级转录产物中的内含子，剪接过程需酶及ATP。

2．从中断基因线性表达的方式，有人又把内含子分为翻译前、翻译绕过、翻译后删除三种： 翻译前删除内含子：就是上述典型的、常见的内含子，在RNA加工中被除去；

翻译绕过式内含子：这些内含子不被剪接删除，但一般不翻译。在特定条件下却可翻译出有调控功能的、在原有外显子插入了一段氨基酸序列的蛋白质； 翻译后删除内含子：这是把蛋白质翻译后加工也算人内含子的概念中来。例如图1⒈17胰岛素的C肽是不存在于有活性的胰岛素分子上的，如按这一定义，C基因也可认为是内含子。类似的翻译后加工情况，在真核生物是很常见的。

⒖RNA拼接可分为哪几种类型？其作用特点是什么？ 答：RNA拼接的类型有：

（1）类型Ⅰ自我拼接。特点是只要1价、2价阳离子和鸟苷存在即可自行发生，无需供给能量和酶的催化。

（2）类型Ⅱ自我拼接。特点是能自我拼接，但不需要鸟苷。 （3）核mRNA拼接体的拼接。特点是由内含子自我催化完成。

（4）核tRNA的酶促拼接。特点是需要内切酶和连接酶等，需要消耗能量。

⒗RNA拼接和编辑对真核生物的进化有何作用？ 答：RNA拼接和编辑是在生物进化历史是形成的，RNA拼接和编辑可消除移码突变等基因突

变的危害，增加了基因产物的多样性，还可能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物进化。

⒘校正tRNA可以消除错义 、无义和移码突变带来的危害，但它是否会将正确的密码子翻译错误？

答：对基因或密码子反密码子上发生某种突变，能以\代偿\或校正原有突变所产生的不良后果的tRNA称为校正tRNA，这种tRNA上反密码子的突变称为校正突变。校正突变可为二类:一是发生在同一基因内，但不在该基因的同一部位，称为基因内突变校正(Intragenic suppression);二是发生在另一基因内，称为基因间突变校正(Intergenic suppression)。 在某些情况下，校正tRNA可能会将正确的密码子翻译错误。

⒙简要说明RNA功能的多样性。

答：RNA在遗传信息的翻译中起着决定作用；RNA具有重要的催化功能和其它持家功能；RNA转录后加工和修饰依赖于各类小RNA和其蛋白质复合物；RNA对基因表达和细胞功能有重要的调节作用；RNA在生物进化中起重要的作用。

⒚RNA复制酶如何调节病毒RNA复制与翻译 、正链与负链合成的关系？

答：又称RNA指导的RNA聚合酶，为以RNA为模板合成RNA的酶，存在于某些RNA病毒中，其底物和作用方式均与DNA指导的RNA聚合酶相似。 RNA聚合酶通常由多个亚基组成，有复杂的高级结构。RNA聚合酶是通过其高级结构的变化来调节病毒RNA复制与翻译 、正链与负链合成的。

⒛逆转录病毒前病毒的长末端重复是如何形成的？它有何意义？

答：逆转录病毒前病毒的长末端重复是在逆转录过程中，负链DNA重复合成U/3 – R/ - U5形成的。

这些长末端重复可帮助转录病毒以类似转座的方式整合进宿主DNA中。

21.为什么逆转座子只存在于真核生物中?它有何生物学意义？

答：在转座过程中需要以RNA为中间体，经逆转录再分散到基因组中的转座子，叫逆转座子。由于只有真核生物能完全满足逆转座子存在的条件（逆转录酶、整合酶，重复序列等），所以逆转座子只存在于真核生物中。

逆转座子的生物学意义：影响所在位点或邻近基因的活性；成为基因组的不稳定因素，促进基因重组；促进生物进化。

第37章 遗传密码

⒈DNA分子的哪些性质使其适宜作为遗传信息的携带物质？ 答：DNA是由4种脱氧核苷酸残基按一定顺序彼此用3’，5’-磷酸二酯键相连构成的长链。大多数DNA含有两条这样的长链，按腺膘呤与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤与胞嘧啶配对的原则形成彼此互补的双中螺旋结构，因此，可以其中的任一条链为模版，复制出跟亲代一样的子代DNA链，将遗传信息传递给下一代；组成DNA的4种脱氧核苷酸，每3个组，可组成64个密码子，足以编码存在于生物中的氨基酸；另外，相较于RNA等其它生物大分子，DNA的理化性质比较稳定。

DNA分子的这些性质使其适宜作为遗传信息的携带物质。

⒉RNA的主要功能是什么？RNA转录后的一系列加工有何生物意义？

答：RNA的主要功能是通过转录和翻译，将生物贮藏在DNA中的遗传信息传递给蛋白质，从而实现遗传信息的生物学功能。

RNA转录后的一系列加工可使RNA转录后的初产物变成成熟的、有功能的RNA，有些加工还可改变RNA携带的遗传信息。

⒊Crick等如何证明遗传密码的基本单位是核苷酸三联体？

答：Crick等研究T4噬菌体 γⅡ位点 A和B 两个顺反子变异的影响， 这两个基因与噬菌体能否感染大肠杆菌κ菌株有关。 吖啶类染料是扁平的杂环分子，可插入DNA两碱基对之间而引起DNA插入或丢失核苷酸。 该位点缺失一个核苷酸或插入一个核苷酸的突变体 缺失两个 或 插入两个核苷酸的突变体重组得到的重组体是严重缺陷性的，不能感染大肠杆菌κ菌株，该位点缺失三个核苷酸或插入三个核苷酸的突变体能表现正常的功能，但该位点缺失四个核苷酸或插入四个核苷酸的突变体却是严重缺陷性的。据此，Crick等证明遗传密码的基本单位是核苷酸三联体。

⒋如何理解基因与蛋白质的共线性？RNA的拼接 、剪辑与再编码对共线性概念有何影响？ 答：根据“中心法则”，基因中DNA的组成顺序决定了转录后RNA的组成顺序，RNA的组成顺序决定了翻译成的蛋白质的组成顺序，这就是基因与蛋白质的共线性关系。

RNA的拼接 、剪辑与再编码可能会改变基因携带的遗传信息的表达，产生新的遗传信息，纠正译码环节的一些错误，是对基因与蛋白质的共线性关系的发展和补充。

⒌遗传密码是如何破译的？

答：第一个用实验给遗传密码以确切解答的是德国出生的美国生物化学家尼伦贝格（M.W.Nirenberg，1927—）。1961年他和另一位德国科学家马太（Heinrich Matthaei）在美国国家卫生研究院的实验室内发现了苯丙氨酸的密码是RNA上的尿嘧啶（UUU）。他们在用大肠杆菌的无细胞提取液研究蛋白质的生物合成问题时发现：当向这个提取液中加进核酸，则合成了蛋白质；当用由单一的尿嘧啶组成的核酸长链加进这个提取液中，则产生了由单一苯丙氨酸组成的多肽长链。这个结果立即震动了科学界。但是测定其他氨基酸的密码需要各种各样的碱基组合，而当时这种组合并不是很容易得到的，它需要一种多核苷酸磷酸化酶。美国另一位西班牙血统的生物化学家奥乔亚（Ochoa，Severo，1905—）于1955年发现了多核苷酸磷酸化酶（PNP酶）帮助了尼伦贝格合成了同聚核苷酸——多聚U（PolyU）（奥乔亚因发现此酶而获得1959年诺贝尔生理学或医学奖）。当他将多聚U作为模板加入到无细胞体系中时，那就是只有加有标记苯丙氨酸所产生的那一试管蛋白质沉淀具有放射性。而加其他标记氨基酸的各管则均无放射性进入沉淀。于是，第一个密码便被破译出来，即UUU是苯丙氨酸的密码子。用同样的方式以其他多聚核苷酸作为模板，又测出CCC是脯氨酸的密码子，AAA是赖氨酸的密码子。多聚G的氨基酸密码子当时用此法测定时遇到困难，未能测出。

在取得第一阶段突破性成果之后，尼伦贝格用混合的核苷酸制备人工合成的mRNA模板，分别测试其作用。

用2种或3种不同的核苷酸制备mRNA模板时，PNP酶合成的产物都是杂聚物，其中核苷酸的顺序是随机的，无法预测。但各种三联体出现的相对几率则是可以推算出来的。在测定了各种标记氨基酸参入蛋白质的量之后，将其相对参入量和三联体出现的几率加以比较，即可知道每种三联体相对应的是那一种氨基酸。

此法的应用有局限性，密码子中不同核苷酸的比例固然可以推测出来，但是它们的排序却不能确定；尽管如此编码的范围还是大大缩小了。后来又发现有些密码子具有重复性，即一种氨基酸可以有多种密码子，但是每一种密码子只编码一种氨基酸。 为了搞清密码子中核苷酸顺序，尼伦贝格巧妙地设计了第三阶段的实验。他采用的是核糖体结合法新技术，并加入的模板一律改为具有一定顺序的单个三联体。实验仍在无细胞体系中进行。他们的小组合成了全部64种单个的、顺序固定的三联体密码。实验结果能使50种密码子所对应的氨基酸能确定下来。实验中发现，有三个密码子并不编码任何氨基酸，后来知道它们是终止信号。还知道甲硫氨酸的密码子可兼作起始信号。完整的密码子表，到1963年由与尼伦贝格共获1968年诺贝尔生理学或医学奖的霍拉纳（Khorana，Har Gobind，1922—）利用其他技术加以确定的。

⒍何谓密码的简并行和变偶性？二者有何关系？ 答：同一种氨基酸有两个或多个密码子的现象，叫密码的简并性。tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时，密码子第一位、第二位碱基配对是严格的，第三位碱基可以有一定的变动，这种现象，叫变偶性。

变偶性可理解为是对密码的简并性的一种修正。

⒎为什么只要32种tRNA就能识别通用遗传密码中61个编码氨基酸的密码子？而在线粒体中只要22种tRNA就能识别全部氨基酸的密码子？

答：由于密码子变偶性的存在，只要32种tRNA就能识别通用遗传密码中61个编码氨基酸的密码子。

在线粒体中只要22种tRNA就能识别全部氨基酸的密码子，这是由于密码的通用性和变异性造成的。

⒏何谓密码的通用性和变异性？试分析线粒体遗传密码的特点。

答：密码的通用性是指不同的生物密码子基本相同，即共用一套密码子。密码的变异性是指线粒体DNA(mtDNA),还有原核生物支原体等少数生物基因密码有一定变异。

哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用遗传密码有以下区别：UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码；多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和AUC四个密码子编码；AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系统中有4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）；有4组密码子其氨基酸特异性只决定于三联体的前两位碱基，它们由一种tRNA即可识别；线粒体密码子特殊的变偶规则使它只要22种tRNA就可识别全部的氨基酸。

⒐为什么遗传密码的编排具有防错的效果？

答：在遗传密码表中，氨基酸的极性通常由密码子的第二位碱基决定，简并性由第三位碱基决定。这种分相使得密码子中一个碱基被更换，其结果或是仍然编码欺上相同的氨基酸，或是以理化性质最接近的氨基酸取代。从而将基因突变的危害降至最低程度，即这样的编排有一定的防错效果。

⒑举例说明遗传密码的翻译受上下文的影响。

答：在有些情况下，密码子的含义可随上下文的不同而改变。如在大肠杆菌中，有时缬氨酸密码子GUG和亮氨酸密码子UUC也可被用作起始密码子，当其位于特殊mRNA翻译的起始位置时，可被起始tRNA所识别。

第38章 蛋白质合成及转运

⒈mRNA的概念是如何形成的？如何证实的？ 答：（一）信使RNA概念的提出

信使RNA(messenger RNA, mRNA)的发现在分子生物学的发展中是一重大事件。由于其在细胞总RNA中所占比例很小，很难把它分离出来。mRNA的概念首先是从理论上提出来的，然后再用实验得到证实。F. Jacob和J. Monod早在1961年就提出mRNA的概念。他们认为，既然蛋白质是在胞质中合成的，而编码蛋白质的信息载体DNA却在胞核内，那么必定有一种中间物质用来传递DNA上的信息。他们在研究大肠杆菌中与乳糖代谢有关酶类的生物合成时发现，诱导物如异丙基硫代半乳糖苷(β-isopropylthiogalaotoside， IPTG)的加入，可以立刻使酶蛋白的合成速度增加上千倍。而诱导物一旦消失，又可使酶蛋白的合成立刻停止。这个实验结果给人的启示是：蛋白质合成的模板是一种不稳定的物质，其半衰期很短。他们对这种信使物质的性质作了如下的预言： a．信使是一种多核苷酸；

b．信使的碱基组成应与相应的DNA的碱基组成相一致；

c．信使的长度应是不同的，因为由它们所编码的多肽链的长度是不同的； d．在多肽合成时信使应与核糖体作短暂的结合；

e.信使的半衰期很短，所以信使的合成速度应该是很快的。

所以，这样的信使可能是一种RNA。但是当时已发现的两种RNA（rRNA、tRNA）都不具备这些特性。各种生物的核糖体RNA的大小差异不大，碱基组成的变化也不大。tRNA除了有与rRNA相同的问题以外，它们的分子也太小。所以这两种RNA都不能胜任信使的功能。可喜的是当时已有人提出过，细胞内有可能存在第三种RNA。在被噬菌体T2感染后的大肠杆菌中，有人发现有一种新的RNA，它的代谢速度极快，分子大小也参差不齐，碱基组成又与T2DNA相一致。这些特征都符合信使分子的要求。 (二)信使RNA的实验证明 信使RNA的概念提出后，还必须要用实验来证明这种概念是否正确。为此，S.Brenner，F. Jacob和M. Monocl等人设计了一组实验。用噬菌体T2感染大肠杆菌后，发现几乎所有在细胞内合成的蛋白质都不再是细胞本身的蛋白质，而是噬菌体所编码的蛋白质；这些蛋白质的合成速度与细胞总RNA的合成速度无关；T2感染后不久，细胞中出现了少量半衰期很短的RNA，它们的碱基组成与DNA是一致的。上述这些特性都与他们预言的信使分子特性十分符合。 那么噬菌体的感染又是怎样将细胞内蛋白质合成的方向改变了呢?当时曾提出了两种假设。一种认为T2的感染引起了一类新的核糖体的合成，不同的核糖体控制不同的蛋白质的合成；另一种假设认为核糖体并不具有这种特异性，它的功能只不过是从mRNA接受遗传信息而已。Brenner，Jacob，Meselson等人支持后一种看法。于是他们又设计了一组实验来解决这个问题。

他们将大肠杆菌接种在含有重标记(15N和13C)的培养基上，再用T2感染。感染后立刻将细菌转移到含有轻同位素(14N和12 C)的培养基上。再将T2感染前与感染后的细菌破碎，分离出核糖体，用密度梯度超离心技术将带有重同位素的核糖体与带有轻同位素的核糖体分开。他们还用32P或用14C-尿苷去标记RNA，并用35S-甲硫氨酸去标记新合成的蛋白质。这些实验表明：

a．T2感染后并无轻标记核糖体出现，说明在T2感染后并未引起新核糖体的合成。

b．T2感染后，诱发了新的RNA的合成。大多数放射性标记的RNA出现在重标记核糖体中。这种新合成的RNA代谢速度极快。

c．35S标记的蛋白质只暂时出现在重标记核糖体中，说明新合成的蛋白质是在早就存在的核糖体中合成的。

以后，S. spiegelman又用分子杂交技术证明：经T2感染后的新合成的RNA可以与T2DNA相杂交，但细胞内的其他RNA则不能与T2DNA杂交。

⒉核糖体的基本结构与功能有哪些？

答：核糖体有的游离在胞质中,称为游离核糖体(free ribosome)。 有的附着在内质网表面,参与构成RER,称为固着核糖体或膜旁核糖体（fixed Ribosome）。

无论哪种核糖体,在执行功能时,即进行蛋白质合成时,常3-5个或几十个甚至更多聚集并与mRNA结合在一起,由mRNA分子与小亚基凹沟处结合,再与大亚基结合,形成一串,称为多聚核糖体(游离多聚核糖体及固着多聚核糖体),Polyribosome或Polysome。

核糖体是由大、小二个亚基组成的不规则颗粒。大亚基侧面观是低面向上的倒圆锥形,底面不是平的,边缘有三个突起,中央为一凹陷,似沙发的靠背和扶手。 小亚基是略带弧形的长条,一面稍凹陷,一面稍外突,约1/3处有一细缢痕,将其分成大小两个不等部份。 小亚基趴在大亚基上,似沙发上趴了一只小猴。大小亚基凹陷部位彼此对应相结合,就形成了一个内部空间。此部位可容纳mRNA、tRNA及进行氨基酸结合等反应。

此外,在大亚基内有一垂直的通道为中央管,所合成的多肽链由此排放,以免受蛋白酶的分解。 一般真核细胞中,106-107个/细胞,原核细胞中15-18× 103个/细胞,蛋白质合成旺盛的细胞可达1×1012个/细胞。

核糖体是蛋白质合成的场所。单个核糖体上存在四个活性部位,在蛋白质合成中各有专一的识别作用：A部位，氨基酸部位或受位:主要在大亚基上,是接受氨酰基-tRNA的部位；P部位，肽基部位或供位:主要在小亚基上,是释放tRNA的部位；肽基转移酶部位(肽合成酶),简称T因子，位于大亚基上,催化氨基酸间形成肽键,使肽链延长；GTP酶部位，即转位酶,简称G因子,对GTP具有活性,催化肽键从供体部位→受体部位。

另外,核糖体上还有许多与起始因子、延长因子、释放因子以及各种酶相结合的位点。

⒊假定以下列mRNA片断为模板，合成的多肽有何氨基酸序列: 5'GGUUUCAUGGACGAAUAAGUGAUAAUAU3'

答：根据不同的阅读框，该mRNA片断合成的多肽氨基酸序列有: 1 GGU UUC AUG GAC GAA UAA GUG AUA AUA 27 1 Gly Phe Met Asp Glu End Val Ile Ile

2 GUU UCA UGG ACG AAU AAG UGA UAA UAU 28 1 Val Ser Trp Thr Asn Lys End End Tyr

3 UUU CAU GGA CGA AUA AGU GAU AAU 26 0 Phe His Gly Arg Ile Ser Asp Asn 7

⒋按下列单链：

5'TCGTCGACGATGATCATCGGCTACTCG3' 试写出

① DNA复制时，另一种单链的序列； ② 转录成的mRNA序列； ③合成的多肽序列。

答：① DNA复制时，另一种单链的序列：CGAGTAGCCGATGATCATCGTCGACGA ② 转录成的mRNA序列：UCGUCGACGAUGAUCAUCGGCUACUCG ③合成的多肽序列：

1 UCG UCG ACG AUG AUC AUC GGC UAC UCG 27 1 S S T M I I G Y S

若按第2阅读框翻译，中间有终止密码子，故不可能按这种方式合成多肽。 3 GUC GAC GAU GAU CAU CGG CUA CUC 26 0 V D D D H R L L 7

⒌试设想一下，在转译过程中，在哪些环节上保证了所合成的多肽的正确无误？ 答：转译又称“翻译”。即以信使RNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。转译的过程是：细胞核中DNA的某一区段转录出来的mRNA从核孔穿出来进入细胞质中，与核糖体结合起来进行蛋白质的合成。

在转译过程中，在这些环节上保证了所合成的多肽的正确无误：每一氨酰-tRNA合成酶识别一个特定的氨基酸和与此氨基酸对应的tRNA；氨酰-tRNA合成酶纠正酰化的错误；起始tRNA 识别翻译的起始点；tRNA上的反密码子与mRNA上的密码子配对，确保合成氨基酸顺序的正确性。

⒍氨酰-tRNA合成酶有何功能？

答：氨酰-tRNA合成酶的功能是将正确的氨基酸装载到相应的tRNA分子上。

⒎tRNA有何功能？

答：在蛋白质生物合成过程中，tRNA主要起转运氨基酸的作用。

⒏嘌呤霉素如何抑制蛋白质合成？

答：嘌呤霉素(puromycin;PM ) 是一种蛋白质合成抑制剂,它具有与tRNA分子末端类似的结构, 能够同氨基酸结合，代替氨酰化的tRNA同核糖体的A位点结合，并掺入到生长的肽链中。虽然嘌呤霉素能够同A位点结合,但是不能参与随后的任何反应, 因而导致蛋白质合成的终止并释放出C-末端含有嘌呤霉素的不成熟的多肽。

⒐在蛋白质定向输送时，多肽本身有何作用？

答：在蛋白质定向输送时，每一需要运输的多肽都含有一段氨基酸序列，称为信号肽序列，引导多肽至不同的转动系统。

⒑蛋白质的糖基化如何完成？

答：蛋白质的糖基化是使多肽链变成糖蛋白。糖基一般连接在4种氨基酸上，分为2种： a，O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）：与Ser、Thr和Hyp的OH连接，连接的糖为半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高尔基体上进行O-连接的糖基化。 B，N-连接的糖基化（N-linked glycosylation）：与天冬酰胺残基的NH2连接，糖为N-乙酰葡糖胺。内质网上进行的为N-连接的糖基化。糖的供体为核苷糖(nucleotide sugar)，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺等。

糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇（dolichol phosphate）分子上，装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。

⒒高尔基体的功能是什么？ 答：高尔基体普遍存在于植物细胞和动物细胞中，细胞中的高尔基体与细胞分泌物形成有关，高尔基体本身没有合成蛋白质的功能，但可以对蛋白质进行加工和转运，因此有人把它比喻成蛋白质的 \加工厂\。植物细胞分裂是，高尔基体与细胞壁的形成有关。

第39章 细胞代谢与基因表达调控

⒈构成生命活动基础的物质代谢、能量代谢和信息代谢三者之间有何关系？

答：细胞代谢是一切生命活动的基础。细胞代谢包括物质代谢、能量代谢和信息代谢三个方面。任何物质变化总有能量变化，而能量变化又总伴随着它们组成成分相对无序和有序的变更。信息可以作为系统组织程度的量度，信息就是负熵。活细胞不断与环境交换物质，摄取能量，输入负熵，从而得以构建和维持其复杂的组织结构，一旦这种关系破坏，细胞就解体了。

⒉哪些化合物可以认为是联系糖、脂类、蛋白质和核酸代谢的重要环节？为什么？

答：葡萄糖-6-磷酸、丙酮酸和乙酰辅酶A是联系糖、脂类、蛋白质和核酸代谢的重要环节。 因为它们是糖、脂类、蛋白质和核酸代谢交叉点上关键的中间代谢产物。

⒊细胞代谢的基本要略是什么？

答：细胞代谢途径是由一系列的酶促反应驱动；代谢的总轮廓特征为：分解代谢汇聚到少数几个终产物，各成代谢分叉产生许多产物；细胞代谢的基本要略在于形成 ATP 、还原力和构造单元，以用于生物合成。分解代谢产生能量和构造材料，再由 ATP 、 NADPH 和构造单元合成各类生物分子，并进而装配成生物不同层次的结构。

⒋什么叫前馈？什么叫反馈？举例说明代谢的前馈调解和反馈调节。

答：前馈是指干扰信号在作用于受控部分，引起输出变量改变的同时，还可直接通过感受装置作用于控制部分；即在未引起负反馈调节之前，同时又经另一快捷途径发出干扰信号直接作用于控制部分，及时调控受控部分的活动。例如，在一定条件下，机体的某些活动发生得特别快，以致神经系统来不及将外周得反馈信号传送至大脑，或大脑发出的信息不能及时地返回外周以控制运动。在这种情况下，大脑可通过前馈机制经另一快捷途径向受控部分发出前馈信号，引起必需的肌肉收缩，而后将来自收缩部分的感觉神经信号传递至大脑，并对收缩是否合理做出判断。 反馈（feedback）：是指由受控部分发出的反馈信息返回到控制部分，不断纠正和调整控制部分对受控制部分的影响，这种调控模式称为反馈。血液中某些代谢产物浓度升高（或降低）作用于内分泌细胞的相应受体，导致激素分泌水平的上升（或下降），靶细胞受体识别激素后发生的变化作为反馈信息使代谢产物的浓度降低（或升高），以重新建立“稳态”。例如，血糖浓度与胰岛素分泌水平之间的关系就属于简单负反馈。

⒌什么是级联反应？有何意义?以宁雪机制为例说明其调剂作用。

答：级联反应是指第一级反应中被激活的蛋白质,本身就是催化下一级反应的蛋白酶,这样就起着逐级放大的作用。 例如在凝血级联系统中，血管损伤可刺激激肽原转化为激肽释放酶，然后依次激活凝血因子Ⅻ、Ⅺ、Ⅸ、Ⅹ、凝血酶原、血纤蛋白原等，促使血纤维凝块。

⒍细胞膜结构在代谢调解中起何作用？

答：细胞具有精细的结构。各类酶在细胞中有各自的空间分布，因而使不同代谢途径分别在细胞的不同部位进行。细胞膜结构对代谢的调控作用主要有：控制跨膜离子浓度梯度和电位梯度；控制物质运输；对代谢途径的分隔作用；与酶的可逆结合影响酶的性质和活性。

⒎根据所学的知识分析线粒体内代谢途径的调节机制。

答：线粒体由两层膜包被,外膜平滑,内膜向内折叠形成嵴,两层膜之间有腔,线粒体中央是基质。基质内含有数百种酶，包括丙酮酸氧化脱羧、脂肪酸β-氧化、氨基酸分解以及与三羧酸循环所需的酶类等,内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体。线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所。

线粒体内代谢途径的调控机制十分复杂，但总的说来是将不同酶系分隔在一定的空间内，然后通过某些物质的跨膜交流及相应的反馈反应来调控各代谢途径。

⒏门空离子通道有哪几种？它们在神经电兴奋的传导中各起何作用？

答：门空离子通道有门空离子通道有电位门控离子通道和配体门控离子通道。 电位门控离子通道在膜去极化时打开，因而产生动作电位。 配体门控离子通道由神经递质打开，使化学信号转变为电信号。

⒐何谓信号转导系统？它如何将膜受体接受到的化学信号传递给胞内？ 答：将细胞膜外信息传递到膜内的系统，叫信号转导系统。

信号转导系统通过G蛋白耦联受体介导的信号转导（受体-G蛋白-效应器-第二信使），离子通道受体介导的信号转导以及酶耦联受体介导的信号转导等方式将膜受体接受到的化学信号传递给胞内。

⒑简要说明一氧化氮作为信号分子的调节作用。

答：NO是非极性小分子，容易穿过质膜，从产生的细胞扩散到邻近细胞中，与鸟苷酸环化酶的血红素结合，并激活酶产生cGMP。NO通过cGMP的蛋白激酶途径，对免疫反应、胚胎发育、心血管系统及神经信号传递等过程发挥重要的调节作用。

⒒细胞增值信号如何调节细胞分裂和基因表达？与细胞癌变有何关系？ 答：细胞周期的时间控制是由蛋白激酶系统对细胞内外信号作出反应，以改变其活性而实现的。在精确的时间间隔内由蛋白激酶系统使特异的蛋白质磷酸化，从而协调细胞代谢活性和基因表达，以产生有序的细胞周期。

正常情况下，细胞分裂受各种生长因子的调节，使休止细胞进入分裂。一旦控制细胞增殖的基因发生突变，产生不正常的增殖信号或对增殖信号作出不正确的反应，都可能引发细胞癌变。

⒓何谓操纵子？根据操纵子模型说明酶的诱导和阻遏。

答：操纵子是指原核生物基因表达的协调单位，包括结构基因、调节基因及由调节基因产物所识别的控制序列（启动子、操纵基因）。

根据操纵子对调节基因表达的小分子所作出反应的特点，分为可诱导（inducible）和可阻遏（repressible）两类。

例如在细菌的培养基中只有在加入代谢的诱导物之后，细菌才产生一种酶。这就是可诱导的操纵子；如在培养基中加入足量的某些合成物的成分，就可以阻遏合成时所需的一系列酶的

产生，这就是可阻遏操纵子。

⒔为什么说在酶诱导中的调节蛋白起负调节作用，而在降解物阻遏中的调节蛋白起正调节作用？

答：酶的诱导和阻遏是在调节基因产物阻遏蛋白（调节蛋白）的作用下，通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的。由于经济的原则，细菌通常并不合成那些在代谢上无用的酶，因此一些分解代谢的酶类只在有关的底物或底物类似物存在时才被诱导合成；而一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物足够量存在时，其合成被阻遏。在酶诱导时，阻遏蛋白与诱导物相结合，因而失去封闭操纵基因的能力。 对代谢降解物敏感的操纵子受到降解物的阻遏，有关的调节蛋白起正调节作用。当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，通常优先利用葡萄糖，只有葡萄糖耗尽后，细菌经过一段停滞期，在乳糖诱导下才能利用乳糖，这种现象称为葡萄糖效应或降解物阻遏。

⒕何谓衰减子？说明它的作用机制和生物学意义。

答：在色氨酸操纵子中存在一种转录水平上调节基因表达的衰减作用（ attenuation ），用以终止和减弱转录。这种调节作用称为衰减子（ attenuator ），是一种位于结构基因上游前导区的终止子。

衰减子的作用机制是前导区编码 mRNA 的前导序列，该序列可合成一段小肽（前导肽），它在翻译水平上控制前导区转录的终止。

衰减子控制转录起始后是否继续下去，是比之阻遏作用是更为精细的调节。

⒖将细菌从贫瘠培养基中转移到丰富培养基中其代谢会发生什么变化？

答：将细菌从贫瘠培养基中转移到丰富培养基中，其代谢会加强，生长速度加快。

⒗何谓反义RNA？它的发现有何理论意义和实践意义？

答：反义RNA是指可与mRNA或有义DNA链互补导致正常翻译终止的RNA分子。

由于通过反义RNA与正链RNA 形成双链RNA ，可特异性地抑制靶基因；通过人为地引入与内源靶基因具有相同序列的双链RNA(有义RNA 和反义RNA) ,可诱导内源靶基因的mRNA 降解,达到阻止基因表达的目的。因此，反义RNA的发现，为人为精细调控基因的表达提供了一条新的途径。

⒘说明真核生物基因表达调节机制的主要特点。 答：真核生物基因表达调节机制的主要特点是：真核生物细胞基因的表达可随细胞内外环境条件的改变和时间程序面在不同表达水平上加以精确调节。基因表达是有多个层面上进行的多级调控：

（1） 转录前水平的调节 ：染色体丢失；基因扩增；基因重排；染色体 DNA 的修饰和异染色质化。

（2）转录活性的调节：染色质的活化；启动子和增强子的顺式作用元件；调节转录的反式作用因子。

（3） 转录后水平的调节：戴帽；加尾；甲基化修饰；拼接。

（4）翻译水平的调节：对可溶性蛋白质因子的修饰；对 mRNA 稳定性的调节；. 反义 RNA 对翻译水平的调控。

（5） 翻译后水平的调节：切割；化学修饰；连接。

⒙真核生物转录前水平的基因调节主要有哪些方式？ 答：真核生物转录前水平的基因调节主要有染色体丢失、基因扩增、基因重排、染色体 DNA 的修饰和异染色质化等方式。

⒚比较真核生物和原核生物转录水平与翻译水平的调节的异同点。 答：原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，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。原核生物通过由结构基因、调节基因及由调节基因产物所识别的控制序列（启动子、操纵基因）等所组成的操纵子对基因的表达进行调节。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。

真核生物不组成操纵子，不形成多顺反子mRNA。真核生物在转录水平上的调节包括染色质的活化和基因的活化，基因转录受顺式作用元件，包括启动子、增强子及其应答元件的控制；也受反式作用因子如基本转录因子、上游转录因子和转录调节因子等的调节。真核生物翻译水平的调节主要是控制mRNA的稳定性和有选择的进行翻译。

⒛结合DNA的反式激活因子结构有何特点？

答：结合DNA的反式激活因子，除特异结合DNA的结构域外，通常都另外还有一个或多个结构域，用于转录的活化或与其它调节蛋白相互作用。常见的活化结构域有酸性活化结构域、富含谷胺酰胺结构域以及富含脯胺酸结构域。

21.真核生物转录后和翻译后均存在复杂的信息加工，试分析其生物学意义。

答：真核生物转录和翻译的位置被核膜隔开，转录和翻译后的信息加工较为复杂。其生物学意义有：

RNA转录后的一系列加工可使RNA转录后的初产物变成成熟的、有功能的RNA，有些加工还可改变RNA携带的遗传信息，有利于生物的进化，是对“中心法则”的校正和补充。 蛋白质的翻译后修饰和加工，是指在肽链合成完成后进行的化学反应，如磷酸化、羟基化、糖基化、二硫键形成，以及最近发现的蛋白质自剪接等等，可能有一百种以上。翻译后修饰和加工使得蛋白质的组成更加多样化，蛋白质结构呈现更大的复杂化，从面增加生物适应环境变化的能力。对蛋白质的正常生理功能是必需的，它们的变化往往和疾病的发生有关。

第40章 基因工程及蛋白质工程

⒈DNA分子克隆包括哪些步骤？有何应用价值？

答：DNA分子克隆是指将DNA的限制性酶切片段插入克隆载体，导入宿主细胞，经无性繁殖，以获得相同的DNA扩增分子。DNA分子克隆包括切割DNA分子、将外源DNA导入载体、将外源DNA导入宿主细胞以及宿主细胞的无性繁殖等步骤。

克隆得到的DNA可以应用于生物学研究的很多方面，包括对特异DNA的碱基顺序的分析和处理，以及生物技术工业中有价值蛋白质的大量生产等等。

⒉大肠杆菌pBR322质粒含有10个HinfⅠ的酶切位点，当以此酶部分水解时可得到多少种限制片段？ 答：91种。

⒊克隆载体的必要条件是哪些？

答：克隆载体应具备的必要条件:

① 具有复制子，在宿主细胞内可自主地复制， 并携带重组DNA分子一同扩增；

② 有单一限制性内切酶的酶切位点或多克隆位点 (multiple cloning site，MCS)，MCS是人工合成的一段含有多个不同的单一限制性内切酶切点的 DNA序列，它有利于外源基因插入该区域；

③ 有选择性遗传标记，如抗药基因、酶基因、 营养缺陷体及噬菌斑形成能力等，便于筛选出阳性重组体；

④ 拷贝数高(10—200个／每个细胞)，易于分离； ⑤ 生物安全性好。

⒋比较柯斯质粒和γ噬菌体为载体进行DNA克隆的异同。 答：柯斯质粒具有λ噬菌体的特性，即在克隆了外源片段后可在体外被包装成噬菌体颗粒，高效地感染对λ噬菌体敏感的大肠杆菌细胞。进入寄主的柯斯质粒DNA分子，按照λ噬菌体DNA的方式环化， 但无法按噬菌体的方式生活，更无法形成子代噬菌体颗粒。 柯斯质粒在寄主细胞内如质粒一样进行复制，携带有抗性基因和克隆位点，并具氯霉素扩增效应。

柯斯质粒具有高容量的克隆能力，柯斯质粒本身一般只有5～7kb左右，而它克隆外源DNA片段的极限值竟高达45kb，远远超过质粒载体及λ噬菌体载体的克隆能力（9-23kb）。同时，由于包装限制，柯斯质粒载体的克隆能力还存在一个最低极限值。例如， 5 kb大小的柯斯质粒载体，插入的外源片段至少不能小于30 kb。

⒌如何进行单链DNA的克隆？

答：可用M13载体进行单链DNA的克隆。具体步骤包括单链DNA模板的制备，载体DNA的制备，体外连接与包装，重组噬菌体感染大肠杆菌，单链DNA克隆的鉴定与扩增等。

⒍有哪些方法可以使外源DNA与载体DNA相连接？比较它们的优点。

答：外源DNA片段与载体DNA分子的连接，即DNA分子的体外重组，主要依赖于限制性内切核酸酶及DNA连接酶的作用。

外源DNA片段与载体DNA分子的连接有多种。一种是用用两种不同的限制酶同时酶解一种特定的DNA分子，产生具有两种不同末端（粘性末端与另种粘性末端、粘性末端与平齐末端）的DNA片段，那么可实现外源DNA片段定向插入载体分子。另一种是非互补粘性末端DNA分子的连接，即在一定的反应条件下，可用T4 DNA连接酶将平齐末端的DNA片段有效地连接起来；对于非互补粘性末端DNA分子，在用特异作用干单链DNA的S1核酸酶处理，使其变成平齐末端后，也可用 T4 DNA连接酶进行有效的连接。其三，可采用附加衔接物（linker，是一种人工合成的双链DNA短片段，其上具有一个或数个在将与其连接的载体DNA上不存在的限制酶识别位点，可按平齐末端连接法给平齐末端片段加上相同识别位点的衔接物，再用在衔接物中具有识别位点的合适限制酶切割，用常规方法连接）的方法，提高平齐末端间的连接作用效率。其四，可利用接头进行DNA平齐末端门的连接。接头（adaptor）是一种具有粘性末端的短核昔酸双链，它与平齐末端连接后，不用经过切割即可与载体相连。 这些方法是在不同的情况下发挥作用的，谈其所谓的“优点”有些牵强。应根据具体研究对象的特点和研究目的，灵活选用。

⒎将重组DNA导入细胞内有哪些方法？它们的原理是什么？

答：根据重组DNA时所采用的载体性质不同，导入重组DNA分子有转化、转染、感染

和注射等不同手段。

：①转化，用质粒作载体所常用的方法。②转染，用噬菌体DNA作载体所用的方法，这里所用的噬菌体DNA并没有包上它的外壳。③转导，用噬菌体作载体所用的方法，这里所用的噬菌体DNA被包上了它的外壳，不过这外壳并不是在噬菌体感染过程中包上，而是在离体情况下包上的，所以称为离体包装。④注射，如果宿主是比较大的动植物细胞则可以用注射方法把重组DNA分子导入。

⒏基因文库和cDNA文库有何不同？为什么要建立cDNA文库？

答：基因文库是指整套由基因组DNA片段插入克隆载体获得的分子克隆之总和。cDNA文库是指细胞全部mRNA逆转录成cDNA并被克隆的总和。cDNA组成特点是其中不含有内含子和其他调控序列。

真核生物的基因是断裂的，需经RNA转录后加工过程才使编码序列拼接在一起；真核生物的基因不能直接在原核生物中表达，只有加工成熟的mRNA经逆转录合成的cDNA接上原核生物表达控制元件，才能在原核生物中表达；另外，真核生物细胞中只有一小部分mRNA进行表达，mRNA的稳定性差。因此，需要构建cDNA文库，用于基因表达等方面的研究。

⒐建立人胚cDNA文库，以致人胚低丰度mRNA为28 000种，占总mRNA的40%，为使低丰度cDNA存在的概率大于99%，此文库应包含多少克隆？ 答：3.2×105。

⒑原位杂交的原理是什么？有何用途？

答：将标记的核酸探针与细胞或组织中的核酸进行杂交，称为原位杂交。

利用原位杂交，可在光镜或电镜下观察目的 mRNA或DAN 的存在与定位；可在原位研究细胞合成某种多肽或蛋白质的基因表达。

⒒何谓差别杂交和扣除杂交？举例说明用以分离基因的过程。

答：差别杂交（differential hybridization）又叫差别筛选（differentual screening），适用于分离经特殊处理而被诱发表达的mRNA之cDNA克隆。为了增加这种方法的有效性，后来又发展出了扣除杂交技术。扣除杂交（subtractive hybridization）又叫扣除cDNA克隆（subtractive cDNA cloning），它是通过构建扣除文库（subtractive library）得以实现的。

差别杂交的技术基础需要有两种不同的细胞群体：在一个细胞群体中目的基因正常表达，在另一个细胞群体中目的基因不表达。在这种情况下便可制备到两种不同mRNA提取物。其一是含有一定比例的目的基因mRNA种的总mRNA群体，其二是不含有目的基因mRNA种的总mRNA群体。通过这两种总mRNA（或是它们的cRNA拷贝）为探针的平行杂交，对由表达目的的基因的细胞总mRNA构建的克隆库进行筛选。当使用存在目的基因的mRNA探针时，所有包含着重组体的菌落都呈阳性反应，在X光底片上呈现黑色斑点；而使用不存在目的基因的mRNA探针时，除了含有目的基因的菌落外，其余的所有菌落都呈阳性反应，在X光底片上呈现黑色斑点。比较这两种底片并对照原平板，便可以挑选出含目的基因的菌落，供作进一步研究使用。

扣除杂交是用一般细胞的mRNA与特殊细胞的cDNA杂交，先扣除一般共有的cDNA，再交剩下特异的cDNA进行克隆。

下面以T 细胞受体（T-cell receptor，TCR；有时亦称之为T细胞抗原受体）编码工因的分离为例子，说明扣除杂交筛选法的基本原理与简要过程。 TCR基因只能在T细胞中表达，而不能在B细胞中表达。从T细胞mRNA制备来的单链cDNA，

同大大超量的B细胞的mRNA在有利于发生DNA-RNA杂交的条件下保温，所有的能够在T和B两类细胞中同时表达的T细胞基因的cDNA分子（约占98%），都能与B细胞的mRNA退火形成DNA-RNA杂交分子，而不能在B细胞中表达的、T细胞特有的cDNA（约占2%），由于B细胞中没有相应的mRNA，仍然处于单链的状态。将此种杂交混合物通过羟基磷灰石柱（hydroxylapatite column），于是DNA-RNA杂交杂分便结合在柱上，而游离的单链cDNA则过柱流出。如此回收入到的T细胞特异的cDNA被转变为双链cDNA之后，与适当的λ噬菌体载体重组并转染给大肠杆菌寄主细胞，这样便得到了T细胞持cDNA高度富集的扣除文库。然后再按照同样方法制备扣除的cDNA探针，即被B细胞mRNA杂交扣除了的T细胞特异的cDNA探针，筛选文库，结果成功地分离到了T细胞的TCR基因。

⒓说明聚合酶链式反应(PCR)的原理和用途。

答：聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，为最常用的分子生物学技术之一。典型的PCR由（1）高温变性模板；（2）引物与模板退火；（3）引物沿模板延伸三步反应组成一个循环，通过多次循环反应，使目的DNA得以迅速扩增。其主要步骤是：将待扩增的模板DNA置高温下（通常为93℃-94℃）使其变性解成单链；人工合成的两个寡核苷酸引物在其合适的复性温度下分别与目的基因两侧的两条单链互补结合，两个引物在模板上结合的位置决定了扩增片段的长短；耐热的DNA聚合酶（Taq酶）在72℃将单核苷酸从引物的3’端开始掺入，以目的基因为模板从5’→3’方向延伸，合成DNA的新互补链。

PCR能快速特异扩增任何已知目的基因或DNA片段，并能轻易在皮克（pg）水平起始DNA混合物中的目的基因扩增达到纳克、微克、毫克级的特异性DNA片段。因此，PCR技术一经问世就被迅速而广泛地用于分子生物学的各个领域。它不仅可以用于基因的分离、克隆和核苷酸序列分析，还可以用于突变体和重组体的构建，基因表达调控的研究，基因多态性的分析，遗传病和传染病的诊断，肿瘤机制的探索，法医鉴定等诸多方面。通常，PCR在分子克隆和DNA分析中有着以下多种用途： (1) 生成双链DNA中的特异序列作为探针； (2) 由少量mRNA生成 cDNA文库； (3) 从cDNA中克隆某些基因；

(4) 生成大量DNA以进行序列测定； (5) 突变的分析； (6) 染色体步移；

(7) RAPD、AFLP、RFLP等DNA多态性分析等。

⒔基因定位诱变的主要方法有哪几种？它们的原理是什么？

答：基因定位诱变的主要方法有酶切诱变、寡核苷酸指导的诱变和PCR诱变。 酶切诱变：利用基因的酶切位点，在切点处改造基因序列。

寡核苷酸指导的诱变：利用克隆技术将人工合成的寡核苷酸片段插入到目的基因的序列中。 PCR诱变：通过PCR引物在扩增片段的两端引入各种变异，嵌套式PCR还可以在基因内部或在一次PCR中同时在多处引入变异。

⒕比较两种DNA快速测序的方法，包括方法的原理和优缺点。 答：目前应用的两种快速序列测定技术是Sanger等（1977）提出的双脱氧法（酶法）及Maxam和Gilbert(1977)提出的化学降解法。虽然其原理大相径庭，但这两种方法都是同样生成互相独立的若干组带放射性标记的寡核苷酸，每组寡核苷酸都有固定的起点，但却随机终止于特

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