二、简答题1. 指出核苷酸分子中的结构组成和连键性质,并讨论核苷酸的生物功能。
核苷酸由戊糖、磷酸和碱基以1:1:1的分子比例组成,戊糖环上的C1与嘧啶碱基的N1(或嘌呤碱基的N9)以β-糖苷键相连;戊糖的C5与磷酸基团以5′-磷酯键相连。
核苷酸种类很多,功能也是多方面的。
(1)组成核酸的核苷酸是5′-核苷酸。其中5′-脱氧核糖单核苷酸(dAMP, dTMP, dCMP, dGMP)是生物遗传物质——DNA的基本结构单位;5′-核糖单核苷酸(AMP, UMP, CMP, GMP)是各种RNA的基本结构单位。RNA在蛋白质合成、基因表达、调控中起重要作用。
(2)腺苷三磷酸——ATP,作为能量的瞬时载体,在生物大分子合成、细胞运动、物质运输、生物发光等生命活动中发挥作用,另外还在分子间磷酸基团转移中起“中转站”作用。
(3)核苷酸还参与许多辅酶、辅基的组成。
(4)环腺苷酸是细胞通信的媒介,在细胞信号转导中发挥作用。
2. 比较RNA和DNA的化学组成、连键性质以及生物功能。
化学组成:RNA的基本结构单元是核苷酸,由核糖、磷酸和A、U、C、G四种碱基以1:1:1的分子比例组成;DNA的基本结构单元是脱氧核苷酸,由2′-脱氧核糖、磷酸和A、T、C、G四种碱基以1:1:1的分子比例组成。
连键性质:RNA和DNA的连键性质相同。核糖(或脱氧核糖)环上的C1与嘧啶碱基的N1(或嘌呤碱基的N9)以β-糖苷键相连;核糖(或脱氧核糖)的C5与磷酸基团以5′-磷酯键相连。核苷酸(或脱氧核苷酸)之间都以3′,5′-磷酸二酯键相连。
生物功能:DNA的功能是作为细胞遗传物质。RNA种类多,功能具有多样性。①控制蛋白质合成。其中tRNA的任务是携带活化的氨基酸,rRNA则构成蛋白质合成的场所,mRNA作为信使以蛋白质合成模板的形式将遗传信息从DNA传递到蛋白质。②参与RNA转录后加工与修饰。如L-19RNA的自我剪接。③基因表达与调控。如小分子RNA的作用。④作为遗传物质。如病毒RNA。⑤生物催化。如某些核酶具有氨酰酯水解活性和肽基转移酶活性。此外,RNA在生物进化中具有重要作用。
3. 什么是“restriction endonuclease”?讨论其特点和用途。
“restriction endonuclease"即限制性内切酶,DNA核酸酶的一种,是细菌体内存在的一类核酸内切酶,它可以识别外源DNA的特征序列并与之结合,从而限制外源DNA表达、避免入侵DNA干扰本身的遗传稳定性。
限制性内切酶的作用特点是:①专一性识别具有迥文特征的DNA序列,定点切断磷酸二酯键;②切断DNA双链时形成黏性末端或平头末端。
在研究中,限制性内切酶在DNA重组与基因鉴定中有广泛用途。如突变种鉴定、DNA限制图谱的制作等。
4. 下图是同种DNA、不同状态下的光谱吸收结果。从该图可以得到什么结论?

(1)核酸在近紫外区有光吸收,吸收峰在260nm;
(2)在260nm,单链DNA比双链DNA吸收值高(即增色效应)。
三、实验题1. 从生物材料制备DNA时常用到SDS、EDTA、酚/仿(饱和酚/氯仿)、乙醇等试剂:对DNA进行电泳鉴定时常用到溴化乙锭。请说明这五种试剂的作用。
(1)SDS:作为去污剂和蛋白质变性剂,可以破坏细胞膜,变性蛋白质,抑制酶类活性,促进完整核酸分子从细胞中释放出来。
(2)EDTA:Mg2+是DNA酶的辅因子。EDTA作为二价离子螯合剂,可以消除溶液中自由的Mg2+,使DNA酶失去活性,从而保护DNA分子不被水解。
(3)酚/仿试剂:抽提除去核酸提取物中的膜类物质和蛋白质。
(4)乙醇:沉淀DNA,也可以用来洗除DNA沉淀中的杂质。
(5)溴化乙锭:作为核酸专一性荧光染料嵌入双螺旋中,使分离的核酸条带在紫外光照射下能显现出来。
2. 如何快速判断核酸样品中是否有蛋白质污染?
可用紫外吸收法。通过用紫外分光光度计测定样品在260nm和280nm光密度值(OD260,OD280),然后计算OD260,OD280的比值。如果DNA样品的OD260,OD280比值大于1.8,RNA的OD260,OD280比值大于2.0,一般被视为高纯度样品。如果低于这些数字,表明核酸溶液中含有蛋白质等污染。此方法可以了解核酸制品的大致纯度,快速判断样品中是否有明显蛋白质污染。
3. 介绍两种现代研究中常用于测定核酸样品含量的方法,并分析它们的应用特点。
(1)紫外吸收法。核酸在260nm有紫外吸收峰,在260nm测定光吸收值A260即OD260。如果是双螺旋DNA样品,A值为1相当于50/μg/mL;若是RNA样品或单链DNA,A值为1相当于40μg/mL,从而可以计算获得核酸样品含量。
(2)琼脂糖凝胶电泳。利用一个已知含量的DNA样品作为标准,在同一个凝胶上进行电泳,溴化乙锭(EB)染色后,根据电泳条带粗细判断核酸样品的含量。
相比较而言,紫外吸收法快速、准确,而且不浪费样品,但要求样品达到一定纯度。琼脂糖凝胶电泳法对样品纯度要求不高,而且在已知浓度DNA作参考的情况下,样品浓度测定更为准确。
(此外,还有一些传统的旧方法:钼蓝比色法是通过测定磷含量对核酸定量;地衣酚显色法是通过测定RNA的戊糖含量对RNA定量;二苯胺显色法是通过测定DNA的脱氧核糖含量对DNA定量。这些方法已逐渐被现代方法替代。)
4. 下图是用常规化学法对一个核酸片段进行测序分析的放射自显影图。

横坐标为碱基切割位点,纵坐标为核苷酸数量,请回答:
(1)显色条带是什么?(选择)
(a)带有标记的碱基
(b)带有标记的核苷酸
(c)主要是带有标记的核酸片段
(2)如果被测样品的放射标记是在DNA分子的5′端,请读出该DNA片段的碱基顺序。
(1)(c)。(因为核酸样品为不完全水解产物,只有带有放射性标记的可以显出条带)
(2)CTACGTA。(因为放射性标记的是5′端,越小的标记片段迁移速度越快,必须自下而上读序)。
5. 用普通电泳法对制备的同一种质粒DNA进行分析时,出现了三条电泳带。这三条带分别是什么?请解释。
核酸分子在电泳中的迁移速度与环境和自身状态有关。迁移速度与电场强度、电泳胶的浓度、核酸分子大小、核酸分子构象等有关。在相同电泳条件下,核酸分子越小,迁移速度越快。同种质粒DNA,分子量相同。对同一种质粒DNA进行分析时出现三条电泳带,是构象不同引起的。构象不同的同种核酸分子迁移速度不同,超螺旋DNA的迁移速度大于线性DNA,线形DNA又大于环状DNA。
因此,在电泳凝胶上,迁移速度从快到慢的三条带应该是:超螺旋DNA→线性DNA→环状DNA。
6. 实验室中分析核酸时,有时用琼脂糖凝胶电泳,有时用聚丙烯酰胺凝胶电泳。如何根据核酸样品选择凝胶介质?
无论哪种介质,都是按分子的大小来分离核酸的。比较而言,琼脂糖电泳对核酸大小的分离范围更广,从质粒DNA到基因组DNA,都可以通过凝胶浓度的调节对核酸进行有效分离、分析;由于琼脂糖中常含有核酸酶,因此如果是RNA样品,应该注意在变性条件下进行电泳。相对于琼脂糖凝胶,聚丙烯酰胺凝胶孔径要小得多,适合分析小于1000bp的DNA片段或RNA;聚丙烯酰胺凝胶不含核酸酶,更适合RNA样品的分离、分析。
7. 用于分离蛋白质的密度梯度常用蔗糖制备,而氯化铯密度梯度更常用于核酸分离。试分析其原因,并讨论氯化铯密度梯度超离心的应用效果。
①与蛋白质相比,核酸分子密度大,黏度大;②与蔗糖相比,氯化铯溶解度大,可制成高浓度、高密度的溶液;氯化铯黏度小,易扩散,有利于核酸的分离。因此,氯化铯密度梯度更常用于核酸分离。
核酸样品经过氯化铯密度梯度离心后,各成分按自身密度不同分别处于离心管的不同位置。就不同大分子来讲,RNA密度>DNA密度>蛋白质密度,因此,超离心后RNA位于离心管最下方,蛋白质位于最上层,DNA分子位于中间。就不同构象的DNA而言,其分子密度表现为:超螺旋DNA>线性DNA;对于同种DNA分子来讲,单链DNA密度大于双链DNA密度;对于G-C含量不同的DNA,G-C含量越高,核酸分子密度越大。可见这些样品都可以选用氯化铯密度梯度超离心法进行分离。
8. 用什么方法可以有效地将同一个DNA样品中的单链DNA和双链的DNA分开?依据的基本原理是什么?
(1)琼脂糖电泳
原理:两种形式的DNA电泳迁移率不同,单链的DNA迁移快。
(2)氯化铯密度梯度超离心
原理:两种形式的DNA密度不同,单链DNA比双链DNA密度大,沉降速度快。
(3)羟基磷灰石柱层析
原理:两种形式的DNA吸附能力不同,双链DNA与羟基磷灰石结合更紧。
四、论述题1. 解释核酸的变性和复性,并举例说明分子杂交在核酸研究中的应用。
天然核酸在某些物理及化学因素(如过酸、过碱、过热、加变性剂)作用下,双螺旋区因氢键断裂变成单链,紫外吸收升高,黏度下降,生物活性全部或部分丧失。这种现象称为核酸的变性。在适当条件下,DNA变性后的两条分开的核苷酸链可以靠氢键重新结合成为双螺旋,使其物理、化学及生物活性得到恢复,这便是核酸复性。
通过核酸的变性和复性操作,可使两条来源不同、但有碱基序列互补关系的DNA单链分子之间或DNA单链分子与RNA分子之间,在互补区段形成双链DNA分子或DNA/RNA异质双链分子,即核酸的分子杂交。分子杂交在分子生物学研究中用途广泛。
如DNA印迹。是一种利用分子杂交原理鉴定DNA的方法。技术要点是:将DNA样品进行限制性内切酶处理,并用琼脂糖凝胶电泳将不同长度的DNA进行分离,然后将DNA变性并原位转移至滤膜,与带有标记的核酸探针(已知序列)进行杂交反应,从而使能与探针互补的DNA片段得到检测。DNA印迹可用来鉴定不同物种间是否存在同源基因,或鉴定转基因生物是否已有外源基因的整合,也可用于鉴定同一生物某一基因的拷贝数。
(或以RNA印迹为例。RNA印迹在操作过程中也利用了核酸的变性、复性原理,常用来在mRNA水平研究基因的表达规律。)