第Ⅳ篇　遗传信息的传递和表达

第17章　DNA的生物合成

一、选择题

1DNA复制需要①DNA聚合酶Ⅲ；②解链酶；③DNA聚合酶Ⅰ；④引物酶；⑤连接酶，它们在复制中的作用顺序是（　　）。[西南农业大学2003研]

A．④③①②⑤

B．④②①③⑤

C．②③④①⑤

D．②④①③⑤

【答案】D

【解析】DNA复制过程：①单链DNA结合蛋白，有保护单链免受降解等的作用。②解旋酶的参与，使复制叉处双螺旋松开。③在引物酶作用下，引物RNA合成。④由于DNA聚合酶Ⅲ的作用，冈崎片段形成。⑤通过DNA聚合酶Ⅰ的作用，引物RNA被除去，同时间隙被填补。⑥连接酶的作用，使不连续的短链连接成为DNA新链。⑦由于拓扑异构酶的参与，有利于复制叉前沿的DNA双螺旋打开。所以，有关酶的作用顺序应为：解链酶、引物酶、DNA聚合酶Ⅲ、DNA聚合酶Ⅰ、连接酶。

2细胞核内DNA的生物合成主要是在细胞周期的（　　）期进行。[中国科学院研]

A．G₁

B．S

C．G₂

D．M

【答案】B

【解析】S期又称DNA合成期，主要是遗传物质的复制，即DNA、组蛋白和复制所需酶的合成时期。

3直接抑制DNA复制的抗癌药是（　　）。[天津大学研]

A．5-氟尿嘧啶

B．氨甲蝶呤

C．叶酸拮抗剂

D．阿糖胞苷

【答案】D

【解析】阿糖胞苷是细胞S期的嘧啶类抗代谢药物，通过抑制细胞DNA的合成，干扰细胞的增殖。机制：阿糖胞苷在细胞内由磷酸激酶活化，形成三磷酸阿糖胞苷抑制DNA多聚酶，从而影响DNA合成；也可参入DNA干扰其复制，是细胞死亡。

4大肠杆菌中负责DNA复制的酶是（　　）。[中国科学院2005研]

A．DNA聚合酶Ⅰ（Kornberg酶）

B．DNA聚合酶Ⅱ

C．DNA聚合酶Ⅲ

D．DNA聚合酶Ⅳ

【答案】C

【解析】大肠杆菌中共含有五种不同的DNA聚合酶，分别是DNA聚合酶。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，它们在细胞内的功能各自是：

DNA聚合酶Ⅰ：修复和切除RNA引物；

DNA聚合酶Ⅱ：小短缺口的修补；

DNA聚合酶Ⅲ：合成DNA；

DNA聚合酶Ⅳ和V：DNA的错误倾向修复。

5下列与DNA解链无关的是（　　）。[天津大学2002研]

A．单链DNA结合蛋白

B．DNA酶

C．DNA旋转酶

D．拓扑异构酶Ⅰ

【答案】B

【解析】DNA解链是在DNA旋转酶的作用下进行的，需要单链DNA结合蛋白和拓扑异构酶的帮助，拓扑异构酶帮助消除解螺旋产生的拓扑张力，单链DNA结合蛋白可以保护单链并防止双链恢复。DNA酶为水解DNA的酶。

6端粒酶属于（　　）。[上海交通大学2000研]

A．限制性内切酶

B．DNA聚合酶

C．RNA聚合酶

D．肽酰转移酶

【答案】B

【解析】端粒酶是一种反转录酶，由蛋白质和RNA两部分组成，其中RNA作为模板序列，指导合成端粒DNA的重复序列片段，属于DNA聚合酶。

7参与原核生物DNA损伤修复的酶是（　　）。[中国科学技术大学研]

A．DNA聚合酶

B．DNA聚合酶Ⅱ

C．DNA聚合酶Ⅰ

D．拓扑异构酶

【答案】C

8DNA复制中，下列哪一种酶是不需要的？（　　）。[中国科学院病毒所2007研]

A．DNA指导的DNA聚合酶

B．DNA连接酶

C．拓扑异构酶

D．解链酶

E．限制性内切酶

【答案】E

二、填空题

1DNA回旋酶又称拓扑异构酶，其功能是______。[中山大学2009研]

【答案】DNA回旋酶属于拓扑异构酶Ⅱ，其功能为引入负超螺旋，消除复制叉前进过程中出现的扭曲张力。

2DNA连接酶催化______的形成，真核生物DNA连接酶连接DNA的能量由______提供。[华南理工大学2006研]

【答案】磷酸二酯键；ATP

3在DNA复制过程中，随从链合成的起始需要一段短的______，它是由______以核糖核苷酸为底物合成的。[华东理工大学2004研]

【答案】引物；引物合成酶

4端粒酶是由______和______组成的。[南京大学2002研]

【答案】蛋白质；RNA

5由Kornberg最早发现的DNA聚合酶，现在称之为DNA聚合酶______，它主要参与大肠杆菌DNA复制过程中______链上的______和______空隙的填补；它是由______条多肽组成的；它与DNA聚合酶______和______在酶活性上的区别在于它有______方向的活力。[中国科学院2004研]

【答案】Ⅰ；引物；DNA延伸；切去RNA引物后留下；一；Ⅱ；Ⅲ；5′→3′外切酶

6______过程中，基因交换发生在同源DNA序列间，最常见是发生在同一染色体的两个拷贝。[中国科学技术大学2016研]

【答案】同源重组

7DNA修复包括三个步骤：______对DNA链上不正常碱基的识别与切除，______对已切除区域的重新合成，______对剩下切口的修补。[中国科学技术大学2016研]

【答案】AP内切核酸酶；DNA聚合酶；DNA连接酶

8DNA后随链合成的起始要一段短的______，它是由______以核糖核苷酸为底物合成的。[中国科学技术大学2016研]

【答案】RNA；DNA引发酶

9在所有细胞中都维持异染色质状态的染色体区，称为______。[中国科学技术大学2016研]

【答案】组成型异染色质

10PCR的基本反应过程包括______、______和______三个阶段。[中国科学技术大学2016研]

【答案】变性；退火；延伸

11相同序列的双链RNA比双链DNA（U替换成T）的熔解温度______。[中国科学技术大学2016研]

【答案】高

【解析】双链RNA可以形成比较复杂的二级结构，因为RNA相比于DNA有多余羟基，能够形成相对稳定的氢键。

三、判断题

1DNA复制时，先导链是连续合成的，而后随链的合成是不连续的。（　　）[华中农业大学2007研]

【答案】对

2在原核生物中，DNA聚合酶Ⅲ是催化DNA合成的最主要的酶。（　　）[华东理工大学2002研]

【答案】对

3大肠杆菌的DNA聚合酶Ⅰ也具有核酸酶的活性。（　　）[中山大学2018研]

【答案】对

4DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ都属于多功能酶。（　　）[南京大学2002研]

【答案】错

【解析】DNA聚合酶Ⅰ是多功能酶。

5DNA连接酶实际上是一种合成酶。（　　）[中山大学2018研]

【答案】对

6生物体的DNA复制都是双向对称的，没有例外。（　　）[中国科学院2002研]

【答案】错

【解析】生物体的DNA复制并不都是双向对称复制的，如枯草杆菌的DNA复制就是双向不对称复制的，同样也有少部分原核生物DNA是进行单向复制的。

7DNA复制的模板是亲代DNA，引物一般是短的DNA，底物是dNMP。（　　）[南京工业大学2003研]

【答案】错

【解析】DNA复制的引物一般是短的RNA，底物是dNTP。

8DNA的复制方式有多种，滚动式复制通常以双向方式进行。（　　）[中国科学院2003研]

【答案】对

【解析】DNA的滚动式复制是双向复制的。

9DNA聚合酶和RNA聚合酶的催化作用都需要引物。（　　）[中国科学院2000、2001研]

【答案】错

【解析】DNA聚合酶的催化作用需要引物，而RNA聚合酶的催化作用不需要引物。

10DNA和RNA聚合酶都具有校对活性，以减少复制和转录的错误。（　　）[中山大学2018研]

【答案】错

【解析】RNA聚合酶没有校对活性。

11DNA复制时，前导链上的合成方向是5′→3′，后随链上的合成方向则是3′→5′。（　　）[中国科学院2000研]

【答案】错

【解析】DNA复制时，两条链的合成方向都是5′→3′。

12RNA连接酶的底物是RNA，DNA连接酶的底物是DNA。（　　）[中国科学院2003研]

【答案】错

【解析】T4连接酶是DNA连接酶，但是它不仅能将DNA-DNA之间切口通过磷酸二酯键连接，还能连接RNA-RNA或RNA-DNA之间的切口。

13DNA连接酶能将两条游离的DNA单链连接起来。（　　）[中国科技大学2001、2002研]

【答案】错

【解析】E.coli的DNA连接酶要求断开的两条链由互补链将它们聚在一起，形成双螺旋结构，而不能将两条游离的DNA单链连接起来。

14在E.coli中，DNA连接酶所催化的反应需NAD为反应提供磷酸键能。（　　）[中国科技大学2002研]

【答案】对

【解析】大肠杆菌的DNA连接酶所催化的反应是以NAD作为能量来源，动物和噬菌体的DNA连接酶是以ATP作为能量来源。

15与真核生物相比，原核生物DNA的复制速度较慢。（　　）[中山大学2000研]

【答案】错

【解析】真核生物的基因组大，复制叉的移动速度比原核生物DNA复制叉的移动速度慢，真核生物DNA的复制子的数量要远远多于原核生物DNA复制子的数量。

四、名词解释题

1半不连续DNA复制[山东大学2016研]

答：半不连续DNA复制是指DNA复制时，前导链以3′→5′走向为模板的一条链合成方向为5′→3′，与复制叉方向一致；滞后链以5′→3′走向为模板链的合成链走向与复制叉移动的方向相反，其合成是不连续的，先形成许多不连续的片段（冈崎片段），最后连成一条完整的DNA链的复制方式。

2Okazaki fragment[武汉大学2014研]

答：Okazaki fragment即冈崎片段，是指在DNA复制过程中，最初出现的相对比较短的DNA链（大约1000 bp左右），由于DNA合成方向始终是5′→3′方向，因此在后随链合成时，先产生冈崎片段，复制叉继续前进，引物酶合成新的RNA引物，与DNA单链结合准备引发合成新的冈崎片段，最后DNA连接酶将这些冈崎片段连接起来形成完整的DNA片段。

3端粒[厦门大学2015研]

答：端粒是指真核细胞内线性染色体末端的一种特殊结构，由DNA简单重复序列以及同这些序列专一性结合的蛋白质构成，它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构，作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。

4前导链（1eading strand）[华东理工大学2007研]

答：前导链（1eading strand）是指在DNA复制叉中，沿3′→5′端的模板链以连续方式合成的DNA新链，因其合成较早，故称前导链。

5重组修复[华中农业大学2017研]

答：重组修复是DNA修复机制之一，即双链DNA中的一条链发生损伤，在DNA进行复制时，由于该损伤部位不能成为模板，不能合成互补的DNA链，所以产生缺口，而从原来DNA的对应部位切出相应的部分将缺口填满，从而产生完整无损的子代DNA的这种修复现象。

6光复活[山东大学2017研]

答：光复活修复又称直接修复，作用于由紫外线引起的DNA损伤嘧啶二聚体。紫外线使DNA分子中同一条链上相邻的两个嘧啶碱之间形成二聚体，其中主要的是胸腺嘧啶二聚体。这种修复中，可见光能激活光裂合酶，而光裂合酶高度专一地分解由紫外线照射而形成的嘧啶二聚体，从而使被损伤的DNA得到修复。

7质粒（plasmid）[华中科技大学2016研]

答：质粒是细胞中染色体或核区DNA中能够自主复制的较小的双链环状DNA分子，它存在于许多细菌以及酵母菌等生物（多为原核生物）中，乃至于植物的线粒体等细胞器中。细菌质粒是DNA重组技术中常用的载体。

8单链DNA结合蛋白（single strand DNA-binding protein，SSB）[南京师范大学2008研]

答：单链DNA结合蛋白（single strand DNA-binding protein，SSB）是指结合于螺旋酶沿复制叉方向向前推进产生的单链区，是防止新形成的单链DNA重新配对形成双链DNA以及免于被核酸酶降解的蛋白质。

9DNA聚合酶（DNA polymerase）[浙江大学2004研]

答：DNA聚合酶（DNA polymerase）是指以单链或双链DNA为模板，催化由脱氧核糖核苷三磷酸合成DNA的酶。在原核细胞中有DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，真核生物中常见的有DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε五种，其中δ为主要的聚合酶，γ存在于线粒体中。

10、Dloop[山东大学2017研]

答：Dloop是指D环复制，动物细胞的线粒体的环状双链DNA分子双螺旋的两条链并不同时进行复制，复制时，先以其中一条链为模板，合成一段RNA引物，然后合成另一条链的引物片段，新链一边复制，一边取代原来老的链，被取代的老的链以环的形式被游离出来，由于象字母D，所以称为D环复制。

11限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）[中国科学技术大学2015研]

答：限制性片段长度多态性是指DNA顺序中的某个碱基发生了突变，使突变所在部位的DNA序列产生（或缺失）某种限制性内切酶的位点，这样，利用该限制性内切酶消化此DNA时，便会产生与正常不同的限制性片段，在同种生物的不同个体中会出现不同长度的限制性片段类型的现象。

12Asymmetric transcription[武汉大学2014研]

答：Asymmetric transcription即不对称转录，是指在DNA分子双链上，按碱基互补配对规律能指导转录生成RNA的一股链作为模板指导转录，另一股链则不转录的模板选择性转录方式。

13聚合酶链式反应[厦门大学2014研]

答：聚合酶链式反应（PCR）是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术。利用DNA在体外95℃高温时变性会变成单链，低温（经常是55℃左右）时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度（72℃左右），DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖（5′→3′）的方向合成互补链。基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间很好地进行控制。

14退火[四川大学2015研]

答：退火是指DNA在加热条件下，其双螺旋结构解开，但在一定的条件下，两条互补的单链依靠彼此的碱基配对重新形成双链DNA的过程，亦即复性过程，此操作常出现在PCR技术中。

五、问答题

1简要介绍DNA聚合酶指导的DNA复制的特点。[中山大学2018研]

答：DNA聚合酶指导的DNA复制的特点有：

（1）以脱氧核苷酸三磷酸（dNTP）为前体催化合成DNA；

（2）需要模板和引物的存在；

（3）不能起始合成新的DNA链；

（4）催化dNTP加到延伸中的DNA链的3′-OH末端；

（5）催化DNA合成的方向是5′→3′；

（6）聚合作用：在引物RNA-OH末端，以dNTP为底物，按模板DNA上的指令由DNApol I逐个将核苷酸加至新合成的DNA链。

2DNA复制的基本特征包括哪几个方面？[中山大学2018研]

答：DNA复制的基本特征主要包括以下几个方面：

（1）半保留复制

DNA在复制时，以亲代DNA分子的每一条链作为模板，合成完全相同的两个双链子代DNA分子，每个子代DNA分子中的一条链来自亲代，另一条链是新合成的。

（2）半不连续复制

由于DNA聚合酶只能以5′→3′方向聚合子代DNA链，因此两条亲代DNA链各自作为模板聚合子代DNA链时的方式是不同的。以亲代3′→5′方向的亲代DNA链作为模板合成的子链是连续合成的，称前导链；而以5′→3′方向的亲代DNA链为模板合成的子链是不连续合成的，而是先合成许多的冈崎片段，然后再由DNA连接酶连接而形成长链，称后随链。

（3）复制时需要一段引物

DNA聚合酶必须以一段RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50～100个核苷酸，真核生物中约为10个核苷酸。

（4）双向复制

DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制，但在低等生物中，也可进行单向复制。

（5）有一定的复制起始点

DNA复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸序列的片段，即复制子；在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。

3紫外线照射引起的DNA分子上的嘧啶二聚体可以通过细胞内的直接修复或切除修复的机制来修复。如何证明人细胞只能通过切除修复的机制去除DNA分子上的嘧啶二聚体？[南京大学2002研]

答：试验设计如下：

（1）参照组用紫外线照射正常的细胞，观察存活率；

（2）试验组a用定点诱变的方法或者通过使用抑制剂，使切除酶失活，然后用紫外线照射，观察存活率；

（3）试验组b是在试验组a的基础上用紫外线照射后，再在可见光下照射，观察是否可以提高细胞的存活率。

这样可以从三组细胞的存活率来判断切除修复的机制以及光复活机制对切除DNA分子上的嘧啶二聚体是否有效。

4什么是拓扑异构酶？它们怎样参与DNA的复制过程？[南京大学2003研]

答：（1）拓扑异构酶是通过切断DNA的一条或两条链中的磷酸二酯键，然后重新缠绕和封口来改变DNA连环数的酶。

（2）生物体内DNA分子通常处于超螺旋状态，而DNA的许多生物功能需要解开双链才能进行。拓扑异构酶就是催化DNA的拓扑连环数发生变化的酶，它可分为拓扑异构酶Ⅰ和拓扑异构酶Ⅱ。

①拓扑异构酶Ⅰ可使双链DNA分子中的一条链发生断裂和再连接，反应不需要提供能量，它们主要集中在活性转录区，与转录有关；

②拓扑异构酶Ⅱ能使DNA两条链同时发生断裂和再连接，当它引入负超螺旋时需要由ATP提供能量。它们主要分布在染色质骨架蛋白和核基质部位，与复制有关。

③Ⅰ型酶可减少负超螺旋，Ⅱ型酶可引入负超螺旋，它们协同作用控制着DNA的拓扑结构。拓扑异构酶在重组、修复和DNA的其他转变方面起着重要的作用。

六、论述题

1简述原核生物DNA复制的过程。[南京师范大学2008研]

答：DNA复制从特定位点开始，可以单向或双向进行，但是以双向复制为主。由于DNA双链的合成延伸均为5′→3′的方向，因此复制以半不连续的方式进行，可以概括为：双链的解开；RNA引物的合成；DNA链的延长；切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段。

（1）双链的解开。在DNA的复制原点，双股螺旋解开，成单链状态，形成复制叉，分别作为模板，各自合成其互补链。在复制叉上结合着各种各样与复制有关的酶和辅助因子。

（2）RNA引物的合成。引发体在复制叉上移动，识别合成的起始点，引发RNA引物的合成。移动和引发均需要由ATP提供能量。以DNA为模板按5′→3′方向，合成一段引物RNA链。引物长度为几个至10个核苷酸。在引物的5′端含3个磷酸残基，3′端为游离的羟基。

（3）DNA链的延长。当RNA引物合成后，在DNA聚合酶Ⅲ的催化下，以四种脱氧核糖核苷三磷酸为底物，在RNA引物的3′-端以磷酸二酯键连接上脱氧核糖核苷酸，并释放出PPi。DNA链的合成是以两条亲代DNA链为模板，按碱基配对原则进行复制的。亲代DNA的双股链呈反向平行，一条链是5′→3′方向，另一条链是3′→5′方向。在一个复制叉内两条链的复制方向不同，所以新合成的二条子链极性也正好相反。由于迄今为止还没有发现一种DNA聚合酶能按3′→5′方向延伸，因此在子链中有一条链沿着亲代 DNA单链的3′→5′方向（亦即新合成的DNA沿5′→3′方向）不断延长。

（4）切除引物，填补缺口，连接修复。当新形成的冈崎片段延长至一定长度，其3′-OH端与前面一条老片段的5′-端接近时，在DNA聚合酶Ⅰ的作用下，在引物RNA与DNA片段的连接处切去RNA引物后留下的空隙，由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶的作用下，连接相邻的DNA链，修复掺入DNA链的错配碱基。这样以两条亲代DNA链为模板，就形成了两个DNA双股螺旋分子。每个分子中一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。

2简述真核生物编码蛋白质基因的转录后加工的基本过程。[中山大学2018研]

答：真核生物所转录的RNA往往需要经过一系列的加工才能成为成熟的mRNA，加工过程包括：链的裂解、5′和3′端的切除和特殊结构的形成、碱基修饰以及拼接等过程。

（1）真核生物mRNA前体的加工

hnRNA转变为mRNA的加工过程包括：

①5′端加帽子结构m7G5′ppp5′Np；

②3′端加poly（A）尾巴；

③内部甲基化修饰；

④去除内含子，拼接外显子。

（2）真核生物的tRNA前体的加工

①RNase通过tRNA剪接反应除去内含子；

②通过核苷酸基转移酶对某些tRNA加上末端CCA序列；

③进行特异碱基修饰。

（3）真核生物的rRNA前体的加工

①真核生物rRNA前体的加工

真核生物有4种rRNA，即5S、5.8S、18S和28S rRNA。真核生物的rRNA由两个转录单位转录。一个是由RNA聚合酶Ⅰ催化，转录产生45S rRNA前体。45S rRNA前体在核仁中甲基化和酶切后产生成熟的18S、5.8S和28S rRNA；另一个由RNA聚合酶Ⅲ催化转录，转录后的5S rRNA不需要加工。

②真核rRNA的自我剪切

有些真核rRNA是自我剪接的，少数真核rRNA基因含有内含子，自我剪切的rRNA把外显子连接在一起，过程中不需要任何蛋白质的参与。

3生物是通过什么机制来保证DNA复制的高度精确性？[武汉大学2015研]

答：生物保证DNA复制的高度精确性的机制有以下几种：

（1）DNA聚合酶的选择作用

DNA聚合酶催化的反应是按模板的指令进行的。只有当进入的碱基与模板链的碱基正确配对时，才能发挥聚合作用，释放焦磷酸，形成磷酸二酯键。

（2）DNA聚合酶的核对功能

在DNA复制过程中，DNA聚合酶是“先核对，后合成”。大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ有3′→5′核酸外切酶的活性。当引物链出现了3′-OH与模板链错配的碱基，DNA聚合酶Ⅰ就发挥3′→5′核酸外切酶的活性，将错配对的核苷酸从引物3′端切除。因此DNA复制过程中碱基配对要受到双重核对，即DNA聚合酶的选择作用和3′→5′核酸外切酶的校对作用。

（3）RNA引物的合成与切除

DNA聚合酶不能从头合成DNA，必须要有引物存在。在多数情况下，引物为RNA。RNA引物从头合成，它错配的可能性较大，在完成引物功能后将RNA引物切除，而以高保真的DNA链代之。

（4）错配修复

DNA聚合酶具有自我校对的功能，可将错误的碱基除去。但在特殊情况下，会将少数错误的碱基遗留在DNA链上，错配修复是修复那些在复制过程中错配且逃避了校对检查的单个或少数错配的碱基。

（5）利用核苷酸合成的调节机制保持细胞内4种脱氧核苷三磷酸（dNTP）浓度的平衡。因为处于超常或低水平的dNTP比正常水平的dNTP更容易出现参入错误。