IB 生物/核酸和蛋白质

主题 6：核酸和蛋白质

DNA 结构

描述 DNA 的结构，包括反平行链、3'–5' 键和嘌呤与嘧啶之间的氢键。

DNA 具有双螺旋结构，在其整个长度上具有均匀的直径。

两个螺旋都是右手螺旋，这使它能够适应定义的三维空间。

两条多核苷酸链是“反平行的”，以相反的方向运行。

多核苷酸围绕螺旋的外部形成，碱基延伸到中心。

多核苷酸链通过碱基（在中心）与对侧多核苷酸上的碱基形成氢键来连接。

氢键是特异性的，被称为互补碱基配对。

概述核小体的结构。

核小体是围绕八个较小的蛋白质分子（称为组蛋白）缠绕的一段 DNA。另一个组蛋白将组蛋白八聚体密封到 DNA 双链分子上。

DNA 与称为组蛋白的蛋白质结合。

核小体使 DNA 分子能够超螺旋，使染色体的长度缩短约 8000 倍。

核小体是 DNA 包装的基本单位。它包含八个组蛋白（组蛋白是一种蛋白质），DNA 双螺旋缠绕在上面。这个“珠子”通过另一个组蛋白固定在 DNA 的“弦”上。

'H1 连接体' 保证了 DNA 和组蛋白的结合。

说明细胞核中只有一小部分 DNA 构成基因，而大多数 DNA 由重复序列组成。

细胞核中只有一小部分 DNA 构成基因，而大多数 DNA 由重复序列组成。

描述 DNA 的结构，包括反平行链、3'-5' 键和嘌呤与嘧啶之间的氢键。

DNA 梯子的两侧由交替的磷酸基团和脱氧核糖（一种糖）组成。两侧是反平行的，这意味着糖和磷酸基团以相反的方向运行（一个看起来“倒置”）。每侧都有一个 5' 端和一个 3' 端。如果一条链从 3' 到 5' 结构化，这意味着糖-磷酸骨架从糖到磷酸运行。由于两侧是反平行的，一侧从 3' 到 5' 方向，而另一侧从 5' 到 3' 方向。存在两种类型的核苷酸，嘧啶和嘌呤。嘧啶与嘌呤形成氢键，构成 DNA 梯子的梯级。

T胸腺嘧啶和C胞嘧啶是P嘧啶，腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤。

DNA 复制

说明 DNA 复制在 5' 到 3' 方向上发生。

DNA 复制在 5' 到 3' 方向上发生。

解释原核生物 DNA 复制的过程，包括酶（解旋酶、DNA 聚合酶 III、RNA 引物酶、DNA 聚合酶 I 和 DNA 连接酶）的作用，冈崎片段和脱氧核苷三磷酸。

复制过程从 DNA 链上的特定核苷酸序列（称为复制起点）开始。正是从这些点，解旋酶将 DNA 分裂成两条反平行链。在以 5'--->3' 方向运行的链上，DNA 聚合酶 III 在一个被称为复制泡的开口的一端固定，并开始从细胞核中的游离核苷酸连续地铺设一条新的 DNA 链。与往常一样，由于碱基配对规则，从该模板形成了现在已分离链的精确副本。在 DNA 聚合酶 III 铺设新的 DNA 的同时，解旋酶继续分离链，因此允许复制持续不间断地进行。在以 3'--->5' 方向运行的相反链上，复制并不那么简单。由于新链必须以 5'--->3' 方向铺设，因此 DNA 聚合酶 III 无法像在另一条链上那样连续地铺设。相反，RNA 引物酶在链上的许多点处铺设短段的 RNA 引物核苷酸。聚合酶 III 用 DNA 核苷酸填充 RNA 引物之间的间隙，直到与另一个 RNA 引物接触。DNA 聚合酶 I 用 DNA 替换 RNA 引物。虽然滞后链完全由 DNA 核苷酸组成，但在现在用 DNA 核苷酸替换的 RNA 引物点之间存在小的间隙；这些 DNA 片段被称为冈崎片段。一旦这些片段铺设完毕，它们就会由另一种被称为 DNA 连接酶的酶连接起来，该酶将 DNA 连接到片段之间的间隙中，并完成新的链。带有冈崎片段的 3'--->5' 链称为滞后链，而前导链是连续复制的链。

说明在真核染色体中，复制从许多点启动。

在真核染色体中，复制从许多点启动。

转录

定义转录

转录 - 是使用 DNA 链作为模板合成 RNA 链的过程。一种酶（RNA 聚合酶）沿着 DNA 链移动，暂时解开双链。核苷酸附着到模板链上，并延长形成的 RNA 链。当酶沿着 DNA 移动时，正在构建的 RNA 链与 DNA 分离，DNA 重新缠绕。RNA 在组成上不同于 DNA，所有胸腺嘧啶实例都被尿嘧啶取代。

说明转录在 5' 到 3' 方向上进行。

转录在 5' 到 3' 方向上进行（从磷酸基团到糖）。RNA 核苷酸的 5' 端（磷酸基团）被添加到已经合成的 RNA 分子部分的 3' 端（糖）。

解释原核生物转录的过程，包括启动子区域、RNA 聚合酶、核苷三磷酸和终止子的作用。

当碱基配对连接到 DNA 模板时，RNA 聚合酶分离 DNA 的两条链并结合 RNA 核苷酸。
为了使 DNA 链分离，RNA 聚合酶会结合到 DNA 的称为启动子的部分。
当核苷三磷酸（核苷酸类型）与 DNA 模板结合并以 5' 到 3' 方向由 RNA 聚合酶连接时，转录进行。
当 RNA 聚合酶到达 DNA 上的终止位点时，转录结束。当它到达终止子时，RNA 聚合酶会释放 RNA 链。

区分 DNA 的编码链和非编码链。

编码链是编码链，与 mRNA 具有相同的碱基序列（用尿嘧啶代替胸腺嘧啶）。非编码链被转录，与 tRNA 具有相同的碱基序列。
编码链也称为非模板链，非编码链也称为模板链。

说明真核 RNA 需要去除内含子才能形成成熟的 mRNA。

真核 RNA 需要去除内含子才能形成成熟的 mRNA。这是因为内含子是高度重复序列，或非编码序列。
内含子包含不编码氨基酸的核苷酸。
在转录后和翻译前去除内含子后，外显子被连接起来。这个过程被称为剪接。

说明逆转录酶催化从 RNA 生成 DNA 的过程。

逆转录酶催化从 RNA 生成 DNA 的过程。这有助于将 DNA 病毒生命周期与艾滋病毒（一种 RNA 病毒）的生命周期联系起来。

解释逆转录酶如何在分子生物学中使用。

这种酶可以从成熟的 mRNA（例如胰岛素）中制造 DNA，然后可以将其剪接到宿主（例如细菌）的 DNA 中，而没有内含子。然后，当宿主 DNA 被转录时，就会产生像胰岛素这样的蛋白质。
重要的是，由逆转录酶产生的 DNA 没有内含子，因为宿主没有去除内含子的必要基因（因此也没有必要的蛋白质）。

翻译

解释 tRNA 的结构如何允许被 tRNA 激活酶识别，该酶使用 ATP 作为能量将特定氨基酸结合到 tRNA 上。

每个氨基酸都有一个特定的 tRNA 激活酶，帮助 tRNA 与其互补的 mRNA 密码子结合。该酶具有一个 3 部分的活性位点，可以识别三件事：特定氨基酸、ATP 和特定 tRNA。该酶将氨基酸连接到 tRNA 的 3' 端。氨基酸连接位点始终是碱基三联体 CCA。
重要的是要注意，每个 tRNA 分子可以连接到一个特定的氨基酸，但一个氨基酸可以与几个 tRNA 分子结合。

概述核糖体的结构，包括蛋白质和 RNA 组成、大亚基和小亚基、三个 tRNA 结合位点和 mRNA 结合位点。

核糖体由两个亚基组成：小亚基和大亚基。当它们不用于蛋白质合成时，这两个亚基会分离。
在真核生物中，大亚基包含三个不同的 rRNA（核糖体 RNA）分子和大约 45 个不同的蛋白质分子。一个小亚基包含一个 rRNA 分子和 33 个不同的蛋白质分子。
核糖体可以合成各种蛋白质。它有一个 mRNA 结合位点和两个 tRNA 结合位点，tRNA 在这些位点与 mRNA 接触。

说明翻译过程包括起始、延伸和终止。

翻译过程包括起始、延伸和终止。

说明翻译过程以 5' 到 3' 的方向进行。

翻译过程以 5' 到 3' 的方向进行，核糖体沿 mRNA 向 3' 端移动。
起始密码子比终止密码子更靠近 5' 端。

解释翻译过程，包括核糖体、多核糖体、起始密码子和终止密码子。

起始：当 RNA 抵达细胞质时，它会将其 5' 端附着在核糖体的小亚基上。AUG 被称为起始密码子（记住：密码子是 mRNA 上的三个碱基），因为它启动了翻译过程。tRNA 分子一端的反密码子与 mRNA 上的特定密码子互补，这意味着反密码子与密码子通过氢键结合。AUG 密码子通过氢键与携带甲硫氨酸的 tRNA 分子结合（起始 tRNA）。核糖体大亚基有两个 tRNA 结合位点：P 位点和 A 位点。这些位点上的 tRNA 分子附着在 mRNA 的“传送带”上。tRNA 分子从 A 位点移动到 P 位点（因为 mRNA 向该方向移动），因此，在起始完成时，起始 tRNA 位于 P 位点。
延伸：另一个携带特定氨基酸的 tRNA（我们称之为 tRNA“X”）附着在更大亚基 A 位点上的下一个密码子上。这两个氨基酸（甲硫氨酸和 X 上的氨基酸）现在相互形成肽键。起始 tRNA 脱落，tRNA X 从 A 位点移动到 P 位点。然后，另一个 tRNA 分子（tRNA“Y”）附着在 A 位点上的密码子上。与 tRNA Y 连接的氨基酸与 tRNA X 的氨基酸形成肽键。密码子以 5' 到 3' 的方向（从 A 到 P）继续穿过核糖体。（实际上，是核糖体在 mRNA 链上移动。）这使得 A 位点空出来供另一个 tRNA 附着新的氨基酸等等等等。
终止：终止密码子是一个不编码氨基酸的密码子，它终止翻译过程。多肽被释放，mRNA 片段返回细胞核。这些核苷酸被回收用于 RNA 和 DNA 合成。tRNA 也返回到自由状态，并附着到其特定的氨基酸上，以便在需要时为翻译过程做好准备。

说明游离核糖体主要合成细胞内使用的蛋白质，而附着核糖体主要合成分泌蛋白或溶酶体蛋白。

游离核糖体主要合成细胞内使用的蛋白质，而附着核糖体主要合成分泌蛋白或溶酶体蛋白。

蛋白质

解释蛋白质的四级结构，说明每级结构的重要性。

一级结构是指多肽蛋白质链中氨基酸的基本排列顺序，在氨基酸之间发生任何折叠或键合之前。蛋白质在一级结构上通常没有功能，所有蛋白质都具有一级结构。
二级结构是指蛋白质链由于氨基酸之间的氢键而形成的重复、规则的结构。二级结构通常呈α螺旋（类似于 DNA 染色体）或β折叠片（形状类似于纸板的波纹）形式。

α螺旋是由于一条多肽链内的氢键形成的，而β折叠片是由于不同多肽链之间的氢键形成的。

三级结构是第三种结构。它是由于氨基酸之间不同类型的键合作用而导致的多肽折叠形成的复杂的三维蛋白质形状。这些键包括氢键、二硫键和静电键。二硫键是指其中一个氨基酸，半胱氨酸，含有硫。这两个半胱氨酸可以在其硫原子之间形成一个键，导致二硫键，进而导致链折叠。静电键是在链上的负离子和正离子分子或氨基酸基团之间形成的。
四级结构是蛋白质最复杂的结构形式。它包含了一级、二级和三级结构，然后添加另一个级别：四级结构是一个或多个多肽链通过键合在一起。这是许多蛋白质的功能形式，但同样，正如并非所有蛋白质都具有二级或三级结构一样，并非所有蛋白质都具有四级结构。对于四级结构蛋白质的常见示例，请参见血红蛋白。

概述纤维蛋白和球状蛋白之间的区别，并参考每种蛋白质类型的两个例子。

纤维蛋白处于其二级结构，可能是α螺旋或β折叠片形式。它们是由重复的氨基酸序列组成，这些序列可以紧密地盘绕成一种模式，使其成为非常坚固的结构。两个例子是角蛋白（在头发和皮肤中）和胶原蛋白（在肌腱、软骨和骨骼中）。
球状蛋白处于其三级或四级结构，它们被折叠，形成一个球状的三维形状。两个例子是所有酶和微管（形成中心体、纤毛、鞭毛和细胞骨架）。

解释极性和非极性氨基酸的重要性。

非极性氨基酸具有非极性（中性）R 基团。极性氨基酸具有带有极性基团（带正电或负电）的 R 链。具有大量极性氨基酸的蛋白质使蛋白质亲水，因此能够溶解在水中。具有许多非极性氨基酸的蛋白质更疏水，在水中的溶解度较低。凭借这些能力，蛋白质会自我折叠，使亲水性蛋白质位于内部，并允许亲水性分子和离子通过它们形成的通道进出细胞。这些通道是许多物质进出细胞的至关重要的通道。

说明蛋白质的六种功能，并提供每种功能的命名示例。

一种功能是运输。一个例子是血红蛋白，它在血细胞内运输氧气。
另一种功能是肌肉收缩。一个例子是肌动蛋白和肌球蛋白，它们参与肌肉收缩。
酶都是蛋白质，催化反应。一些例子是胰蛋白酶和淀粉酶。
一些激素是蛋白质。一个例子是胰岛素，一种由胰腺分泌的激素，用于调节血糖水平。
另一种功能是抗体，它们是由蛋白质制成的，可以抵抗疾病。
第六种功能是通过结构蛋白提供支撑。例子包括指甲（角蛋白）或肌腱（胶原蛋白）。

请注意，不应该包括膜蛋白。

酶

说明代谢途径由酶催化反应的链和循环组成。

代谢途径由酶催化反应的链和循环组成。

描述诱导契合模型。

这是对锁和钥匙模型的扩展。它解释了某些酶的广泛特异性。诱导契合模型认为，酶的活性位点并不完全适合底物，就像锁和钥匙一样。相反，契合并不完全完美；因此，当底物与酶发生碰撞并进入活性位点时，底物会受到应力，从而使底物更容易断裂。当与活性位点中的底物发生另一次碰撞时，键就会断裂，底物就会被释放。酶可以非常快速地处理这种反应。

解释酶降低其催化化学反应的活化能。

所有反应，无论是带有酶还是没有酶，都需要分子之间的碰撞才能发生。许多分子具有强烈的键将它们结合在一起，因此需要高速的强大碰撞才能断裂这些键。然而，将碰撞速率提高到这些反应能够发生的速率将需要大量的能量，通常以热的形式出现。酶通过以一种需要较弱碰撞就能断裂底物键的方式对底物键施加应力，从而降低了发生这些反应所需的能量，即活化能。

解释竞争性抑制和非竞争性抑制之间的区别，并参考每个的例子。

竞争性抑制是指抑制分子与底物分子结构相似，并结合到活性位点上，从而阻止底物结合。例如，丙二酸（丙二酸）对丁二酸脱氢酶（琥珀酸脱氢酶）的抑制（在克雷布斯循环中），以及磺胺类药物普鲁卡因（一种抗生素）对细菌叶酸合成的抑制。
非竞争性抑制是指抑制分子结合到酶上（而不是其活性位点），这会导致其活性位点的构象变化，从而降低酶的活性。例如，Hg、Ag、Cu 和 CN 通过结合到 SH 基团抑制许多酶（例如细胞色素氧化酶），从而断裂 -S-S- 键；以及沙林和 DFP（二异丙基氟磷酸）等神经毒剂通过抑制乙酰胆碱酯酶。

解释变构作用在通过终产物抑制控制代谢途径中的作用。

变构作用是非竞争性抑制的一种形式。变构酶的形状可以通过酶的终产物结合到变构位点（酶活性位点以外的区域）来改变，从而降低酶的活性。代谢物是一种变构抑制剂，可以作为代谢途径中较早酶的变构抑制剂，并根据生物体的需求调节代谢；它们是一种负反馈形式。例如，ATP 抑制糖酵解中的磷酸果糖激酶，以及抑制天冬氨酸氨基甲酰转移酶 (ATCase)，它催化嘧啶合成的第一步。