- describe the structure of nucleotides, including the phosphorylated nucleotide ATP (structural formulae are not expected)
- state that the bases adenine and guanine are purines with a double ring structure, and that the bases cytosine, thymine and uracil are pyrimidines with a single ring structure (structural formulae for bases are not expected)
- describe the structure of a DNA molecule as a double helix, including: • the importance of complementary base pairing between the 5′ to 3′ strand and the 3′ to 5′ strand (antiparallel strands) • differences in hydrogen bonding between C–G and A–T base pairs • linking of nucleotides by phosphodiester bonds
- describe the semi-conservative replication of DNA during the S phase of the cell cycle, including: • the roles of DNA polymerase and DNA ligase (knowledge of other enzymes in DNA replication in cells and different types of DNA polymerase is not expected) • the differences between leading strand and lagging strand replication as a consequence of DNA polymerase adding nucleotides only in a 5′ to 3′ direction
- describe the structure of an RNA molecule, using the example of messenger RNA (mRNA)
核酸与蛋白质合成
A-Level 生物 · 第 6 主题
6.1
核酸的结构与DNA的复制
大纲
来源:剑桥国际大纲
核酸(nucleic acids,DNA 和 RNA)是叫核苷酸(nucleotides)的小单元的聚合物。每个核苷酸由三个连接在一起的部分构成:
- 一个磷酸(phosphate)基团,
- 一个糖(一个 5 碳糖),
- 一个含氮的碱基(base)。
ATP 是一个特殊的核苷酸。它有碱基腺嘌呤(adenine)、糖核糖(ribose)和三个磷酸基团。断开最后一个磷酸为细胞释放能量(energy)。
有五种碱基,分两组:
- 嘌呤(purines)有一个双环(两个环):腺嘌呤和鸟嘌呤(guanine)。
- 嘧啶(pyrimidines)有一个单环(一个环):胞嘧啶(cytosine)、胸腺嘧啶(thymine)和尿嘧啶(uracil)。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| nucleic acid | 核酸 | hé suān |
| nucleotide | 核苷酸 | hé gān suān |
| phosphate | 磷酸 | lín suān |
| base | 碱基 | jiǎn jī |
| adenine | 腺嘌呤 | xiàn piào líng |
| ribose | 核糖 | hé táng |
| energy | 能量 | néng liàng |
| purine | 嘌呤 | piào líng |
| guanine | 鸟嘌呤 | niǎo piào líng |
| pyrimidine | 嘧啶 | mì dìng |
| cytosine | 胞嘧啶 | bāo mì dìng |
| thymine | 胸腺嘧啶 | xiōng xiàn mì dìng |
| uracil | 尿嘧啶 | niào mì dìng |
| replication | 复制 | fù zhì |
| semi-conservative replication | 半保留复制 | bàn bǎo liú fù zhì |
6.1
DNA 的结构
一个 DNA 分子是两条链扭在一起成一个双螺旋(double helix)。
每条链(strand)有一个交替的糖(这里糖是脱氧核糖(deoxyribose))和磷酸的骨架。一个核苷酸的糖由一个磷酸二酯键(phosphodiester bond)连接到下一个的磷酸。
两条链由它们的碱基保持在一起,碱基在中间相遇。配对是精确的——这是碱基互补配对(complementary base pairing):
- A 总是与 T 配对,由两个****氢键(hydrogen bonds)保持。
- C 总是与 G 配对,由三个氢键保持(所以一个 C–G 碱基对(base pair)更难分开)。
两条链沿相反的方向走:一条从 5′ 到 3′,而另一条从 3′ 到 5′。我们说它们是反平行(antiparallel)的。
上面平的梯子被扭成一个螺旋。这个空间填充模型,每个原子是一个球,显示双螺旋的真实形状:
探索
Explore the DNA ladder
Tap each part of the double helix — two antiparallel backbones with complementary base pairs as the rungs.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| double helix | 双螺旋 | shuāng luó xuán |
| strand | 链 | liàn |
| deoxyribose | 脱氧核糖 | tuō yǎng hé táng |
| phosphodiester bond | 磷酸二酯键 | lín suān èr zhǐ jiàn |
| complementary base pairing | 碱基互补配对 | jiǎn jī hù bǔ pèi duì |
| hydrogen bond | 氢键 | qīng jiàn |
| base pair | 碱基对 | jiǎn jī duì |
| antiparallel | 反平行 | fǎn píng xíng |
6.1
DNA 复制
DNA 复制(replication,复制)发生在细胞周期的 S 期。它是半保留复制(semi-conservative):每个新分子保留一条旧链和一条新链。步骤是:
- 双螺旋解开,氢键断裂,所以两条链分离。
- 每条旧链充当一个模板。自由的核苷酸通过碱基互补配对与暴露的碱基配对。
- 酶(enzyme)DNA 聚合酶(DNA polymerase)把新核苷酸连接成一条链。它只能沿 5′ 到 3′ 方向添加核苷酸。
因为那个 5′ 到 3′ 的规则,两条新链的制造方式不同:
- 前导链(leading strand)连续地构建,跟随解开。
- 后随链(lagging strand)以短片段构建,背离解开点工作。然后酶 DNA 连接酶(DNA ligase)把这些片段连接在一起。
探索
Semi-conservative replication
Step through copying DNA. The helix unwinds, each old strand templates a new one, and you end with two identical molecules.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| enzyme | 酶 | méi |
| polymerase | 聚合酶 | jù hé méi |
| leading strand | 前导链 | qián dǎo liàn |
| lagging strand | 后随链 | hòu suí liàn |
| ligase | 连接酶 | lián jiē méi |
6.1
RNA
RNA 也由核苷酸构成,但它是一条单链,它的糖是核糖,而且它用尿嘧啶代替胸腺嘧啶。这里最重要的类型是信使 RNA(mRNA),它把一个基因指令的一个副本带出细胞核以被使用。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| gene | 基因 | jī yīn |
6.2
蛋白质合成
大纲
- state that a polypeptide is coded for by a gene and that a gene is a sequence of nucleotides that forms part of a DNA molecule
- describe the principle of the universal genetic code in which different triplets of DNA bases either code for specific amino acids or correspond to start and stop codons
- describe how the information in DNA is used during transcription and translation to construct polypeptides, including the roles of: • RNA polymerase • messenger RNA (mRNA) • codons • transfer RNA (tRNA) • anticodons • ribosomes
- state that the strand of a DNA molecule that is used in transcription is called the transcribed or template strand and that the other strand is called the non-transcribed strand
- explain that, in eukaryotes, the RNA molecule formed following transcription (primary transcript) is modified by the removal of non-coding sequences (introns) and the joining together of coding sequences (exons) to form mRNA
- state that a gene mutation is a change in the sequence of base pairs in a DNA molecule that may result in an altered polypeptide
- explain that a gene mutation is a result of substitution or deletion or insertion of nucleotides in DNA and outline how each of these types of mutation may affect the polypeptide produced
来源:剑桥国际大纲
一个基因(gene)是编码一个多肽(polypeptide)的一段 DNA 核苷酸序列。
密码以三联体(triplets)读取——三个碱基一组。每个三联体要么编码一个特定的氨基酸(amino acid),要么充当一个开始或停止信号。密码是通用的:几乎所有生物对同样的氨基酸都用同样的三联体。
有 64 个可能的三联体但只有 20 种常见的氨基酸,所以大多数氨基酸由不止一个三联体编码。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| polypeptide | 多肽 | duō tài |
| triplet | 三联体 | sān lián tǐ |
| amino acid | 氨基酸 | ān jī suān |
6.2
蛋白质合成:转录与翻译
Transcription (in the nucleus)
DNA 基因被复制成 mRNA。这是转录(transcription)。
- 被复制的那条 DNA 链是模板链(template strand);伙伴链是非转录链(non-transcribed strand)。
- 酶 RNA 聚合酶(RNA polymerase)连接与模板碱基配对的 RNA 核苷酸(尿嘧啶与腺嘌呤配对)。
- 在真核生物中,最先制造的 RNA(初级转录本(primary transcript))含有叫外显子(exons)的编码部分和叫内含子(introns)的非编码部分。内含子被剪出,外显子连接在一起以构成完成的 mRNA。
Translation (at the ribosome)
mRNA 离开细胞核并附着到一个核糖体(ribosome)。从 mRNA 密码构建多肽是翻译(translation)。
- mRNA 以密码子(codons)读取(每个密码子是一个三联体的 mRNA 碱基)。
- 转运 RNA(tRNA)分子把氨基酸带到核糖体。每个 tRNA 有一个与匹配的密码子配对的反密码子(anticodon)。
- 随着密码子被按顺序读取,核糖体用肽键(peptide bonds)连接氨基酸,构建多肽。
例题。 某 DNA 模板链读作 TAC GGA CTT。写出 mRNA 的密码子,并说明多肽有多长。按碱基互补配对转录,记住 RNA 用尿嘧啶代替胸腺嘧啶:TAC 给出 AUG,GGA 给出 CCU,CTT 给出 GAA。所以 mRNA 读作 AUG CCU GAA。AUG 是起始密码子(甲硫氨酸),所以这条多肽有三个氨基酸 - 去掉起始的甲硫氨酸后是两个。有两个错误会在这里丢掉大部分分数:写 mRNA 时把 A 与 T 配对而不是与 U 配对;以及转录了编码链而不是模板链。mRNA 与模板链互补,而与编码链相同,只是用 U 代替了 T。
探索
From gene to protein
Step through the central dogma: the DNA template is transcribed into mRNA by base pairing (A→U, T→A, G→C, C→G), then read in codons and translated into a chain of amino acids.
探索
From gene to protein
Step through how a gene becomes a protein. Transcription copies DNA into mRNA; translation reads the mRNA to build the polypeptide.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| codon | 密码子 | mì mǎ zi |
| transcription | 转录 | zhuǎn lù |
| template strand | 模板链 | mú bǎn liàn |
| non-transcribed strand | 非转录链 | fēi zhuǎn lù liàn |
| primary transcript | 初级转录本 | chū jí zhuǎn lù běn |
| exon | 外显子 | wài xiǎn zi |
| intron | 内含子 | nèi hán zi |
| ribosome | 核糖体 | hé táng tǐ |
| translation | 翻译 | fān yì |
| anticodon | 反密码子 | fǎn mì mǎ zi |
| peptide bond | 肽键 | tài jiàn |
6.2
基因突变
一个基因突变(mutation)是一个 DNA 分子碱基序列的一个改变。它可能改变制造的多肽。有三种类型:
- 替换(substitution)——一个碱基被换成一个不同的碱基。这最多改变一个氨基酸,有时一个都不改(因为大多数氨基酸有不止一个三联体)。
- 缺失(deletion)——一个碱基被移除。
- 插入(insertion)——加了一个额外的碱基。
一个缺失或插入改变后面每个三联体被读取的方式,所以它通常改变那个点之后的许多氨基酸,并对多肽有大的影响。
探索
Mutation type lab
Compare substitution, insertion and deletion using their effect on the code.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| mutation | 突变 | tū biàn |
| substitution | 替换 | tì huàn |
| deletion | 缺失 | quē shī |
| insertion | 插入 | chā rù |
6.2
考试技巧
- DNA 是反平行的,由氢键保持(A=T 两个,C≡G 三个);复制是半保留的(每个产物保留一条旧链)。
- 陈述在哪里和是什么:转录(细胞核 → mRNA)、翻译(核糖体,mRNA + tRNA → 多肽)。
- 用全部四个术语描述密码:三联体、非重叠、简并、通用。
- 对于一个基因突变(替换、插入、缺失)解释对蛋白质的影响——以及为什么一个替换可以是沉默的(简并性)。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。