| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.1.A |
|
6.1.B |
|
基因表达与调控
AP 生物 · 第 6 主题
8:40
Gene Expression and Regulation
That white thread in the tube is real DNA, pulled out of ordinary cells. It looks like nothing at all. But it holds every instruction your body will ever need.…
英文讲解 · 内嵌中英文字幕
6.1
DNA 与 RNA 的结构
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
DNA 作为两条链的一个双螺旋(double helix)携带遗传信息。它的核苷酸(nucleotides)按规则配对——A 与 T、G 与 C(互补配对(complementary base pairing))——所以一条链指定另一条。这两条链反平行(antiparallel)地运行。RNA 是单链的,用尿嘧啶(uracil)(U)代替胸腺嘧啶,并有核糖。

DNA 的包装方式在两个域之间不同,CED 两者都要求。
- 原核生物通常在细胞质中有一条环状染色体(circular chromosome),往往还带有称为质粒的额外小环。
- 真核生物通常有多条线性染色体(linear chromosomes),每一条都通过缠绕在称为组蛋白(histones)的蛋白质上而被压缩。正是这种包装把两米长的 DNA 装进几微米大的细胞核——而且由于缠绕紧密的区域难以让转录机器接近,这种包装本身就是一层基因调控。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| double helix/ˈdʌbl ˈhiːlɪks/ | 双螺旋 | shuāng luó xuán |
| nucleotides/ˈnjuːklɪɒtaɪdz/ | 核苷酸 | hé gān suān |
| complementary base pairing/ˌkɒmplɪˈmentəri beɪs ˈpeərɪŋ/ | 互补配对 | hù bǔ pèi duì |
| antiparallel/ˌæntɪˈpærəlel/ | 反平行 | fǎn píng xíng |
| single circular chromosome/ˈsɪŋɡl ˈsɜːkjʊlə ˈkrəʊməsəʊm/ | 环状染色体 | huán zhuàng rǎn sè tǐ |
| multiple linear chromosomes/ˈmʌltɪpl ˈlɪnɪə ˈkrəʊməsəʊmz/ | 线性染色体 | xiàn xìng rǎn sè tǐ |
| condensed by wrapping around proteins called histones/kənˈdenst baɪ ˈræpɪŋ əˈraʊnd ˈprəʊtiːnz kɔːld ˈhɪstəʊnz/ | 组蛋白 | zǔ dàn bái |
6.2
DNA 复制
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.2.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在一个细胞分裂之前,DNA 被半保留复制(semiconservatively):螺旋解开而每条旧链模板化一条新链,所以每个子螺旋有一条旧链和一条新链。聚合酶(DNA polymerase)遵循碱基配对规则添加核苷酸,构建新链并边进行边校对。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| semiconservatively/ˌsemɪkənˈsɜːvətɪvli/ | 半保留复制 | bàn bǎo liú fù zhì |
| DNA polymerase/ˌdiː en ˈeɪ ˌpɒlɪməˈreɪz/ | 聚合酶 | jù hé méi |
6.3
转录与 RNA 加工
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.3.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
转录(transcription)把一个基因的 DNA 复制成信使RNA(messenger RNA,mRNA)。RNA 聚合酶(RNA polymerase)读取模板链并构建一条互补的 RNA。在真核生物里 mRNA 然后被加工:一个帽和尾被添加,而内含子(introns)(非编码部分)被剪接掉,留下外显子(exons)。

加工过程中加上的 5′ 帽是一个修饰过的鸟嘌呤核苷酸,即 GTP 帽(GTP cap),它的作用是识别:它帮助核糖体识别并结合这条 mRNA,同时在转录本离开细胞核时保护它不被降解。
Transcribe DNA into messenger RNA
Transcription copies a DNA template into mRNA, pairing A→U, T→A, C→G, G→C. Step through to build the RNA strand base by base.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Transcription/trænˈskrɪpʃn/ | 转录 | zhuǎn lù |
| messenger RNA/ˈmesɪndʒə ˌɑː en ˈeɪ/ | 信使 | xìn shǐ |
| introns/ɪnˈtrɒnz/ | 内含子 | nèi hán zi |
| exons/eɡˈzɒnz/ | 外显子 | wài xiǎn zi |
6.4
翻译
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.4.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
翻译(translation)在核糖体(ribosome)从 mRNA 构建一个蛋白质。mRNA 以三个碱基的密码子(codons)被读取,每个指定一个氨基酸(遗传密码)。转运RNA(transfer RNA)带来匹配的氨基酸,而核糖体把它们连接成一条多肽,直到一个终止密码子结束它。这是"中心法则":DNA → RNA → 蛋白质。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Translation/trænˈsleɪʃn/ | 翻译 | fān yì |
| ribosome/ˈriːbəʊsəʊm/ | 核糖体 | hé táng tǐ |
| codons/ˈkəʊdɒnz/ | 密码子 | mì mǎ zi |
| Transfer RNA/ˈtrænsfɜː ˌɑː en ˈeɪ/ | 转运 | zhuǎn yùn |
6.5
基因表达的调控
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.5.A |
|
6.5.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
细胞控制哪些基因被表达以及何时。在原核生物里,操纵子(operons)把成组的基因开或关。在真核生物里,调节发生在许多层次——哪些基因被转录(转录因子、启动子、增强子)、RNA 加工,以及翻译之后。这让一个细胞在不改变它 DNA 的情况下对它的环境反应。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| operons/ˈɒpərənz/ | 操纵子 | cāo zòng zi |
6.6
基因表达与细胞特化
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.6.A |
|
6.6.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个身体里的每个细胞有相同的 DNA,然而细胞不同,因为它们表达不同的基因——差异表达(differential gene expression)。这就是一个受精卵如何产生许多特化的细胞类型(肌肉、神经、皮肤);发育期间的信号把特定的基因开和关。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| differential gene expression/ˌdɪfəˈrenʃl dʒiːn ekˈspreʃn/ | 差异表达 | chā yì biǎo dá |
6.7
突变
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.7.A |
|
6.7.B |
| |
6.7.C |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个突变(mutation)是 DNA 序列的一个变化。点突变(point mutations)改变一个碱基(沉默、错义,或无义);插入/缺失(insertions/deletions)能造成一次移码(frameshift),它把下游的一切弄乱。配子里的突变是可遗传的;它们可能是有害的、中性的,或有益的——而有益的提供自然选择的变异。

整条染色体层面的错误同样改变表型。 突变不只是碱基的改变:有丝分裂或减数分裂中的错误可以导致表型改变。如果染色体未能分离——不分离(nondisjunction)——一个配子就会多得到一条或一条也没有,由此形成的合子染色体数目异常(非整倍性,aneuploidy)。21 三体是人们熟悉的例子。由于一整条染色体携带数以百计的基因,其表型影响远比一个点突变广泛。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| mutation/mjuːˈteɪʃn/ | 突变 | tū biàn |
| frameshift/ˈfreɪmʃɪft/ | 移码 | yí mǎ |
| nondisjunction/ˌnɒndɪsˈdʒʌŋkʃn/ | 不分离 | bù fēn lí |
| aneuploidy/ˈeɪnəplɔɪdi/ | 非整倍性 | fēi zhěng bèi xìng |
6.8
生物技术
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 3 — Information Storage and Transmission | 6.8.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
生物技术(biotechnology)工具操纵遗传物质:聚合酶链反应(PCR)复制 DNA、凝胶电泳(gel electrophoresis)按大小分开 DNA 片段、限制酶(restriction enzymes)和克隆在生物之间移动基因,而 CRISPR 编辑序列。这些技术使基因检测、工程化生物和医学治疗成为可能。


Worked example. 模板 DNA 链 3'-TAC GGA TTC-5' 被转录成 mRNA 5'-AUG CCU AAG-3'。一个核糖体读取三个密码子:AUG = 甲硫氨酸 Met(起始)、CCU = 脯氨酸 Pro、AAG = 赖氨酸 Lys——编码 Met–Pro–Lys。改变一个密码子的第三个碱基常常给出相同的氨基酸,因为遗传密码是简并的,这软化了许多突变的影响。
读取 DNA 可以鉴定个体。 由于某些非编码位点上的重复次数因人而异,对 DNA 的分析可以用于法医鉴定:用 PCR 扩增这些区域,用凝胶电泳把片段分开,再把条带位置的图样与参照样本比较。一次匹配是关于概率的陈述而不是确定性,这正是要检测多个位点而非一个位点的原因。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Biotechnology/ˌbaɪəʊtekˈnɒlədʒi/ | 生物技术 | shēng wù jì shù |
| PCR/ˌpiː siː ˈɑː/ | 聚合酶链反应 | jù hé méi liàn fǎn yìng |
| gel electrophoresis/dʒel ɪˌlektrəʊfɔːˈriːsɪs/ | 凝胶电泳 | níng jiāo diàn yǒng |
6.8
考试技巧
- 知道中心法则 DNA → RNA → 蛋白质:转录制造 mRNA,翻译在核糖体以三个碱基的密码子读取它。
- 记住 RNA 是单链的并用 U 代替 T;复制是半保留的。
- 每个细胞有相同的 DNA——细胞不同,因为它们表达不同的基因(差异表达)。
- 一个突变是 DNA 序列的一个变化,可能是有害的、中性的,或有益的(选择的原材料)。
- 把生物技术工具与它们的工作联系起来:PCR 复制 DNA;凝胶电泳按大小分开片段。
本主题的互动课程
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