IB 生物/核酸和蛋白質

DNA 結構

描述 DNA 的結構，包括反平行鏈、3'–5' 鍵和嘌呤與嘧啶之間的氫鍵。

• DNA 具有雙螺旋結構，在其整個長度上具有均勻的直徑。

• 兩個螺旋都是右手螺旋，這使它能夠適應定義的三維空間。

• 兩條多核苷酸鏈是“反平行的”，以相反的方向執行。

• 多核苷酸圍繞螺旋的外部形成，鹼基延伸到中心。

• 多核苷酸鏈透過鹼基（在中心）與對側多核苷酸上的鹼基形成氫鍵來連線。

• 氫鍵是特異性的，被稱為互補鹼基配對。

概述核小體的結構。

• 核小體是圍繞八個較小的蛋白質分子（稱為組蛋白）纏繞的一段 DNA。另一個組蛋白將組蛋白八聚體密封到 DNA 雙鏈分子上。

• DNA 與稱為組蛋白的蛋白質結合。

• 核小體使 DNA 分子能夠超螺旋，使染色體的長度縮短約 8000 倍。

• 核小體是 DNA 包裝的基本單位。它包含八個組蛋白（組蛋白是一種蛋白質），DNA 雙螺旋纏繞在上面。這個“珠子”透過另一個組蛋白固定在 DNA 的“弦”上。

• 'H1 連線體' 保證了 DNA 和組蛋白的結合。

說明細胞核中只有一小部分 DNA 構成基因，而大多數 DNA 由重複序列組成。

• 細胞核中只有一小部分 DNA 構成基因，而大多數 DNA 由重複序列組成。

描述 DNA 的結構，包括反平行鏈、3'-5' 鍵和嘌呤與嘧啶之間的氫鍵。

• DNA 梯子的兩側由交替的磷酸基團和脫氧核糖（一種糖）組成。兩側是反平行的，這意味著糖和磷酸基團以相反的方向執行（一個看起來“倒置”）。每側都有一個 5' 端和一個 3' 端。如果一條鏈從 3' 到 5' 結構化，這意味著糖-磷酸骨架從糖到磷酸執行。由於兩側是反平行的，一側從 3' 到 5' 方向，而另一側從 5' 到 3' 方向。存在兩種型別的核苷酸，嘧啶和嘌呤。嘧啶與嘌呤形成氫鍵，構成 DNA 梯子的梯級。

T胸腺嘧啶和C胞嘧啶是P嘧啶，腺嘌呤和鳥嘌呤是嘌呤。

DNA 複製

說明 DNA 複製在 5' 到 3' 方向上發生。

• DNA 複製在 5' 到 3' 方向上發生。

解釋原核生物 DNA 複製的過程，包括酶（解旋酶、DNA 聚合酶 III、RNA 引物酶、DNA 聚合酶 I 和 DNA 連線酶）的作用，岡崎片段和脫氧核苷三磷酸。

• 複製過程從 DNA 鏈上的特定核苷酸序列（稱為複製起點）開始。正是從這些點，解旋酶將 DNA 分裂成兩條反平行鏈。在以 5'--->3' 方向執行的鏈上，DNA 聚合酶 III 在一個被稱為複製泡的開口的一端固定，並開始從細胞核中的遊離核苷酸連續地鋪設一條新的 DNA 鏈。與往常一樣，由於鹼基配對規則，從該模板形成了現在已分離鏈的精確副本。在 DNA 聚合酶 III 鋪設新的 DNA 的同時，解旋酶繼續分離鏈，因此允許複製持續不間斷地進行。在以 3'--->5' 方向執行的相反鏈上，複製並不那麼簡單。由於新鏈必須以 5'--->3' 方向鋪設，因此 DNA 聚合酶 III 無法像在另一條鏈上那樣連續地鋪設。相反，RNA 引物酶在鏈上的許多點處鋪設短段的 RNA 引物核苷酸。聚合酶 III 用 DNA 核苷酸填充 RNA 引物之間的間隙，直到與另一個 RNA 引物接觸。DNA 聚合酶 I 用 DNA 替換 RNA 引物。雖然滯後鏈完全由 DNA 核苷酸組成，但在現在用 DNA 核苷酸替換的 RNA 引物點之間存在小的間隙；這些 DNA 片段被稱為岡崎片段。一旦這些片段鋪設完畢，它們就會由另一種被稱為 DNA 連線酶的酶連線起來，該酶將 DNA 連線到片段之間的間隙中，並完成新的鏈。帶有岡崎片段的 3'--->5' 鏈稱為滯後鏈，而前導鏈是連續複製的鏈。

說明在真核染色體中，複製從許多點啟動。

• 在真核染色體中，複製從許多點啟動。

轉錄

定義轉錄

• 轉錄 - 是使用 DNA 鏈作為模板合成 RNA 鏈的過程。一種酶（RNA 聚合酶）沿著 DNA 鏈移動，暫時解開雙鏈。核苷酸附著到模板鏈上，並延長形成的 RNA 鏈。當酶沿著 DNA 移動時，正在構建的 RNA 鏈與 DNA 分離，DNA 重新纏繞。RNA 在組成上不同於 DNA，所有胸腺嘧啶例項都被尿嘧啶取代。

說明轉錄在 5' 到 3' 方向上進行。

• 轉錄在 5' 到 3' 方向上進行（從磷酸基團到糖）。RNA 核苷酸的 5' 端（磷酸基團）被新增到已經合成的 RNA 分子部分的 3' 端（糖）。

解釋原核生物轉錄的過程，包括啟動子區域、RNA 聚合酶、核苷三磷酸和終止子的作用。

• 當鹼基配對連線到 DNA 模板時，RNA 聚合酶分離 DNA 的兩條鏈並結合 RNA 核苷酸。
• 為了使 DNA 鏈分離，RNA 聚合酶會結合到 DNA 的稱為啟動子的部分。
• 當核苷三磷酸（核苷酸型別）與 DNA 模板結合並以 5' 到 3' 方向由 RNA 聚合酶連線時，轉錄進行。
• 當 RNA 聚合酶到達 DNA 上的終止位點時，轉錄結束。當它到達終止子時，RNA 聚合酶會釋放 RNA 鏈。

區分 DNA 的編碼鏈和非編碼鏈。

• 編碼鏈是編碼鏈，與 mRNA 具有相同的鹼基序列（用尿嘧啶代替胸腺嘧啶）。非編碼鏈被轉錄，與 tRNA 具有相同的鹼基序列。
• 編碼鏈也稱為非模板鏈，非編碼鏈也稱為模板鏈。

說明真核 RNA 需要去除內含子才能形成成熟的 mRNA。

• 真核 RNA 需要去除內含子才能形成成熟的 mRNA。這是因為內含子是高度重複序列，或非編碼序列。
• 內含子包含不編碼氨基酸的核苷酸。
• 在轉錄後和翻譯前去除內含子後，外顯子被連線起來。這個過程被稱為剪接。

說明逆轉錄酶催化從 RNA 生成 DNA 的過程。

• 逆轉錄酶催化從 RNA 生成 DNA 的過程。這有助於將 DNA 病毒生命週期與艾滋病毒（一種 RNA 病毒）的生命週期聯絡起來。

解釋逆轉錄酶如何在分子生物學中使用。

• 這種酶可以從成熟的 mRNA（例如胰島素）中製造 DNA，然後可以將其剪接到宿主（例如細菌）的 DNA 中，而沒有內含子。然後，當宿主 DNA 被轉錄時，就會產生像胰島素這樣的蛋白質。
• 重要的是，由逆轉錄酶產生的 DNA 沒有內含子，因為宿主沒有去除內含子的必要基因（因此也沒有必要的蛋白質）。

翻譯

解釋 tRNA 的結構如何允許被 tRNA 啟用酶識別，該酶使用 ATP 作為能量將特定氨基酸結合到 tRNA 上。

• 每個氨基酸都有一個特定的 tRNA 啟用酶，幫助 tRNA 與其互補的 mRNA 密碼子結合。該酶具有一個 3 部分的活性位點，可以識別三件事：特定氨基酸、ATP 和特定 tRNA。該酶將氨基酸連線到 tRNA 的 3' 端。氨基酸連線位點始終是鹼基三聯體 CCA。
• 重要的是要注意，每個 tRNA 分子可以連線到一個特定的氨基酸，但一個氨基酸可以與幾個 tRNA 分子結合。

概述核糖體的結構，包括蛋白質和 RNA 組成、大亞基和小亞基、三個 tRNA 結合位點和 mRNA 結合位點。

• 核糖體由兩個亞基組成：小亞基和大亞基。當它們不用於蛋白質合成時，這兩個亞基會分離。
• 在真核生物中，大亞基包含三個不同的 rRNA（核糖體 RNA）分子和大約 45 個不同的蛋白質分子。一個小亞基包含一個 rRNA 分子和 33 個不同的蛋白質分子。
• 核糖體可以合成各種蛋白質。它有一個 mRNA 結合位點和兩個 tRNA 結合位點，tRNA 在這些位點與 mRNA 接觸。

說明翻譯過程包括起始、延伸和終止。

• 翻譯過程包括起始、延伸和終止。

說明翻譯過程以 5' 到 3' 的方向進行。

• 翻譯過程以 5' 到 3' 的方向進行，核糖體沿 mRNA 向 3' 端移動。
• 起始密碼子比終止密碼子更靠近 5' 端。

解釋翻譯過程，包括核糖體、多核糖體、起始密碼子和終止密碼子。

• 起始：當 RNA 抵達細胞質時，它會將其 5' 端附著在核糖體的小亞基上。AUG 被稱為起始密碼子（記住：密碼子是 mRNA 上的三個鹼基），因為它啟動了翻譯過程。tRNA 分子一端的反密碼子與 mRNA 上的特定密碼子互補，這意味著反密碼子與密碼子透過氫鍵結合。AUG 密碼子透過氫鍵與攜帶甲硫氨酸的 tRNA 分子結合（起始 tRNA）。核糖體大亞基有兩個 tRNA 結合位點：P 位點和 A 位點。這些位點上的 tRNA 分子附著在 mRNA 的“傳送帶”上。tRNA 分子從 A 位點移動到 P 位點（因為 mRNA 向該方向移動），因此，在起始完成時，起始 tRNA 位於 P 位點。
• 延伸：另一個攜帶特定氨基酸的 tRNA（我們稱之為 tRNA“X”）附著在更大亞基 A 位點上的下一個密碼子上。這兩個氨基酸（甲硫氨酸和 X 上的氨基酸）現在相互形成肽鍵。起始 tRNA 脫落，tRNA X 從 A 位點移動到 P 位點。然後，另一個 tRNA 分子（tRNA“Y”）附著在 A 位點上的密碼子上。與 tRNA Y 連線的氨基酸與 tRNA X 的氨基酸形成肽鍵。密碼子以 5' 到 3' 的方向（從 A 到 P）繼續穿過核糖體。（實際上，是核糖體在 mRNA 鏈上移動。）這使得 A 位點空出來供另一個 tRNA 附著新的氨基酸等等等等。
• 終止：終止密碼子是一個不編碼氨基酸的密碼子，它終止翻譯過程。多肽被釋放，mRNA 片段返回細胞核。這些核苷酸被回收用於 RNA 和 DNA 合成。tRNA 也返回到自由狀態，並附著到其特定的氨基酸上，以便在需要時為翻譯過程做好準備。

說明遊離核糖體主要合成細胞內使用的蛋白質，而附著核糖體主要合成分泌蛋白或溶酶體蛋白。

• 遊離核糖體主要合成細胞內使用的蛋白質，而附著核糖體主要合成分泌蛋白或溶酶體蛋白。

蛋白質

解釋蛋白質的四級結構，說明每級結構的重要性。

• 一級結構是指多肽蛋白質鏈中氨基酸的基本排列順序，在氨基酸之間發生任何摺疊或鍵合之前。蛋白質在一級結構上通常沒有功能，所有蛋白質都具有一級結構。
• 二級結構是指蛋白質鏈由於氨基酸之間的氫鍵而形成的重複、規則的結構。二級結構通常呈α螺旋（類似於 DNA 染色體）或β摺疊片（形狀類似於紙板的波紋）形式。

α螺旋是由於一條多肽鏈內的氫鍵形成的，而β摺疊片是由於不同多肽鏈之間的氫鍵形成的。

• 三級結構是第三種結構。它是由於氨基酸之間不同型別的鍵合作用而導致的多肽摺疊形成的複雜的三維蛋白質形狀。這些鍵包括氫鍵、二硫鍵和靜電鍵。二硫鍵是指其中一個氨基酸，半胱氨酸，含有硫。這兩個半胱氨酸可以在其硫原子之間形成一個鍵，導致二硫鍵，進而導致鏈摺疊。靜電鍵是在鏈上的負離子和正離子分子或氨基酸基團之間形成的。
• 四級結構是蛋白質最複雜的結構形式。它包含了一級、二級和三級結構，然後新增另一個級別：四級結構是一個或多個多肽鏈透過鍵合在一起。這是許多蛋白質的功能形式，但同樣，正如並非所有蛋白質都具有二級或三級結構一樣，並非所有蛋白質都具有四級結構。對於四級結構蛋白質的常見示例，請參見血紅蛋白。

概述纖維蛋白和球狀蛋白之間的區別，並參考每種蛋白質型別的兩個例子。

• 纖維蛋白處於其二級結構，可能是α螺旋或β摺疊片形式。它們是由重複的氨基酸序列組成，這些序列可以緊密地盤繞成一種模式，使其成為非常堅固的結構。兩個例子是角蛋白（在頭髮和皮膚中）和膠原蛋白（在肌腱、軟骨和骨骼中）。
• 球狀蛋白處於其三級或四級結構，它們被摺疊，形成一個球狀的三維形狀。兩個例子是所有酶和微管（形成中心體、纖毛、鞭毛和細胞骨架）。

解釋極性和非極性氨基酸的重要性。

• 非極性氨基酸具有非極性（中性）R 基團。極性氨基酸具有帶有極性基團（帶正電或負電）的 R 鏈。具有大量極性氨基酸的蛋白質使蛋白質親水，因此能夠溶解在水中。具有許多非極性氨基酸的蛋白質更疏水，在水中的溶解度較低。憑藉這些能力，蛋白質會自我摺疊，使親水性蛋白質位於內部，並允許親水性分子和離子透過它們形成的通道進出細胞。這些通道是許多物質進出細胞的至關重要的通道。

說明蛋白質的六種功能，並提供每種功能的命名示例。

• 一種功能是運輸。一個例子是血紅蛋白，它在血細胞內運輸氧氣。
• 另一種功能是肌肉收縮。一個例子是肌動蛋白和肌球蛋白，它們參與肌肉收縮。
• 酶都是蛋白質，催化反應。一些例子是胰蛋白酶和澱粉酶。
• 一些激素是蛋白質。一個例子是胰島素，一種由胰腺分泌的激素，用於調節血糖水平。
• 另一種功能是抗體，它們是由蛋白質製成的，可以抵抗疾病。
• 第六種功能是透過結構蛋白提供支撐。例子包括指甲（角蛋白）或肌腱（膠原蛋白）。

請注意，不應該包括膜蛋白。

酶

說明代謝途徑由酶催化反應的鏈和迴圈組成。

• 代謝途徑由酶催化反應的鏈和迴圈組成。

描述誘導契合模型。

• 這是對鎖和鑰匙模型的擴充套件。它解釋了某些酶的廣泛特異性。誘導契合模型認為，酶的活性位點並不完全適合底物，就像鎖和鑰匙一樣。相反，契合並不完全完美；因此，當底物與酶發生碰撞並進入活性位點時，底物會受到應力，從而使底物更容易斷裂。當與活性位點中的底物發生另一次碰撞時，鍵就會斷裂，底物就會被釋放。酶可以非常快速地處理這種反應。

解釋酶降低其催化化學反應的活化能。

• 所有反應，無論是帶有酶還是沒有酶，都需要分子之間的碰撞才能發生。許多分子具有強烈的鍵將它們結合在一起，因此需要高速的強大碰撞才能斷裂這些鍵。然而，將碰撞速率提高到這些反應能夠發生的速率將需要大量的能量，通常以熱的形式出現。酶透過以一種需要較弱碰撞就能斷裂底物鍵的方式對底物鍵施加應力，從而降低了發生這些反應所需的能量，即活化能。

解釋競爭性抑制和非競爭性抑制之間的區別，並參考每個的例子。

• 競爭性抑制是指抑制分子與底物分子結構相似，並結合到活性位點上，從而阻止底物結合。例如，丙二酸（丙二酸）對丁二酸脫氫酶（琥珀酸脫氫酶）的抑制（在克雷布斯迴圈中），以及磺胺類藥物普魯卡因（一種抗生素）對細菌葉酸合成的抑制。
• 非競爭性抑制是指抑制分子結合到酶上（而不是其活性位點），這會導致其活性位點的構象變化，從而降低酶的活性。例如，Hg、Ag、Cu 和 CN 透過結合到 SH 基團抑制許多酶（例如細胞色素氧化酶），從而斷裂 -S-S- 鍵；以及沙林和 DFP（二異丙基氟磷酸）等神經毒劑透過抑制乙醯膽鹼酯酶。

解釋變構作用在透過終產物抑制控制代謝途徑中的作用。

• 變構作用是非競爭性抑制的一種形式。變構酶的形狀可以透過酶的終產物結合到變構位點（酶活性位點以外的區域）來改變，從而降低酶的活性。代謝物是一種變構抑制劑，可以作為代謝途徑中較早酶的變構抑制劑，並根據生物體的需求調節代謝；它們是一種負反饋形式。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醯轉移酶 (ATCase)，它催化嘧啶合成的第一步。