结构生物化学 #
生物大分子 #
生命体的元素组成和化学组成 #
生命体的元素组成 ：C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素，约占了生物体总质量的99%以上
生物体的化学组成：水、无机物及有机小分子、生物大分子
生物大分子的组成 #
| 生物分子/构件分子 | 生物大分子 |
|---|---|
| 氨基酸 | 蛋白质 |
| 核苷酸 | 核酸 |
| 单糖 | 多糖 |
| 脂肪酸 | 脂类 |
生物大分子的构成 #
具有固定结构的单体亚基通过具备有限柔性的共价键连成一体，在非共价相互作用的帮助下形成特定的三维结构，其结构决定了每个大分子的具体功能
生物大分子三维结构形成的关键作用力 #
弱相互作用是生物大分子高级结构，相互作用和功能的基础。
弱相互作用包括：氢键，静电互作，疏水互作和范德华互作
蛋白质 #
蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的大分子含氮化合物。
| 蛋白质结构 | ||
|---|---|---|
| 一级结构 | 氨基酸排列顺序 | 每个位置有20种氨基酸的选择，20n次方的序列多样性决定了其功能的多样性 一级结构决定高级结构 |
| 二级结构 | 多肽链主链原子的局部空间排布，不包括侧链的构象 | α－螺旋、β－折叠、β－转角和无规卷曲四种 |
| 三级结构 | 一条多肽链的三维结构 | 具备三级结构的蛋白质一般都是球蛋白 球蛋白的疏水性氨基酸大多埋藏在分子内部，形成一个致密的疏水核，这对稳定蛋白质的构象有十分重要的作用 亲水性氨基酸侧链都分布在蛋白质的表面，它们与水接触并强烈水化，形成亲水的分子外壳，从而使球蛋白可溶于水 |
按照自己的理解阐述蛋白质如何从其一级结构折叠成具有特定的生物学功能的高级结构。
- 氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构，一级结构决定高级结构
- 弱相互作用是生物大分子高级结构形成的基础，包括氢键，静电和疏水互作等
- 主链氨基酸之间形成稳定的氢键，使蛋白质形成二级结构
- 主链和侧链氨基酸间的多种弱相互作用，使得蛋白质进一步形成三级结构
- 疏水的氨基酸互作形成疏水核心，亲水的氨基酸形成亲水表层，使得蛋白质在水溶液中折叠
- 侧链的大小，极性，带电性质等使得蛋白质折叠后的表面具备相互作用或者酶反应口袋， 促使其具备生物学功能
- 蛋白质的多条肽链之间相互作用，使蛋白质形成四级结构
- 蛋白质通过一级，二级，三级和四级结构的层次折叠，形成高级构象。
酶
- 酶是在生物体内起催化剂作用的蛋白质或RNA。
- 酶以有序的顺序作用，催化数以百计的逐步反应，降解营养分子，保存和转化化学能，并能从简单的前体合成生物大分子
- 酶具有非凡的催化能力，通常远远大于合成或无机催化剂
- 酶对底物具有高度的专一性，能极大地促进化学反应
- 在温度和pH非常温和的条件下在水溶液中发挥作用，很少有非生物催化剂具有这些性质
酶的活性中心
- 酶的活性中心含有催化残基和结合残基
- 活性中心是三维的并且有裂隙
- 由多种弱相互作用来实现与底物的结合
- 特异性结合依赖活性中心的结构
- 参与结合底物或催化反应的基团有时被称为酶的活性位点；活性位点只占酶的极少的部位
核酸 #
核酸是由多个核苷酸缩合而成的生物大分子
核酸的分类 #
| 核酸 | 功能 |
|---|---|
| 脱氧核糖核酸（DNA） | 遗传物质 |
| 核糖核酸 （RNA） | 传递遗传信息，基因表达和调控 |
核苷酸的组成 #
核苷酸由核苷和磷酸根组成。 核苷由含氮碱基与脱氧核糖或者核糖通过糖苷键连接而成。
核酸的组成 #
核酸即多聚核苷酸，是由多个核苷酸通过3′,5′-磷酸 二酯键相连的多聚物，可分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两类
核酸的结构 #
| 核酸的结构 | |
|---|---|
| 一级结构 | 核苷酸残基具有一定的排列顺序，这种排列顺序就是核酸的一级结构 |
| DNA的二级结构 | 1953年，Watson和Crick提出了DNA双螺旋模型，开启了分子生物学时代 嘌呤与嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖 单位作为不变的骨架组成位于外侧； 链间碱基按A-T形成两对氢键，G-C形成三对氢键 ；疏水碱基堆叠作用。 |
糖类 #
糖类是自然界分布最广且含量最为丰富的一类生物分子，主要经由光合作用生成：
糖类是具有至少两个羟基的醛和酮，或水解时能产生这些化合物的物质
根据聚合度的不同，分为
| 单糖/简单糖 | 不能被水解成更小分子的简单糖类 |
| 寡糖 | 少量单糖残基以糖苷键连接而成的短链，水解后产生单糖 |
| 多糖 | 由单糖残基组成的长链，分子量大于20,000，水解后能产 生单糖或其衍生物 |
| 糖复合物 | 与非糖物质结合的糖 |
脂质 #
脂质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。
脂肪酸：脂肪酸是由一条长的烃链（尾）和一个末端羧基（头）组成的羧酸
- 含一个或多个双键的为不饱和脂肪酸，对人体有重要营养价值。
- 只含一个双键的脂肪酸为单不饱和脂肪酸
- 含有两个或两个以上双键的称多不饱和脂肪酸|
脂肪/甘油三脂：由一分子甘油和三分子脂肪酸通过脂键缩合合成。
甘油磷脂：属于磷脂，结构：甘油的第三个羟基被磷酸化，另外两个羟基被脂肪酸酯化。
甘油磷脂可以分为两部分：一部分由两个长长的非极性的碳氢链构成，具有疏水性质，形象的表示为疏水尾巴；另一部分由极性的磷酸化X基团构成， 形象的称为极性头部。这种两性分子，特别适合做生物膜的骨架，因此广泛存在于各种生物膜中
生物膜流动镶嵌模型 #
细胞膜结构是由液态的脂类双分子层中镶嵌可以移动的球形蛋白质而形成的。
- 脂类物质分子的双层，形成了膜的基本结构的基本支架
- 而膜的蛋白质则和脂类层的内外表面结合，或嵌入脂类层，或者贯穿脂类层而部分地露在膜的内外表面
- 磷脂和蛋白质都有一定的流动性，使膜结构处于不断变动的状态。
分子生物学 #
细菌与噬菌体 #
| 名词 | 解释 |
|---|---|
| 温和噬菌体 | 有些噬菌体在侵入细菌后，将它们的核酸整合在寄主染色体上，同寄主细胞同步复制，并传给子代细胞，寄主细胞不裂解，这类噬菌体称为温和噬菌体。 |
| 溶源菌 | 含有温和噬菌体的寄主细菌则称为溶源菌。 |
| 噬菌体小组 | 20世纪中期形成的一个非正式的科学家组织，研究细菌和噬菌体的遗传学，极大地推动了分子生物学的发展。 核心人物有德尔布吕克、卢里亚和赫尔希。 |
列举出3条源自细菌和噬菌体的遗传学研究而诞生的重大生命科学的研究技术或工具。（答出一条2分）
PCR、质粒构造、基因克隆技术、限制性内切酶、基因表达调控研究、基因编辑
线虫 #
1）线虫作为模式生物有何优势？
- 遗传学优势：基因组小（约20,000个基因）；自交繁殖，易产生纯合基因；
- 生理学优势：生命周期短（从受精卵到成虫只需约3天）；身体透明，便于观察；细胞谱系确定；易于大规模培养；
2）请列举出利用线虫作为研究体系所取得的两项诺贝尔奖级别的重大科学发现。
-
2002，“器官发育和程序性细胞死亡的遗传调控机制”的研究。
-
2006，“RNA干扰（RNAi）机制”，双链RNA可以沉默特定基因的表达。
DNA的复制、转录、翻译 #
| 名词 | 解释 |
|---|---|
| 复制叉 | DNA复制时在DNA链上通过解旋、解链和SSB蛋白的结合等过程形成的Y字母状结构。 |
| 引物 | 一段较短的单链DNA或RNA，它能与DNA的一条链配对，提供3’-羟基末端以作为DNA聚合酶合成DNA链的起始点。 |
| 前复制体 | 在DNA复制起始过程中在复制起点部位形成的蛋白质复合物。 |
| 前导链 | 在DNA复制的过程中，与复制叉运动方向相同，以5’→3’方向连续合成的DNA链。 |
| 冈崎片段 | 由于DNA复制过程只能由5’→3’方向合成，因此一条链能够连续合成，另一条链分段合成，其中每一段短链称为冈崎片段 |
| 基因 | 是产生一条多肽链或功能RNA分子所必需的全部核苷酸序列。 |
| DNA变性 | DNA碱基对的氢键断裂，双链变成单链，从而使核酸的天然构象和性质发生改变。 |
| 重组DNA技术 | 是将不同的DNA片段（例如每个基因或基因片段）按照科学家预先的设计定向连接起来（或插入特定的质粒载体），在特定的受体细胞中同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状的技术。 |
| 聚合酶链式反应（PCR） | 模拟体内DNA复制方式，在体外的试管中选择性地扩增模板DNA分子特定区域的技术。 需要耐热的DNA聚合酶、模板DNA分子、两条单链DNA引物、和4种脱氧核苷酸。 |
| 核酶 | 具有催化功能的小分子RNA。 |
| 逆转录酶/反转录酶 | 又称为依赖RNA的DNA聚合酶。该酶以RNA 为模板，以dNTP 为底物，tRNA为引物，根据碱基配对的原则，按5’-3’方向合成一条与RNA 模板互补的DNA 单链。 |
请详细描述DNA复制的主要过程？
- 解旋： DNA解旋酶: 解开双螺旋结构，将两条DNA链分开。 单链DNA结合蛋白 (SSB): 防止分离的单链DNA重新结合，保持单链状态。 拓扑异构酶： 缓解解旋过程中产生的DNA缠绕压力，防止DNA断裂。
- 引物合成： 引物酶： 合成短的RNA引物，为DNA聚合酶提供起始点。
- DNA合成 : DNA聚合酶：以引物为起点，沿着模板链以5’到3’方向合成新的互补链。 先前链： 与模板链方向一致，DNA聚合酶可以连续合成。 滞后链：与模板链方向相反，DNA聚合酶以片段形式合成，称为冈崎片段。
- 冈崎片段连接: DNA连接酶: 将冈崎片段连接成完整的滞后链。
- 校对: DNA聚合酶: 拥有校对功能，识别并修复复制过程中的错误。
在真核生物的DNA复制的过程中，有哪几种酶参与，分别发挥何种功能？
解旋酶：解开双螺旋DNA，将两条链分开，形成复制叉。
单链DNA结合蛋白，SSB：防止分离的单链DNA重新结合，保持单链状态。
拓扑异构酶：缓解解旋过程中产生的DNA缠绕压力，防止DNA断裂。
引物酶：合成短的RNA引物，为DNA聚合酶提供起始点。
DNA聚合酶：识别模板链上的碱基，并添加相应的核苷酸，形成新的DNA链；拥有校对功能，识别并修复复制过程中的错误。
DNA连接酶：将冈崎片段连接成完整的滞后链。
请简要说明中心法则的遗传信息流。
DNA → RNA → 蛋白质
遗传信息从DNA流向RNA，再从RNA流向蛋白质。
- DNA复制： DNA分子通过复制过程产生两个完全相同的DNA分子，保证遗传信息的完整传递。
- 转录： DNA序列被转录成RNA分子。这个过程由RNA聚合酶催化，它利用DNA模板合成一个互补的RNA分子。
- 翻译 ：RNA分子被翻译成蛋白质分子。这个过程由核糖体催化，它读取RNA分子上的密码子，并根据密码子决定蛋白质氨基酸序列。
中心法则的补充
- 逆转录 ：一些病毒可以利用逆转录酶将RNA逆转录成DNA，这一过程补充了中心法则。
- RNA复制：一些病毒可以利用RNA复制酶将RNA复制成新的RNA分子，这一过程也补充了中心法则。
DNA和RNA的分子结构 #
请描述核苷与核苷酸之间的结构差异。
核苷和核苷酸都是构成核酸（DNA和RNA）的基本结构单元。
核苷是核苷酸的前体，缺少磷酸基团；核苷酸是核酸的组成单元，包含磷酸基团。
| 特征 | 核苷 | 核苷酸 |
|---|---|---|
| 结构 | 戊糖 + 碱基 | 戊糖 + 碱基 + 磷酸基团 |
| 连接方式 | 糖苷键 | 糖苷键 + 磷酸酯键 |
| 功能 | 核酸的基本组成单元 | 核酸的基本组成单元；参与能量代谢、信号传递等 |
请描述DNA双螺旋即DNA二级结构的主要特征。
- 双螺旋的两条核苷酸链依靠碱基之间的配对而反向平行结合在一起；
- 碱基在内侧，磷酸与核糖在外侧；
在生命体外和体内，为什么DNA分子都比RNA分子稳定？
- 脱氧核糖 vs. 核糖:：核糖比脱氧核糖多一个羟基，更容易发生水解。
- 尿嘧啶vs胸腺嘧啶：尿嘧啶比胸腺嘧啶更容易发生水解，也降低了RNA的稳定性。
- 双螺旋vs单链： DNA分子是双螺旋结构，更稳定；而RNA分子通常以单链结构存在，其稳定性远不如双螺旋DNA。
- 生物酶：体内环境中的酶类也保护了DNA分子，使其不易被降解，同时会降解RNA，使其作用时间短暂
- 修复机制：DNA分子有修复机制，RNA修复机制不完善，更容易降解
染色质/染色体 #
| 名词 | 解释 |
|---|---|
| 核小体 | 组成真核生物染色质的基本单位，由一段DNA分子缠绕组蛋白核心8聚体。 组蛋白核心包括H2A, H2B, H3, H4，都是2个分子。 |
| 异染色质 | 异染色质指间期细胞核内染色质纤维折叠压缩程度高，处于聚缩状态，用碱性染料染色时着色较深，在电镜下电子密度较高的染色质。通常不发生转录。 |
| 端粒 | 是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，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。 |
| 端粒酶 | 是负责维持真核细胞中染色体末端的端粒长度的一种具有反转录活性的酶，由RNA模板和催化蛋白构成。 |
请描述常染色质和异染色质的区别。
常染色质是基因活跃的区域，允许基因转录和复制，而异染色质是基因沉默的区域，限制基因表达和复制。这两种染色质状态在细胞功能中扮演着重要角色，并通过动态调节来控制基因表达和细胞发育。
| 特征 | 常染色质 | 异染色质 |
|---|---|---|
| 结构 | 松散 | 紧密 |
| 染色特性 | 染色较浅 | 染色较深 |
| 基因密度 | 基因密度较高，包含大量编码蛋白质的基因 | 基因密度较低，包含较少的编码蛋白质的基因，更多的是重复序列和转座子 |
| 基因活性 | 基因转录活跃 | 基因活性低，基因转录被抑制或很少 |
| 复制时间 | 在细胞周期中较早复制 | 在细胞周期中较晚复制 |
什么是端粒？为何大肠杆菌细胞不需要端粒酶？
- 端粒是真核生物染色体末端的保护结构，可以保护染色体末端免受降解和融合，并确保染色体在细胞分裂过程中完整地复制，对染色体稳定性和细胞寿命至关重要。
- 大肠杆菌作为原核生物，其染色体是环状的，没有端粒结构，因此不需要端粒酶。
什么是组蛋白密码？组蛋白上发生的四种重要的蛋白质翻译后修饰是什么？分别发生在哪几种氨基酸残基的侧链上?
组蛋白密码是指组蛋白上的多种蛋白质翻译后修饰，它决定染色质的活性状态，进而影响基因的表达。
甲基化：主要发生在组蛋白H3和H4的赖氨酸精氨酸残基上
乙酰化：主要发生在组蛋白H3和H4的赖氨酸残基上
磷酸化：主要发生在组蛋白H3的丝氨酸，苏氨酸、酪氨酸残基上
泛素化 ：主要发生在组蛋白H2A和H2B的赖氨酸残基上
基因突变与修复 #
| 名词 | 解释 |
|---|---|
| 基因 | 是产生一条多肽链或功能RNA分子所必需的全部核苷酸序列 |
| 转座 | 一种特殊的遗传重组，将特定的遗传因子从DNA（或基因组）上一个地方移动到另一个地方 |
| 转座子/转座因子 | 可移动的遗传因子 |
导致基因突变的因素有哪些？请分类列举。
- 自发突变：复制错误、碱基的自然损伤
- 诱发突变
- 物理因素：电离辐射，紫外线辐射
- 化学因素：碱基类似物，烷化剂，嵌入剂
- 生物因素：病毒感染
在细胞中，哪些生理条件下或应激条件下会发生同源重组？
- 生理条件：DNA损伤修复、减数分裂、免疫球蛋白基因重排
- 应激条件：氧化应激、紫外线辐射、化学物质
如何理解生命和生物多样性依赖于突变和突变修复之间的良好平衡？
-
突变是生命进化的源泉，是生物多样性的基础，它产生新的性状，可能是有益、中性或有害的。
-
突变修复机制（例如DNA修复酶、错配修复等）保证基因组的稳定性，维护生命体的正常生存。
-
如果突变率过高，基因组会快速积累有害突变，导致生物体死亡或无法生存；如果突变率过低，生物体将无法获得新的基因，难以适应环境变化，最终也会导致灭绝。
-
生命需要在突变和修复之间保持平衡，才能保证物种的进化和延续。
细胞生物学 #
细胞质膜/细胞膜 #
- 为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境
- 选择性的物质运输
- 提供细胞识别位点，完成信息跨膜传导
- 为多种酶提供结合与反应位点
- 介导细胞与细胞、细胞与胞外基质间连接
- 参与形成细胞表面特化结构
- 膜蛋白的异常与某些遗传病、恶性肿瘤、自身免疫病甚至神经退行性疾病相关
物质的跨膜运输
- 被动运输（包括简单扩散和协助扩散）
- 主动运输
- 胞吞与胞吐作用
细胞质基质 #
-
许多中间代谢过程都发生在细胞质基质中
-
如糖酵解过程、磷酸戊糖途径、糖醛酸途径、糖原的合成与部分分解过程
-
蛋白质合成和脂肪酸合成的场所
-
-
与细胞质骨架相关的功能
-
与维持细胞形态、运动、胞内物质运输及能量传递等过程相关
-
细胞结构体系的组织者，为细胞质基质中其他成分和细胞器提供锚定位点
-
-
细胞质基质中蛋白质的翻译后修饰、选择性降解等
膜性细胞器和无膜细胞器 #
内质网 #
- 内质网是细胞内蛋白质和脂类的合成基地
- 糙面内质网上附着有大量核糖体，合成膜蛋白和分泌蛋白
- 光面内质网上无核糖体，为细胞内外糖类和脂类的合成和转运场所。
- 内质网是蛋白质分泌转运途径中行使质量监控的重要场所
- 其他功能
- 肝细胞的解毒作用
- 肌质网Ca2+储存与浓度调节
- 糖原代谢
高尔基体 #
高尔基体是细胞内大分子加工、转运的枢纽
- 对内质网合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运
- 对内质网合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位转运
- 细胞内糖类合成的工厂
溶酶体 #
细胞内的消化作用，可概括成内吞作用、 吞噬作用和自噬作用3种途径
线粒体 #
合成ATP，为细胞的活动提供了化学能量
叶绿体 #
进行光合作用
细胞骨架 #
微管 #
决定膜封闭细胞器的位置和直接的细胞内转运
微丝 #
由肌动蛋白丝组成，决定了细胞表面的形状，是全细胞运动所必需的
中间丝 #
又称中间纤维
- 提供机械稳定性
- 维持细胞核膜稳定
- 参与细胞连接
- 参与信号转导
- 参与细胞分化
细胞核 #
核被膜 #
- 构成了核、质之间的天然选择性屏障；
- 调控细胞核内外的物质交换和信息交流
主要有3种结构组分：双层核膜、核孔复合体与核纤层
核孔/核孔复合体
双功能（被动扩散/主动运输）、双向性（出/入）的亲水性核质交换通道
核纤层
- 结构支撑
- 调节基因表达
- 调节DNA 修复
- 与细胞周期有关
核仁 #
- 核糖体的生物发生： 包括rRNA 的合成、加工和核糖体亚单位的组装
- 涉及mRNA 的输出与降解