IB Biology HL 核酸（HL 拓展）— 完整学习指南

适用对象：备考 IB Biology HL 的中国学生。

本章覆盖：IB Topic 7（仅 HL）— DNA 结构深化、半保留复制机制、含启动子终止子的转录、含肽键形成的翻译、遗传密码特征、基因表达调控。

关于练习题的说明：下文练习题均为我们按 IB Biology HL 风格原创的教学题。

1. 为什么 HL 核酸重要

Topic 7 是 SL Topic 2（分子生物学）背后的分子细节 — 复制、转录、翻译的机制：用什么酶、需什么辅因子、怎么调控。占 HL Paper 1+2 的 4-6%，且高度整合在 Topic 8（代谢）和 Topic 11（动物生理：激素）。

2. DNA 结构（HL 细节）

DNA 是双螺旋：

• 外侧糖-磷酸骨架。
• 内侧碱基（A、T、G、C）氢键配对（A=T 2 键；G≡C 3 键）。
• 反平行：一链 5'→3'、另一链 3'→5'。

核小体：DNA 缠绕组蛋白。8 组蛋白（八聚体）+ ~146 bp DNA / 核小体。允许细胞核内紧凑包装。

3. DNA 复制 — 半保留

1. 解旋酶在复制叉处解开双螺旋。
2. DNA 旋转酶 / 拓扑异构酶舒缓前方超螺旋。
3. 每条母链作模板；新核苷酸由 DNA 聚合酶 III 按碱基配对添加。
4. 聚合酶只能 5'→3' 合成，所以：
   • 前导链朝复制叉方向连续合成。
   • 后随链远离复制叉、以 冈崎片段形式合成，再由 DNA 连接酶接起。
5. DNA 聚合酶 I 移除 RNA 引物（引物酶做的）并补 DNA。
6. 结果：每条新双螺旋一条母链 + 一条新链 → "半保留"。

4. 转录

DNA → mRNA。RNA 聚合酶在核内完成。

1. RNA pol 结合模板链上的启动子（如 TATA box）。
2. DNA 局部解旋；RNA pol 5'→3' 合成 mRNA，按碱基配对（U 替 T）。
3. RNA pol 在终止子停下；mRNA 释放。
4. 转录后加工（仅真核）：5' 加帽、3' 加 poly-A 尾、剪接去除内含子并连接外显子。

5. 翻译

mRNA → 蛋白质。核糖体在胞浆中完成。

1. 起始：小亚基结合 5' 帽，扫描到 AUG（起始密码子）。起始 tRNA（携带蛋氨酸）与 AUG 配对。大亚基加入。
2. 延伸：tRNA 一个个带来氨基酸。每个 tRNA 的反密码子与 mRNA 密码子配对。核糖体催化相邻 tRNA 上氨基酸之间形成肽键（23S rRNA 中的肽基转移酶活性）。
3. 移位：核糖体沿 mRNA 移一个密码子，释放空 tRNA，露出下一个密码子。
4. 终止：到达终止密码子（UAA、UAG、UGA）。释放因子结合，多肽释放，核糖体亚基解离。

多个核糖体可同时翻译一条 mRNA — 称多聚核糖体。

6. 遗传密码特征

• 三联：每个密码子 3 个核苷酸 → 64 个可能密码子。
• 通用：几乎所有生物都用同一套。
• 简并：64 个密码子只编码 20 个氨基酸 → 多数氨基酸有多个密码子（同义），常仅在第 3 位不同（"摆动"）。
• 不重叠：密码子顺序读取，不重叠。
• 无逗号：密码子之间无分隔。
• AUG：起始密码子（也编码 Met）。
• 3 个终止密码子：UAA、UAG、UGA。

7. 基因表达调控

真核生物在多层次调控：

• 转录水平：启动子可及性（染色质重塑、DNA 甲基化、组蛋白乙酰化）。
• 转录后：可变剪接 — 同一基因可产生不同 mRNA。
• 翻译水平：mRNA 稳定性与翻译速率。
• 翻译后：蛋白折叠、修饰（磷酸化）、降解。

操纵子模型（仅原核）：一个启动子+操作子控制一组基因。例：E. coli 的 lac 操纵子 — 阻遏蛋白结合操作子，除非乳糖（诱导剂）存在。允许对环境变化高效响应。

8. 例题精讲

某细菌基因模板 DNA 链序列：3'-TAC GTA AAG CGC TCG ATT-5'。

(a) 写出从此链转录的 mRNA 序列。 (b) 找起始密码子并写出前 5 个氨基酸。 (c) 终止密码子在哪？

解答。

(a) 转录中 mRNA 5'→3' 与模板（3'→5'）互补，U 替 T。 模板：3'-T A C G T A A A G C G C T C G A T T-5' mRNA：5'-A U G C A U U U C G C G A G C U A A-3'

(b) 起始密码子：AUG（前 3 字母）。阅读框： AUG CAU UUC GCG AGC UAA

氨基酸：

• AUG → Met（起始）
• CAU → His
• UUC → Phe
• GCG → Ala
• AGC → Ser

(c) 末尾 UAA 是终止密码子 — 翻译在此终止。

9. 易错点

• 5'→3' 方向：DNA 聚合酶仅 5'→3' 合成；这就是为什么后随链需冈崎片段。方向搞反整个机制反过来。
• mRNA 与模板互补、与编码链相同：mRNA 与模板链互补，但与编码链相同（U 替 T）。
• 多聚核糖体混淆：多个核糖体在同一mRNA 上各自合成蛋白。不是多个 mRNA。
• 操纵子 vs 真核基因：操纵子是原核独有。真核单独基因调控（启动子+转录因子）。

10. 练习题

1. 画一个冈崎片段结构图，标出 RNA 引物、DNA 聚合酶 III 贡献、DNA 聚合酶 I 与连接酶作用位置。
2. 为什么 AUG 必须是起始密码子？若内部 AUG 突变为 AUA 会怎样？
3. 解释为何 E. coli 的 lac 操纵子在乳糖缺失时不转录，乳糖存在时转录。

11. 速查表

• DNA 复制：解旋酶、旋转酶、引物酶、DNA pol III（合成）、DNA pol I（移引物）、连接酶。半保留。前导链 + 后随链冈崎片段。
• 转录：RNA pol → mRNA，5'→3'。启动子、终止子。真核剪接内含子。
• 翻译：小亚基结合 AUG → tRNA 送氨基酸 → 形成肽键 → 移位 → 终止密码子 → 释放。
• 密码：三联、通用、简并、AUG 起始、UAA/UAG/UGA 终止。
• 调控真核：染色质、剪接、mRNA 稳定性、翻译后。原核：操纵子。

12. 下一步

核酸喂入 Topic 8（代谢） 中 ATP 合成（线粒体 DNA、线粒体核糖体）和 Topic 10（HL 遗传） 的遗传模式。具体转录/翻译题可问小欧。