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| 学科: 生物 年级：高三 |
| 版本：冲刺版 期数：2332
本周教学内容：专题二 生命物质与生命活动 |
【知识联系框架】
【重点知识联系与剖析】
一、糖类
1．糖类的功能
狭义的糖类是指单纯碳水化合物，元素组成是C、H、O。但在生物体内有许多糖类还与蛋白质和脂类结合在一起，形成糖蛋白和糖脂，在生物体内执行一些特殊的生理功能。糖蛋白和糖脂主要在生物膜上，特别是细胞膜，在细胞识别、免疫等方面有重要功能。
糖类的基本功能有两点：一是生命活动的主要能源物质，生物体进行生命活动的所需能量的70％以上是由糖类提供的；二是构成细胞和生物体的结构成分，如五碳糖是核酸的成分，纤维素是细胞壁的成分等。
2．糖类与光合作用和呼吸作用
植物进行光合作用的产物主要是葡萄糖，植物体内的物质代谢是以糖为基础进行的。叶绿体进行光合作用制造的葡萄糖可以合成蔗糖等二糖，运出叶绿体及叶肉细胞，为植物体的其他器官提供能源和原料；也可以在叶绿体中合成淀粉，暂时贮存起来。叶片在光下一段时间后，可以用碘检测到淀粉的存在。
呼吸作用最常利用的底物是葡萄糖，淀粉、糖元必须水解成葡萄糖或磷酸葡萄糖后才能被呼吸作用利用。
3．动物体内的糖代谢及其调节
以哺乳动物为例，动物体内的糖代谢及其调节过程可归纳为下图。
哺乳动物体内的糖代谢是以血糖为中心展开的。血糖的来源：①食物中的淀粉通过消化道消化吸收来的，这是血糖来源的主要途径；②通过肝糖元分解成葡萄糖释放到血糖中形成血糖，这个过程一般发生在饥饿条件下；③蛋白质和脂肪的转化，蛋白质转化成血糖必须通过脱氨基实现，这个过程只有在糖类供应严重不足的情况下才会发生。血糖的主要代谢去向是：①血糖通过血糖循环运到各组织细胞，被彻底氧化分解成CO2和H2O，同时释放出能量供生命活动之需，这是血糖的主要代谢去向；②血糖可以转化成糖元，在肝脏中转化成肝糖元，肌肉组织中转化成肌糖元，肝糖元可以转化成血糖，但肌糖元不可以转化成血糖，而直接被肌细胞所氧化分解提供能量；③血糖可以转化成蛋白质和脂肪，血糖转化成蛋白质必须要有N源，即必须要有氨基，利用糖代谢中的中间产物通过转氨基作用合成新的氨基酸。
以哺乳动物为例，血糖的浓度稳定在0.1％（质量分数），换算成物质的量为 5．6mmol/L。参与血糖浓度调节的激素主要有两种：胰岛素和胰高血糖素。胰岛素是由胰岛中的B细胞分泌的，胰岛素是由含51个氨基酸的两条肽链构成的蛋白质，功能是：促进血糖合成糖元，促进血糖分解，总的效应是降低血糖浓度。胰高血糖素是由胰岛的A细胞分泌的，作用是：抑制糖元的合成，促进糖元分解，升高血糖浓度。当血糖浓度高于0.1％时，反馈性促进胰岛的B细胞分泌胰岛素，抑制A细胞分泌胰高血糖素，促进血糖转变成糖元或被分解，降低血糖浓度。当血糖浓度低于0．1％时，反馈性地抑制胰岛B细胞分泌胰岛素，促进A细胞分泌胰高血糖素，达到升高血糖的目的。如下图所示。
血糖浓度、胰岛素和胰高血糖素之间的相对变化关系
在人体内，血糖浓度必须保持相对的稳定，如果血糖浓度过低，人体各组织、器官的能源供应不足就会出现代谢障碍，极端的例子就是低血糖休克。低血糖导致休克的原因是：人体的神经组织，特别是脑和脊髓几乎不贮存糖类（能源物质）,必须通过血液源源不断地提供给神经组织。血糖浓度过低，能源供应不足是导致低血糖休克的主要原因。对低血糖休克病人抢救治疗最有效的措施是注射葡萄糖注射液。如果血糖浓度过高，会导致人的尿液中含有葡萄糖，这是糖尿病人的典型症状。原因是：肾脏的肾小球对血糖过滤后形成原尿，原尿的成分与血浆是基本相同的，如果血糖浓度过高，原尿中的葡萄糖浓度也相应增高，当超过了肾小管对葡萄糖的重吸收能力后，就会有一部分葡萄糖未被吸收而进入尿液。由于尿液中有葡萄糖，使尿液的渗透压增高，会减少肾小管对水的重吸收，所以糖尿病人的症状之一是尿多。引起糖尿病的主要原因之一是胰岛合成和分泌胰岛素减少或停止分泌引起的。糖尿病是一种多基因遗传病，在一定的外界诱发因素作用下，就很容易发病。节制饮食是预防和控制糖尿病的有效措施。
二、脂类
1．脂类的元素组成、种类及功能
脂类的元素组成是C、H、O，有些脂类还含有少量的N和P。脂类的种类及功能见下表。
| 种 类 | 功 能 | 备 注 | |
| 脂 肪 | 贮存能量，保温 | 贮备能源，贮存在皮下、肠系膜等处 | |
| 类脂 | 主要是磷脂 | 是组成细胞膜的成分 | 神经组织、卵和大豆中含量较多 |
| 固醇类 | 胆固醇 | 是生物膜的组成成分之一，对维持膜的正常的流动性有重要作用 | 胆固醇在人体有一个正常含量，过高会导致血管硬化、高血压等 |
| 性激素 | 促进生殖胞的形成和生殖器官的发育，激发并维持第二性征 | 有雌性激素和雄性激素二类，雌性激素由卵巢分泌，雄性激素由睾丸分泌 | |
| 维生素D | 促进小肠对钙和磷的吸收和利用VD可预防和治疗佝偻病、骨质蔬松症等 | 人的皮肤的表皮中有7—去氢胆固醇，在紫外线照射下，通过酶的作用可转化成VD | |
2．脂肪的代谢
食物中的脂肪在消化道内通过胆汁的乳化和脂肪酶的催化下分解成甘油和脂肪酸，经扩散的形式被小肠绒毛上皮细胞吸收后，在上皮细胞内再合成脂肪，与载脂蛋白结合后和类脂、胆固醇混合后一起进入毛细淋巴管，通过淋巴循环进入血液循环，最后输送到各部分组织。脂类物质进人生物体内后的代谢去向：一是参与构成动物体的组织，如磷脂是生物膜的组成成分；二是作为备用物质贮存在皮下、肠系膜、大网膜等处；三是在需要的情况下，可再分解甘油、脂肪酸等，然后直接分解为CO2和H2O，或者转化成肝糖元等；四是被各种腺体利用来生成各自的特殊分泌物，如皮脂腺分泌的皮脂、乳腺所生成的乳汁等、内分泌腺分泌的各种类固醇激素等。
三、蛋白质
1．氨基酸的分子结构和性质
构成蛋白质的氨基酸都是2-氨基酸，通式是：
氨基酸分子的性质是氨基酸分子上的氨基(NH2-)和羧基（一COOH）决定的，氨基酸是两性化合物，氨基是碱性的，羧基是酸性的。构成蛋白质的氨基酸有20种，20种氨基酸的不同之处是R基的不同。即20种氨基酸就有20种不同的R基。如果R基上带有氨基，称为碱性氨基酸。
2．蛋白质的分子结构及其性质
蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键连接起来的高分子化合物。缩合反应是指一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸分子的氨基相连接，同时失去一分子水，形成一个肽键的反应。反应方程式是：
缩合反应在化学上称为缩聚反应，在细胞内进行的场所是核糖体，而且是在mRNA的指导下，有tRNA参与才能完成。多肽是由多个氨基酸分子缩合而成的含有多个肽键的化合物。肽链通过R基与R基之间的相互作用形成一定的空间结构。一个执行特殊生理功能的蛋白质可以是由一条肽链组成（如生长激素是由191个氨基酸组成的一条肽链），也可以是由多条肽链组成（如胰岛素是由51个氨基酸、2条肽链组成的，血红蛋白是由574个氨基酸、4条肽链组成的）。
蛋白质分子中肽键数目的计算：设氨基酸数目为n，肽链数为a,肽键数目为b。则b＝n－a.
蛋白质分子结构的多样性主要从4个层次加以理解：一是构成蛋白质分子的氨基酸种类不同；二是组成每种蛋白质分子的氨基酸数目不同；三是氨基酸的排列顺序不同；四是由于前三项造成蛋白质分子的空间结构不同。蛋白质分子结构的多样性实际是由DNA分子结构的多样性决定的。
多肽是链状结构，一端游离着一个氨基，另一端游离着一个羧基，所以蛋白质分子也是两性化合物。
蛋白质分子的空间结构不是很稳定的，蛋白质在重金属盐（汞盐、银盐、铜盐）、酸、碱、乙醇、尿素、鞣酸等的存在下，或热至70℃～100℃，或在X射线、紫外线等射线的作用下，其空间结构发生改变和破坏，导致蛋白质变性，使蛋白质的生物活性丧失，如酶失去催化能力、血红蛋白失去输氧能力等。在发生的变性过程中不发生肽键的断裂和二硫键破坏，主要发生氢键、疏水键的破坏，使肽链的有序的卷曲、折叠状态变为松散无序。蛋白质变性后溶解度降低，失去结晶能力，并形成沉淀。蛋白质的变性具有不可逆性。
3．蛋白质分子的生物合成及其代谢
在细胞及生物体内，蛋白质的合成是在DNA（基因）的控制之下，必须经过转录和翻译才能完成。转录的场所一般是在细胞核中进行（线粒体和叶绿体中也有转录过程，原核生物无核，只能在细胞质中进行）,转录的过程是：基因中的一段DNA分子首先解旋，然后按照碱基互补配对原则，以其中的一条链为模板合成RNA，这样遗传信息就转换成遗传密码，带有遗传密码的RNA称为mRNA。翻译是在细胞质的核糖体上进行的，mRNA转录完成后通过核孔进人细胞质中与核糖体结合。核糖体与mRNA结合的第一个位点是AUG，这是起始密码。然后tRNA携带特定的氨基酸，其一端的3个碱基与mRNA对应的碱基配对。mRNA上3个相邻的碱基决定一个氨基酸，这3个相邻的碱基称为密码子。与mRNA上AUG配对的tRNA运载的氨基酸是甲硫氨酸，接着各种tRNA携带着特定的氨基酸依次与mRNA上对应的密码子配对。在核糖体上相邻的tRNA携带的氨基酸，在相关酶的催化下缩合形成肽键，同时产生一分子水。当翻译到一定的时候，mRNA上出现 UAG、UAA、AGA时，由于这 3组碱基没有与之对应的 tRNA配对，翻译到此结束，所以这 3组碱基组合称为终止密码。按照基因控制蛋白质的合成过程，任何一个蛋白质分子的多肽键上的第一个氨基酸都是甲硫氨酸，但事实并非如此。原因是翻译成的多肽链是一个初级产品，还要经过一定的修饰，加工才能成为能够执行一定生理功能的蛋白质。在绝大部分的蛋白质分子中，肽链上的第一个氨基酸不是甲硫氨酸，因这个氨基酸在蛋白质分子的修饰加工过程中被修饰掉了。
在人体内蛋白质的代谢是以氨基酸为中心进行的。内环境中的氨基酸的来源主要有3条：一是消化吸收来的；二是通过转氨基作用从糖类转变而来的；三是体内蛋白质分解。内环境中的氨基酸的代谢去向主要也有3个：一是合成新的蛋白质；二是通过转氨基作用转变成其他的氨基酸；三是经脱氨基作用分解。在蛋白质代谢过程中，氨基酸经脱氨基作用形成的含N部分是NH3，NH3对人体是有毒的，但在肝脏中通过肝脏的解毒作用转变成尿素，尿素基本对人体无害，再通过循环系统运至肾脏，以尿液的形式排出体外，或运至皮肤的汗腺以汗液的形式排出体外。
物质代谢包括糖类代谢、蛋白质代谢和脂肪的代谢。这三类营养物质的代谢枢纽是呼吸作用，主要是通过呼吸作用的中间产物，如丙酮酸、乙酰辅酶A、柠檬酸等中间产物。糖类转变成蛋白质必须通过转氨基作用，将氨基转移给糖代谢的中间产物就能产生新的氨基酸，如将氨基转给丙酮酸即为丙氨酸，在人体能够合成的氨基酸称为非必需氨基酸，共有12种，还有8种在人体内不能合成，必须从食物中得到的氨基酸称为必需氨基酸，如赖氨酸、色氨酸等。蛋白质转变成糖类必须经过脱氨基作用，形成的不含氮部分才能转变成糖类。糖类转变成脂肪必须通过乙酰辅酶A，脂肪转变成乙酰辅酶A后才能进人呼吸作用，继而再转变成糖类和蛋白质。
4．蛋白质分子的功能
蛋白质分子结构具有多样性就决定了蛋白质分子具有多种重要的生理功能，在高中生物教材上将其归纳为2点：一是有些蛋白质分子是构成细胞和生物体的重要物质，如人和动物肌肉中的蛋白质，输送氧气的血红蛋白等；二是有些蛋白质是调节细胞和生物体的新陈代谢作用的重要物质，如调节生命活动的许多激素是蛋白质，催化新陈代谢各种化学反应的酶是蛋白质等。对教材进行综合分析后，可以总结出蛋白质的功能有下列五点：①组成细胞的结构成分，如细胞膜中的蛋白质，染色体中的蛋白质，肌肉细胞中的蛋白质，红细
胞中的血红蛋白等；②运输功能，如细胞膜上的载体蛋白、运输氧气的血红蛋白等；③催化功能，如催化各种生化反应的酶等；④调节功能，如生长激素、胰岛素等激素；⑤免疫功能如B淋巴细胞受到抗原刺激后产生的抗体是蛋白质，具有与特异性的抗原结合，从而达到清除抗原的目的。
酶是蛋白质，也是催化剂。酶作为催化剂具有一般无机催化剂所具有的一切特点，如只改变反应速度，不改变反应平衡，能够降低反应物的活化能，促进反应的进行，但自身不被消耗掉等。酶是生物催化剂，除了具有一般的无机催化剂的特点外，还具有生物催化剂所特有的特点，如专一性、高效性、多样性和易受pH值和温度的影响。
酶的专一性是指一种酶只能催化一种物质或同一类物质的化学反应。酶促反应的专一性与酶是蛋白质的结构有关，每种蛋白质都有特定的空间结构，酶催化反应时，酶蛋白分子首先与底物分子结合，但酶分子与底物分子能否结合，取决于酶分子的活性部位与底物分子在空间构象上是否对应，如下图。蛋自质分子结构具有多样性，所以酶也具有多样性，在生物体内存在着许许多多酶，催化着生物体内各种各样的生物化学反应，所以酶具有多样性的特点。
酶—底物相互作用的“钥匙与锁”模型
影响酶促反应的因素主要是温度和pH值。酶是蛋白质，蛋白质的分子结构和功能状态要受温度和pH值的影响。温度对酶的影响是：在较低温度时，随着温度的升高，酶的活性也逐渐提高，达到最适温度时，酶的催化能力最高，但高于最适温度后酶的催化能力会迅速下降，最后完全失去催化能力，其原因是低温不破坏蛋白质的分子结构，高温会导致蛋白质分子发生热变性，而蛋白质的变性是不可逆的，如下图A所示，所以在最适温度两侧的曲线是不对称的。pH值对酶的影响是：酶的催化能力的发挥有一个最适pH值，在低于最适pH值时，随着pH值的升高，酶的催化能力也相应升高，高于最适pH值时，随着pH值的升高，酶的活性逐渐下降，在最适pH值两侧的曲线基本是对称的，如下图B。酶的催化能力与时间也有关系：即使在最适温度和pH值的条件下，酶的催化能力也不是一成不变的，酶在“工作”了一段时间后会发生钝化现象，即催化能力开始下降，最后失去催化能力，因为任何蛋白质分子都有一定的寿命，如下图C。这些严重钝化或失去催化能力的酶在细胞中水解酶的作用下会被分解成氨基酸，氨基酸可以再度合成蛋白质。酶促反应的速度与底物的浓度也有关系：在酶量一定的条件下，在一定范围内会随着底物浓度的增加，反应速度也增加，但底物达到一定浓度后也就不再增加了，原因是酶饱和了，如下图D曲线所示。
有些酶纯粹是由蛋白质构成的，称为单酶，如胃蛋白酶。有些酶除蛋白质外还含有非蛋白部分，或者还需要一些其他物质的参与才能发挥作用，这样的酶称为复酶，其中非蛋白部分称为辅助因子。辅助因子有一些是简单的离子，如：Cl-是唾液淀粉酶的辅助因子；Mg2+是参与葡萄糖降解的一些酶的辅助因子；Fe2+是氧化物酶的辅助因子；Cu2+是细胞色素酶等的辅助因子等。有些离子与底物和酶结合起来使酶分子的构象稳定，从而保持其活性；有些离子是酶促反应的作用中心。有些辅助因子是有机化合物，特称为辅酶，如B族维生素就是一种羧化酶的辅酶等。
5．蛋白质代谢
蛋白质代谢可用下图表示。
蛋白质代谢的过程：一般以内环境或血浆中的氨基酸为中心讲述蛋白质代谢的过程。
(1）体内氨基酸的代谢变化
①用来合成各种组织蛋白质。体内的氨基酸用来合成各种组织蛋白质是一条主要的代谢途径。如合成红细胞中的蛋白质、肌肉细胞中的肌球蛋白和肌动蛋白等。
②合成具有一定生理功能的蛋白质。在合成的新的蛋白质中，除了各处组织蛋白质外，还能合成各种具有一定生理功能的特殊蛋白质。如肝细胞能够合成血浆蛋白中的纤维蛋白原和凝血酶原等；消化腺上皮细胞能够合成消化酶；某些内分泌细胞能够合成蛋白质类激素，如垂体等；某些白细胞还能合成抗体。
③通过转氨基作用合成新的氨基酸。在人体内参与蛋白质构成的氨基酸共有20种，根据人体自己能否合成分为两类，一类是非必需氨基酸，这类氨基酸能够通过转氨基作用合成，合成时所需要的原料主要来自两个方面：一是糖代谢的中间产物，即葡萄糖在有氧呼吸过程产生的中间产物；二是体内必须要有多余的氨基酸提供氨源。转氨基作用即通过转氨酶的作用，将一种氨基酸上的氨基转移给糖代谢的中间产物，形成另一种新的氨基酸。如谷氨酸和丙酮酸在谷丙转氨酶的催化下，谷氨酸的氨基转移给丙酮酸，生成丙氨基和另一种酮酸(a-酮戊二酸)。另一类是必需氨基酸，这类氨基酸不能在人和动物细胞内合成，只能从食物中得到补充，必需氨基酸共有8种：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸和缬氨酸。
④通过脱氨基作用分解氨基酸。在人体内总有一部分氨基酸被彻底分解掉，分解氨基酸首先要通过脱氨基作用，将氨基酸分解成两个部分：含N和不含N部分。含N部分是氨基（-NH3，氨基很容易在体内形成NH3，NH3对人体是有毒的，但在肝脏中，在消耗ATP的情况下与CO2生成尿素，尿素的毒性比NH3要小得多，这是生物对环境的一种适应。肝脏中生成的尿素通过血液循环运输到肾脏，通过肾脏的泌尿过程形成尿液排出体外。不含N的部分是一条碳链，可以被彻底氧化分解成CO2和H2O，同时释放能量，也可以合成为糖类和脂肪。
(2)内环境中氨基酸的来源
①食物中的蛋白质经消化吸收后进入内环境。这是体内氨基酸来源中最主要的一条途径。
②体内蛋白质的分解。在动物和人体内，每天都要更新大量的蛋白质，这些被更新的蛋白质最初分解成氨基酸，这些氨基酸中的大部分被重新用来合成新的蛋白质，只有一小部分通过脱氨酸作用分解掉。所以体内被更新的蛋白质被分解成氨基酸，是内环境中氨基酸的另一个重要来源。
③合成一些非必需氨基酸。通过转氨基作用可以合成一些非必需氨基酸，也是内环境中氨基酸的一种来源。但这个过程不会使体内氨基酸的总数增加，因这个过程是合成一个新的氨基酸必须分解一个其它的氨基酸。但转氨基作用在人及动物体内具有非常重要的生理意义。在食物中的蛋白质中，各种氨基酸的比例不一定与人及动物体的需要相一致，某种氨基酸特别多一些，而另一种氨基酸却相对少一些，通过转氨基作用就可以将特别多的这种氨基酸的氨基转移到另一种化合物上合成一种相对少一些的氨基酸，使人及动物体尽可能地提高对食物中蛋白质的利用率。
6．蛋白质分子的进化
比较不同生物体内执行相同生理功能的蛋白质分子的结构是确定生物之间亲缘关系的常用方式，被称为生物进化分子生物学方面的证据。如细胞色素C普遍存在于动植物的线粒体中，它是由104个氨基酸组成的一种呼吸色素，近年来，对不同物种的细胞色素C的氨基酸排列顺序进行了测定，其结果见下表
不同物种的细胞色素C中的氨基酸差异
| 生物名称 | 黑猩猩 | 猕猴 | 马 | 鸡 | 果蝇 | 小麦 | 酵母菌 | 红螺菌 |
| 与人类氨基酸差异数 | 0 | 1 | 12 | 13 | 27 | 35 | 44 | 65 |
这种在同一种蛋白质分子中氨基酸分子差异数越小，亲缘关系就越近，反之则越远。科学家估计，蛋白质分子的进化速度大约每2000万年蛋白质分子中有1％的氨基酸发生替换。从对细胞色素C的研究结果看出，人与黑猩猩的亲缘关系最近，从共同的祖先分化成两个物种的时间还不到2000万年，而人和黑猩猩与猴子发生分歧的时间大于2000万年。
四、核酸
1．核苷酸的分子结构及其性质
构成核酸的基本单位是核苷酸，一个核苷酸分子包括3个部分；一分子磷酸、一分子五碳糖和一分子含氮碱基。核苷酸分两大类共8种：核糖核苷酸有4种，主要是碱基有4种，它们是A、U、C、G；脱氧核糖核苷酸也有4种，主要是碱基有4种，它们是A、T、C、G。核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸分子结构的区别主要是五碳糖的不同，以腺瞟呤核糖核苷酸和腺瞟呤脱氧核糖核苷酸为例，它们的分子结构式如下：
2．DNA是遗传物质的证据
自从20世纪初分析出了染色体的成分后，DNA是遗传物质还是蛋白质是遗传物质就成了科学家们争论的焦点，DNA在染色体的含量比较稳定不能说明遗传物质肯定就是DNA。生物学家设计了很多实验来证明遗传物质到底是DNA还是蛋白质的实验，其中最为经典的一个实验便是高中生物教材上介绍的噬菌体侵染细菌的实验。噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒，是由一个蛋白质构成的多面体的外壳和一个DNA芯子组成，噬菌体在侵染细菌时通过电镜观察和同位素示踪等方法，证明侵人细菌内部的是DNA，蛋白质的外壳则留在细菌的外面，从而确定噬菌体的性状是由噬菌体的DNA控制的，而不是蛋白质控制的。
DNA是遗传物质的另一个证据是细菌转化实验。转化是指一种生物由于接受了另一种生物的遗传物质（DNA或RNA）而表现出后者的遗传性状，或发生遗传性状改变的现象。细菌转化实验证明肺炎双球菌的荚膜这一性状是由DNA控制的，不是由蛋白质控制的。
3．DNA的分子结构、DNA的复制和基因突变
构成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸，许许多多脱氧核苷酸通过一定的化学键连接起来形成脱氧核苷酸链，每个DNA分子是由两条脱氧核苷酸链组成。DNA分子结构的特点是：①DNA分子的基本骨架是磷酸和脱氧核糖交替排列的两条主链；②两条主链是平行但反向，盘旋成的规则的双螺旋结构，一般是右手螺旋，排列于DNA分子的外侧；③两条链之间是通过碱基配对连接在一起，碱基与碱基间是通过氢键配对在一起的，其中A与T以2个氢键相配对，C与G之间以3个氢键配对。所以在一个DNA分子中，G和C的比例较高，则该DNA分子就比较稳定。
DNA分子结构具有相对的稳定性是由两个方面决定的。一是基本骨架部分的两条长链是由磷酸和脱氧核糖相间排列的顺序稳定不变；二是空间结构一般都是右旋的双螺旋结构。DNA 分子的多样性是由碱基对的排列顺序的多样性决定的。DNA分子的特异性是指对于控制某一特定性状的DNA分子中的碱基排列顺序是稳定不变的，如控制合成唾液淀粉酶的基因中，不论是何人，这段DNA分子中的碱基排列顺序是稳定不变的。
DNA复制的场所主要在细胞核，时间是细胞分裂间期。但在细胞质中也存在着DNA复制，如线粒体和叶绿体中的DNA也要复制，而且这些DNA复制的时间不一定在细胞分裂的间期。DNA复制的特点有两点：边解旋边复制和半保留复制。半保留复制是指：新复制出的两个DNA分子中，有一条链是旧的，即原来DNA的；另一条链是新合成的。半保留复制的特点常被用于计算新链和旧链在复制若干代后所占的比例，详见后面的例题。DNA复制需要满足4项基本条件：①模板：开始解旋的DNA分子的两条单链；②原料：是游离在核液中的脱氧核苷酸；③能量：是通过水解ATP提供；④酶：酶是指一个酶系统，不仅仅是指一种解旋酶。能够保证复制时正确无误，有二个原因：①模板是精确的；②碱基互补配对是严格的。
复制是严格的，在正常情况下是不会发生差错的。但在内外因素的干扰下，也有可能在复制时发生差错，从而导致基因突变的发生。根据这个原理，有人为因素（适宜剂量的各种射线或某些化学药品）干扰DNA的复制，促使其产生基因突变。基因突变是不定向的，人为条件只是提高基因突变的频率，但不能控制基因突变的方向。
4．RNA的分子结构及其转录
RNA分子是许许多多核糖核苷酸分子连接而成的链状结构。RNA分子都是单链的。根据RNA分子功能的不同，分为3种类型：信使RNA（mRN A）、转运RNA（tRNA）和核糖体RNA（rRNA）。mRNA的功能将基因中的遗传信息传递到蛋白质上；tRNA的功能是识别遗传密码和运载特定的氨基酸；rRNA是核糖体中的RNA，在蛋白质合成的过程中起重要的作用（具体不作要求）。 mRNA的空间结构是链状的；tRNA的空间结构是呈三叶草形，如下图所示，tRNA一端大环上的3个碱基能够与mRNA的密码子配对，识别密码子，所以这3个称为反密码子；mRNA具有特定的空间结构，是核糖体的核心部位。RNA都是从DNA上转录下来的。转录的场所是在细胞核，其中合成rRNA是在细胞核中的核仁部位完成的，核仁是形成核糖体的场所。mRNA和tRNA是在细胞核中核仁以外的部位转录的。转录是以DNA分子中（基因中）的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成RNA的过程。
5．遗传信息和遗传密码
遗传信息是指基因中的脱氧核苷酸排列顺序或碱基的排列序列，位置在DNA分子上。一般认为遗传信息在有遗传效应的一段DNA分子的一条链上，称为信息链。信息链是指与模板链互补的这条链，模板链上的碱基序列不代表遗传信息。以模板转录成mRNA，mRNA上的碱基排列顺序称为遗传密码，所以经过转录后，遗传信息就转化成遗传密码。遗传密码的位置在mRNA，mRNA上相邻的3个碱基决定一个氨基酸，这3个相邻的碱基称为密码子。遗传密码现已查明，共有64个密码子，其中有61个有效密码子，代表着20种氨基酸。每种氨基酸的密码子数目差别很大，有些氨基酸有几种密码子，如亮氨酸一共有6个密码子(UUA、 UUG、CUU、CUG、CUA、CUC)，而甲硫氨酸只有一个密码子（AUG）。在地球上，除极少数的生物（如某些原核生物有小部分不同）外，遗传密码是通用的，这说明地球上的所有生物都是由共同的祖先进化而来的。
6．信息流和中心法则
中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译的过程，以及遗传信息从DNA传递给DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制（如烟草花叶病毒等）和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程（某些致癌病毒）是对中心法则的补充。RNA的自我复制和逆转录过程，在病毒单独存在时是不能进行的，只有寄生到寄主细胞中后才发生。逆转录酶在基因工程中是一种很重要的酶，它能以已知的mRNA为模板合成目的基因。在基因工程中是获得目的基因的重要手段。
7．基因的结构
一、原核细胞的基因结构
原核细胞的基因是由成百上千个核苷酸对组成的。组成基因的核苷酸可以分为不同的区段。在基因表达的过程中，不同区段所起的作用并不相同。有的区段能够转录为相应的mRNA，进而指导蛋白质的合成，也就是说能够编码蛋白质，这样的区段叫做编码区。有的区段不能转录为mRNA，也就是说不能编码蛋白质，这样的区段叫做非编码区。非编码区是由编码区上游和编码区下游的 DNA序列组成的。非编码区虽然不能编码蛋白质，但是对于遗传信息的表达是不可缺少的。这是因为在非编码区上，有调控遗传信息表达的核苷酸序列。
二、真核细胞的基因结构
真核细胞的基因也是由编码区和非编码区两部分组成的，在非编码区上，同样有调控作用的核苷酸序列，但是真核细胞的基因结构要比原核细胞的基因结构复杂。与原核细胞比较，真核细胞基因结构的主要特点是：编码区是间隔的、不连续的。也就是说，能够编码蛋白质的序列被不能够编码蛋白质的序列分隔开来，成为一种断裂的形式。其中，能够编码蛋白质的序列叫做外显子，一般不能够编码蛋白质的序列叫做内含子。
三、基因工程
基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。这种技术是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪接”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。
基因工程的第一步是获得符合人类意愿的基因“目的基因”，常用的工具酶是限制性内切酶，限制性内切酶的种类很多，但一种限制性内切只能识别一种特定的核苷酸序列，并且在特定切点上切割DNA分子，如从大肠杆菌中发现的一种限制性内切酶只能识别GATTC序列，并在G和A之间将这段序列切开。直接分离基因的最常用的方法是“鸟枪法”即用限制性内切酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA（外源DNA）的所有片段分别在各个细胞中大量复制，从中找出含有基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。这种方法的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。在获取真核细胞中的DNA时，“鸟枪法”就不太适用了，原因是真核细胞的基因含有不表达的DNA片段，不能直接用于基因的扩增和表达，所以在获取真核细胞中的基因时，常用的方法是人工合成基因的方法。人工合成基因的方法主要有两条途径：一是以目的基因转录成的mRNA为模板，逆转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因；二是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的 mRNA序列，然后按碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学的方法，以单核苷酸为原料合成目的基因，如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就是通过这种方法获得的。
基因工程的第二步是把目的基因接到某种运载体上，常用的运载体是能够和细菌共生的质粒等，具体做法是：先用限制性内切酶切断目的基因，使其产生相同的黏性末。将切下的目的基因的片段插入到质粒的切口处，现再加人适量的DNA连接酶，质粒的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端就会因碱基配对而结合，形成一个重组DNA分子。如人的胰岛素基因质粒的结合就是通过这种方式实现的。
基因工程的第三步是通过运载体把目的基因带入某生物体内，并使它得到表达。在基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌、动植物细胞等。目的基因导入受体细胞后，就可以随着受体细胞的繁殖而复制。
基因工程的第四步是目的基因的检测和表达。在基因工程的前三步完成后，在全部受体细胞中，真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞是很少的。因此，必须通过一定的手段对细胞中是否导入了目的基因进行检测。检测的方法有很多种，如大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体是否具有青霉素抗来判断受体细胞是否获得了目的基因。
【经典例题解析】
【例题1】 下列各项中与蛋白质作用无关的是（ ）
A．催化与调节 B．运动 C.运送物质 D．贮存遗传信息
【解析】 酶是活细胞产生的一类具有催化能力的特殊的蛋白质，有许多激素（如胰岛素、生长激素等）也是蛋白质，所以A是正确的；肌肉细胞中有肌动蛋白和肌球蛋白，通过肌动蛋白和肌球蛋白之间的滑动使肌细胞产生运动，细胞膜的载体蛋白在运载物质时也会产生运动，所以B也是对的；细胞膜上的载体是蛋白质，其作用是运输细胞要选择吸收的离子或小分子物质，红细胞中的血红蛋白的功能是运输氧气，所以C也是对的；贮存遗传信息只有DNA担当此功能，蛋白质无此功能，所以D与蛋白质作用无关。
【答案】 D
【例题2】 脂类物质在细胞中具有独特的生物学功能，下面是有关脂类物质的生物学功能中，属于磷脂的生物学功能的是（ ）
①生物膜的重要成分②贮存能的分子③构成生物体表面的保护层④很好的绝缘体，具有保温作用⑤具有生物学活性对生命活动起调节作用
A．①③ B．⑤ C．① D．②④
【解析】 磷脂的生物学功能主要是构成生物膜的成分。脂肪的生物学功能是贮存能量和具有保温、缓冲等作用。固醇类物质的生物学功能是对生命活动起调节作用。构成生物体表面保护层的是磷脂，属于脂类但不是磷脂，如植物体的果实、叶片等表面。
【答案】 C
【例题3】 下图表示一个反应过程，图中的黑球表示两个相同的单糖，则图中的A、B、C分别表示（ ）
A．淀粉、淀粉酶、葡萄糖 B．麦芽糖、麦芽糖酶、葡萄糖
C．蔗糖、蔗糖酶、果糖 D．乳糖、糖酶、葡萄糖
【解析】 详见本专题“重点知识联系与剖析”。
【答案】B
【例题4】 [2001年全国高考理科综合（天津、山西）卷]种子萌发的需氧量与种子所贮藏有机物的元素比例有关，在相同条件下，消耗同质量的有机物，油料作物种子（如花生）萌发时需氧量比含淀粉多的种子（如水稻）萌发时的需氧量（ ）
A.少 B.多 C.相等 D.无规律
【解析】 这是一道涉及到生物与化学知识的综合性题目，重点考查学生综合应用知识的能力，对考生的认知层次要求很高，估计难度系数在0．45～0．50之间。呼吸作用的底物通常是葡萄糖，但脂肪、蛋白质水解后的产物也可以作为呼吸作用的底物。淀粉水解的产物是葡萄糖，以葡萄糖作为呼吸作用的底物进行有氧呼吸的反应式为：C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+能量，从反应式可看出吸收一个O2，放出一个CO2即释放的CO2和吸收的O2之比为1。油料作物种子的主要贮存物质是脂肪，水解后的产物是甘油和脂肪酸，以脂肪酸中的硬脂酸作为呼吸作用的底物为例，进行有氧呼吸的反应式为：CH3（CH2）16COOH＋26O2→18CO2+18H2O+能量。由反应式可知：释放的CO2比吸收的O2少，即释放的CO2和吸收的O2之比为 0．69。由此可以得出结论：油料作物种子在萌发时吸收的氧气量比含淀粉多的种子萌发时吸收的氧气多。本题也可以通过所学的化学知识，直观地得出结论，糖类是碳水化合物，C／O比一般为1，氧化时释放一个 CO2只需要一个O原子即可；脂肪分子上一般都有很长的烃链，C／O比一般远大于1，所以氧化时释放一个CO2需要超过一个O原子的量。由于脂肪中的C／O比比糖类高，所以同质量的脂肪和糖类中的碳原子数是脂肪比糖类多，因此同质量的脂肪和糖类被氧化分解所需的O2，脂肪大于糖类。
【答案】 B
【例题5】 人的一种凝血因子的基因有372000个碱基，能够编码2552个氨基酸，试计算凝血因子基因中外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例，从这个比例中可以得出什么结论？
【解析】 此题有一个跳跃即基因→氨基酸，这中间跳过了mRNA。因此应注意基因中6个碱基对应一个氨基酸。在基因中有编码区和非编码区，蛋白质是由编码区中的外显子所编码的，此外应注意题目中的问法“碱基对”，应考虑基因的化学本质是DNA。因此外显子的碱基对含量的
×100％=4％。该基因中有那么多的减基而外显子的碱基只占这么小，不能编码蛋白质的碱基很多，说明了基因编码出蛋白质的过程是非常复杂的——功能复杂性。
【答案】 4％，在真核细胞中，编码序列在整个基因中所占的比例较小，而调控序列所占的比例较大。说明了真核细胞基因结构及其功能的复杂性。
【例题6】 (1999年上海高考试题)含有32P或31P的磷酸，两者化学性质几乎相同，都可参与DNA分子的组成，但32P比31P质量大。将某哺乳动物的细胞放在含有31P磷酸的培养基中，连续培养数代后得到GO代细胞。然后将GO代细胞移到含有32P磷酸的培养基中培养，经过第l、2次细胞分裂后，分别得到G1、G2代细胞。再从GO、G1、G2代细胞中提取出DNA，经密度梯度离心后得到结果如下图所示。由于DNA分子质量不同，因此在离心管内的分布不同。若①、②、③分别表示轻、中、重3种DNA分子的位置，请回答：
(1)G0、G1、G2三代 DNA分子离心后的试管分别是图中的：
GO_____________；G1__________；G2___________。
(2)G2代在①、②、③三条带中DNA数的比例是_________________________。
(3)图中①、②两条带中DNA分子所含的同位素磷分别是：条带①_____________，条带②_________________。
（4）上述实验结果证明DNA的复制方式__________。DNA的自我复制能使生物的_______保持相对稳定。
【解析】 本题考查学生对DNA分子结构、DNA分子半保留复制和DNA复制与细菌繁殖关系等知识的掌握，同时也联系到了同位素方面的有关物理和化学方面的知识.32P是31P的同位素，分子量要比31P大，所以32P-DNA分子在质量上比31P－DNA分子要重。而一条链为32P和另一条链为31P的DNA分子在质量上介于两者之间。如果把这3种DNA的氯化铯溶液置于离心管中进行高速离心，利用高加速度,能把这3种DNA分子彼比分开。32P-DNA分子最重，在试管的最下部；31P-DNA分子最轻，在试管的最上部；一条链含31P，另一条链含32P的DNA分子质量居中，位于试管的中间，GO代细胞是在31P的培养基中培养了若干代后得到的细胞，其中的DNA分子上均有31P，经密度梯度离心后应在试管的最上部。GO代细胞在含32P的培养基上培养一代，得到的G1细胞，由于复制是半保留复制，其中的DNA分子中一条链上含31P，另一条链上含有32P，这样的DNA分子经密度梯度离心后，应在试管的中部。GO代的一个细胞培养到第二代，应有4个细胞，其中2个细胞的DNA分子中一条含有31P，另一条链含有31P，另2个细胞的DNA分子中均为32P。所以提取G2代的细胞的DNA分子，经密度梯度离心后，其中的DNA分子有一半在试管的中部，另一半在试管的下部。
【答案】 （1）A B D （2）0∶1∶1 （3）31P 31P32P （4）半保留复制 遗传特性
【例题7】 胰岛素分子是一种蛋白质分子，现有如下材料：
①胰岛素含有2条多肽链，A链含有21个氨基酸，B链含有30个氨基酸，2条多肽链间通过2个二硫键（二硫键是由2个“一SH”连接而成的）连接，在A链上也形成1个二硫键，下图所示为结晶牛胰岛素的平面结构示意图。
②不同动物的胰岛素的氨基酸组成是有区别的，现把人和其他动物的胰岛素的氨基酸组成比较如下：
猪：B链第30位氨基酸和人不同；
马：B链第30位氨基酸和A链第9位氨基酸与人不同；
牛：A链第8、10位氨基酸与人不同；
羊：A链第8、9、10位氨基酸与人不同；
天竹鼠：A链有8个氨基酸与人不同，B链有10个氨基酸与人不同。
根据以上材料回答下列问题：
（1）胰岛素分子中含有肽键_________个。控制合成胰岛素的基因中至少有______碱基。
(2)这51个氨基酸形成胰岛素后，相对分子质量比原来51个氨基酸的总分子量减少了_____。
(3)人体中胰岛素的含量低，会导致血糖浓度过高，尿液中有葡萄糖，称为糖尿病，其最佳的治疗方法是使用胰岛素，但只能注射不能口服，原因是______________。
(4)前面所列的哺乳动物和人的胰岛素都由51个氨基酸构成，且在氨基酸组成上大多相同，由此可以得出的结论是____________________。
(5)人与这几种动物在胰岛素分子上氨基酸组成差异的大小，说明
_____________________________________________________________
(6)如果要为糖尿病人治疗必须用动物体内的胰岛素的话，最适宜的动物是
______________________________________________________________
【解析】 (1)从材料①中可知，由51个氨基酸组成的具有二条肽链组成的胰岛素分子中应含的肽键数目是51-2＝49个，根据mRNA上三个碱基决定一个氨基酸，基因中有2条链，所以控制胰岛素合成的基因中的碱基数=51×3×2＝306；(2)51个氨基酸分子合成胰岛素分子后，分子量的减少量应是形成肽链时脱下的水分子数（18×49）和形成二硫键时脱下的 H（1×6），所以相对分子量减少了18×49＋1×6=888；（3）解答此小题，要求同学有知识迁移的能力，在消化道中有各种消化液，能消化各种营养物质，如大分子糖类（淀粉）、蛋白质、脂肪等不溶于水的物质，这些物质在消化道内通过消化液的作用，将其分解为能溶于水的小分子有机物如葡萄糖、氨基酸、甘油和脂肪等，原有物质的大分子结构遭到破坏。胰岛素在消化液的蛋白酶和肽酶的作用下分解为氨基酸而失去其活性，所以只能注射不能口服；（4）材料②给我们列出的各种生物胰岛素之间的氨基酸差异，反映出不同的哺乳动物体内胰岛素分子中氨基酸组成大部分是相同的，说明这些动物之间的亲缘关系很近，是由共同的古代原始祖先进化而来的；（5）不同动物胰岛素中氨基酸组成差异的大小反映了各种动物与人亲缘关系的远近，差异数越小，亲缘关系越近，反之则越远。（6）用动物胰岛素治疗人的糖尿病时，选用亲缘关系最近的动物，治疗效果最好。
【答案】 （1）49 306 （2）888 （3）胰岛素是蛋白质，如口服会被消化道内的蛋白酶所催化水解而失去作用 （4）这些哺乳动物和人都有共同的原始祖先 （5）这几种哺乳动物与人的亲缘关系有远有近，差异越大亲缘关系越远，差异越小，亲缘关系越近 （5）猪
【例题8】 已知甲、乙、丙 3种类型的病毒，它们的遗传信息的传递方式分别用下图表示。请对图仔细分析后回答下列问题：
（1）根据我们所学的内容，这3种类型的病毒分别属于：
甲__________；乙______________；丙________________。
(2)图中哪两个标号所示的过程是对“中心法则”的补充？_______________。
(3)图中1、8表示遗传信息的_______；图中2、5、9表示遗传信息的______________；
图中3、10表示遗传物质的________，该过程进行所必需的物质条件是___________。
(4)图中7表示遗传信息的________；此过程需有__________的作用。这一现象的发生，其意义是______________________。
【解析】按照中心法则，遗传信息的传递方式有3种：DNA的自我复制；RNA的自我复制；以RNA为模板进行的逆转录。中心法则的主要内容是DNA的复制和以DNA为模板进行的转录和翻译的过程，RNA的自我复制和以RNA为模板进行的逆转录仅在病中有此过程，在有细胞结构的生物体中，正常情况是不存在的。在感染某些病毒后才有可能有此过程，所以被称为对中心法则的补充。在高中生物教材上提到的病毒只有3种：噬菌体、烟草花叶病毒和致癌病毒。噬菌体的遗传物质是DNA，甲所示的传递过程与此相符；烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，但无逆转录酶，所以乙所示的传递过程与此相符；致癌病毒的遗传物质是RNA，但具有逆转录酶，所以丙所示的传递过程与此相符。
【答案】 （1）噬菌体 烟草花叶病毒 致癌病毒 （2）6 7 （3）转录 翻译 复制模板、酶、原料（脱氧核苷酸）、能量（ATP） （4）逆转录 逆转录酶 对中心法则的补充
【例题9】 已知某tRNA一端的3个碱基顺序是GAU，它所转运的是亮氨酸（亮氨酸的密码是：UUA UUG CUU CUA CUC CUG），那么决定此氨基酸的密码子是由下列哪个碱基序列转录而来（ ）
A．GAT B．GAU C．CUA D．CTA
【解析】 正确解答这道题，就要正确理解转录和翻译的过程，理解模板链、密码子和反密码子之间的关系。密码子的位置是在信使RNA上，是信使RNA上决定氨基酸的3个相邻的碱基。反密码子是转运RNA一端的3个与密码子配对的3个碱基。题中已知的一个转运RNA的3个碱基是GAU，所运载的氨基酸是亮氮酸，则与此对应的密码子是CUA，则转录该密码子的DNA 模板链上的3个碱基应是GAT。
【答案】 A
【例题10】 由200个氨基酸组成的一种蛋白质，决定其结构的基因（ ）
A．在原核生物中较长
B．在真核生物中较长
C．在原核生物和真核生物中一样长
D．基因长度不依赖于原核或真核细胞的结构状态
【解析】 真核细胞中的结构基因是由内含子和外显子组成，在转录时，需把内含子转录部分剪切掉，把外显子转录部分拼接起来，而原核生物的结构基因没有内含子。
【答案】 B