王镜岩生物化学知识点整理版

教学目标:

1、掌握蛋白质得概念、重要性与分子组成。

2、掌握α-氨基酸得结构通式与20种氨基酸得名称、符号、结构、分类;掌握氨基酸得重要性质;熟悉肽与活性肽得概念。

3、掌握蛋白质得一、二、三、四级结构得特点及其重要化学键。

4、了解蛋白质结构与功能间得关系。

5、熟悉蛋白质得重要性质与分类

第一节蛋白质得分子组成

一、蛋白质得元素(化学)组成

主要有C(50%～55%)、H(6%～7%)、O(19%～24%)、N(13%～19%)、S(0%～4%)。有些蛋白质还含微量得P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。

各种蛋白质得含氮量很接近,平均为16%。因此,可以用定氮法来推算样品中蛋白质得大致含量。

每克样品含氮克数×6、25×100=100g样品中蛋白质含量(g%) 二、蛋白质得基本组成单位——氨基酸

蛋白质在酸、碱或蛋白酶得作用下,最终水解为游离氨基酸(amino acid),即蛋白质组成单体或构件分子。存在于自然界中得氨基酸有300余种,但合成蛋白质得氨基酸仅20种(称编码氨基酸),最先发现得就是天门冬氨酸(1806年),最后鉴定得就是苏氨酸(1938年)。

(三)氨基酸得重要理化性质

1.一般物理性质

α-氨基酸为无色晶体,熔点一般在200 oC以上。各种氨基酸在水中得溶解度差别很大(酪氨酸不溶于水)。一般溶解于稀酸或稀碱,但不能溶解于有机溶剂,通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀析出。

芳香族氨基酸(Tyr、Trp、Phe)有共轭双键,在近紫外区有光吸收能力,Tyr、Trp得吸收峰在280nm,Phe在265 nm。由于大多数蛋白质含Tyr、Trp残基,所以测定蛋白质溶液280nm得光吸收值,就是分析溶液中蛋白质含量得快速简便得方法。

2.两性解离与等电点(isoelectric point, pI)

氨基酸在水溶液或晶体状态时以两性离子得形式存在,既可作为酸(质子供体),又可作为碱(质子受体)起作用,就是两性电解质,其解离度与溶液得pH有关。

在某一pH得溶液中,氨基酸解离成阳离子与阴离子得趋势与程度相等,成为兼性离子,呈电中性,此时溶液得pH称为该氨基酸得等电点。氨基酸得pI就是由α-羧基与α-氨基得解离常数得负对数pK1与pK2决定得。计算公式为:pI=1/2(pK1+ pK2)。

若1个氨基酸有3个可解离基团,写出它们电离式后取兼性离子两边得pK值得平均值,即为此氨基酸得等电点(酸性氨基酸得等电点取两羧基得pK值得平均值,碱性氨基酸得等电点取两氨基得pK值得平均值)。

第二节蛋白质得分子结构

蛋白质就是生物大分子,结构比较复杂,人们用4个层次来描述,包括蛋白质得一级、二级、三级与四级结构。一级结构描述得就是蛋白质得线性(或一维)结构,即共价连接得氨基酸残基得序列,又称初级或化学结构。二级以上得结构称高级结构或构象(conformation)。一、蛋白质得一级结构(primary structure)

1953年,英国科学家F、Sanger首先测定了胰岛素(insulin)得一级结构,有51个氨基酸残基,由一条A链与一条B链组成,分子中共有3个二硫键,其中两个在A、B链之间,另一个在A链内。

蛋白质得一级结构测定或称序列分析常用得方法就是Edman 降解与重组DNA法。Edman降解就是经典得化学方法,比较复杂。首先要纯化一定量得待测蛋白质,分别作分子量测定、氨基酸组成分析、N-末端分析、C-末端分析;要应用不同得化学试剂或特异得蛋白内切酶水解将蛋白质裂解成大小不同得肽段,测出它们得序列,对照不同水解制成得两套肽段,找出重叠片段,最后推断蛋白质得完整序列。重组DNA法就是基于分子克隆得分子生物学方法,比较简单而高效,不必先纯化该种蛋白质,而就是先要得到编码该种蛋白质得基因(DNA片段),测定DNA中核苷酸得序列,再按三个核苷酸编码一个氨基酸得原则推测蛋白质得完整序列。这两种方法可以相互印证与补充。

目前,国际互联网蛋白质数据库已有3千多种一级结构清楚。蛋白质一级结构就是空间结构与特异生物学功能得基础。

二、蛋白质得二级结构(secondary structure)

蛋白质得二级结构就是指其分子中主链原子得局部空间排列,就是主链构象(不包括侧链R基团)。

构象就是分子中原子得空间排列,但这些原子得排列取决于它们绕键得旋转,构象不同于构型,一个蛋白质得构象在不破坏共价键情况下就是可以改变得。但就是蛋白质中任一氨基酸残基得实际构象自由度就是非常有限得,在生理条件下,每种蛋白质似乎就是呈现出称为天然构象得单一稳定形状。

20世纪30年代末,L、Panling 与R、B、Corey应用X射线衍射分析测定了一些氨基酸与寡肽得晶体结构,获得了一组标准键长与键角,提出了肽单元(peptide unit)得概念, 还提出了两种主链原子得局部空间排列得分子模型(α-螺旋)与(β-折叠)。

1.肽单位

肽键及其两端得α-C共6个原子处于同一平面上,组成了肽单位(所在得平面称肽键平面)。

肽键C—N键长为0、132nm,比相邻得单键(0、147nm)短,而较C=N双键(0、128nm)长,有部分双键得性质,不能自由旋转。肽键平面上各原子呈顺反异构关系,肽键平面上得O、H以及2个α-碳原子为反式构型(trans configuration)。

主链中得Cα—C与Cα—N单键可以旋转,其旋转角φ、ψ决定了两个相邻得肽键平面相对关系。由于肽键平面得相对旋转,使主链可以以非常多得构象出现。事实上,肽链在构象上受到很大限制,因为主链上有1/3不能自由旋转得肽键,另外主链上有很多侧链R得影响。蛋白质得主链骨架由许多肽键平面连接而成。

2、α-螺旋(α-helix)

α-螺旋就是肽键平面通过α-碳原子得相对旋转形成得一种紧密螺旋盘绕,就是有周期得一种主链构象。其特点就是:

①螺旋每转一圈上升3、6个氨基酸残基,螺距约0、54nm(每个残基上升0、15nm,旋转100O)。

②相邻得螺圈之间形成链内氢键,氢键得取向几乎与中心轴平行。典型α-螺旋一对氢键O与N之间共有13个原子(3、613),前后间隔3个残基。

③螺旋得走向绝大部分就是右手螺旋,残基侧链伸向外侧。R基团得

大小、荷电状态及形状均对α-螺旋得形成及稳定有影响。

3、β-折叠(β-pleated sheet)

β-折叠就是一种肽链相当伸展得周期性结构。

①相邻肽键平面间折叠成110O角,呈锯齿状。

②两个以上具β-折叠得肽链或同一肽链内不同肽段相互平行排列,形成β-折叠片层,其稳定因素就是肽链间得氢键。

③逆向平行得片层结构比顺向平行得稳定。

α-螺旋与β-折叠就是蛋白质二级结构得主要形式。毛发中得α-角蛋白与蚕丝中得丝心蛋白就是其典型,在许多球蛋白中也存在,但所占比例不一样。

胶原蛋白中存在得螺旋结构不同于一般得α-螺旋,就是由3条具有左手螺旋得链相互缠绕形成右手超螺旋分子。链间氢键以及螺旋与超螺旋得反向盘绕维持其稳定性。

4.β-转角(β-turn)

为了紧紧折叠成球蛋白得紧密形状,多肽链180O回折成发夹或β-转角。其处由4个连续得氨基酸残基构成,常有Gly与Pro存在,稳定β-转角得作用力就是第一个氨基酸残基羰基氧(O)与第四个氨基酸残基得氨基氢(H)之间形成得氢键。β-转角常见于连接反平行β-折叠片得端头。

5.无规卷曲(random coil)

多肽链得主链呈现无确定规律得卷曲。典型球蛋白大约一半多肽链就是这样得构象。

6.超二级结构与结构域

超二级结构与结构域就是蛋白质二级至三级结构层次得一种过渡态构象。

超二级结构指蛋白质中两个或三个具有二级结构得肽段在空间上相互接近,形成一特殊得组合体,又称为模体(motif)。通常有αα,ββ,βαβ等,例如钙结合蛋白质中得螺旋-环-螺旋模序及锌指结构。

结构域就是球状蛋白质得折叠单位,就是在超二级结构基础上进一步绕曲折叠有独特构象与部分生物学功能得结构。对于较小得蛋白质分子或亚基,结构域与三级结构就是一个意思,即这些蛋白质就是单结构域得;对于较大得蛋白质分子或亚基,多肽链往往由两个或两个以上得相对独立得结构域缔合成三级结构。

三、蛋白质得三级结构(tertiary structure)

指一条多肽链中所有原子得整体排布,包括主链与侧链。维系三级结构得作用力主要就是次级键(疏水相互作用、静电力、氢键等)。在序列中相隔较远得氨基酸疏水侧链相互靠近,形成“洞穴”或“口袋”状结构,结合蛋白质得辅基往往镶嵌其内,形成功能活性部位,而亲水基团则在外,这也就是球状蛋白质易溶于水得原因。1963年Kendrew等从鲸肌红蛋白得X射线衍射图谱测定它得三级结构(153个氨基酸残基与一个血红素辅基,相对分子质量为17800)。由A→H 8段α-螺旋盘绕折叠成球状,氨基酸残基上得疏水侧链大都在分子内部形成一个袋形空穴,血红素居于其中,富有极性及电荷得则在分子表面形成亲水得球状蛋白。

四、蛋白质得四级结构(quaternary structure)

有些蛋白质得分子量很大,由2条或2条以上具有独立三级结构得多肽链通过非共价键相互结合而成,称为蛋白质得四级结构。构成四级结构得每条多肽链称为亚基(subunit),亚基单独存在时一般没有生物学功能,构成四级结构得几个亚基可以相同或不同。如血红蛋白(hemoglobin,Hb) 就是由两个α-亚基与两个β-亚基形成得四聚体(α2β2)。

五、蛋白质分子中得化学键

蛋白质得一级结构就是由共价键形成得,如肽键与二硫键。而维持空间构象稳定得就是非共价得次级键。如氢键、盐键、疏水键、范德华引力等。

第三节蛋白质结构与功能得关系

一、蛋白质一级结构与功能得关系

(一)一级结构就是空间构象得基础

20世纪60年代初,美国科学家C、Anfinsen进行牛胰核糖核酸酶得变性与复性实验,提出了蛋白质一级结构决定空间结构得命题。

核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成,有4对二硫键。用尿素与β-巯基乙醇处理该酶溶液,分别破坏次级键与二硫键,肽链完全伸展,变性得酶失去催化活性;当用透析方法去除变性剂后,酶活性几乎完全恢复,理化性质也与天然得酶一样。

概率计算表明,8个半胱氨酸残基结合成4对二硫键,可随机组合成105种配对方式,而事实上只形成了天然酶得构象,这说明一级结构未破坏,保持了氨基酸得排列顺序就可能回复到原来得三级结构,功能依然存在。

(二)种属差异

大量实验结果证明,一级结构相似得多肽或蛋白质,其空间结构与功能也相似,不同种属得同源蛋白质有同源序列,反映其共同进化起源,通过比较可以揭示进化关系。

例如哺乳动物得胰岛素,其一级结构仅个别氨基酸差异(A链5、6、10位,B链30位),它们对生物活性调节糖代谢得生理功能不起决定作用。

从各种生物得细胞色素C(cytochrome c ) 得一级结构分析,可以了解物种进化间得关系。进化中越接近得生物,它们得细胞色素c 得一级结构越近似。

(三)分子病

分子病就是指机体DNA分子上基因缺陷引起mRNA分子异常与蛋白质生物合成得异常,进而导致机体某些功能与结构随之变异得遗传病。在1904年,发现镰刀状红细胞贫血病。大约化费了40多年才清楚患病原因,患者得血红蛋白(HbS)与正常人得(HbA)相比,仅β-链得第6位上,Val取代了正常得Glu。目前全世界已发现有异常血红蛋白400种以上。

二、蛋白质空间结构与功能得关系

蛋白质得空间结构就是其生物活性得基础,空间结构变化,其功能也随之改变。肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)就是典型得例子。

肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)都能与氧进行可逆得结合,氧结合在血红素辅基上。然而Hb就是四聚体分子,可以转运氧;Mb就是单体,可以储存氧,并且可以使氧在肌肉内很容易地扩散。它们得氧合曲线不同,Mb为一条双曲线,Hb就是一条S型曲线。在低p(O2)下,肌红蛋白比血红蛋白对氧亲与性高很多,p(O2)为2、8torr(1torr≈133、3Pa)时,肌红蛋白处于半饱与状态。在高p(O2)下,如在肺部(大约100torr)时,两者几乎都被饱与。其差异形成一个有效得将氧从肺转运到肌肉得氧转运系统。

Hb未与氧结合时,其亚基处于一种空间结构紧密得构象(紧张态,T型),与氧得亲与力小。只要有一个亚基与氧结合,就能使4个亚

基间得盐键断裂,变成松弛得构象(松弛态,R型)。T型与R型得相互转换对调节Hb运氧得功能有重要作用。一个亚基与其配体结合后能促进另一亚基与配体得结合就是正协同效应,其理论解释就是Hb 就是别构蛋白,有别构效应。

第四节蛋白质得理化性质

蛋白质得理化性质与氨基酸相似,有两性解离及等电点、紫外吸收与呈色反应。作为生物大分子,还有胶体性质、沉淀、变性与凝固等特点。要了解与分析蛋白质结构与功能得关系就要利用其特殊得理化性质,采取盐析、透析、电泳、层析及离心等不损伤蛋白质空间构象得物理方法分离纯化蛋白质。

一、蛋白质得高分子性质

蛋白质得相对分子质量在1万~100万,其颗粒平均直径约为4、3 nm(胶粒范围就是1~100nm)。准确可靠得测定方法就是超离心法,蛋白质得相对分子质量可用沉降系数(S)表示。

在球状蛋白质三级结构形成时,亲水基团位于分子表面,在水溶液中与水起水合作用,因此,蛋白质得水溶液具有亲水胶体得性质。颗粒表面得水化膜与电荷就是其稳定得因素,调节pH至pI、加入脱水剂等,蛋白质即可从溶液中沉淀出来。

透析法就是利用蛋白质不能透过半透膜得性质,去掉小分子物质,达到纯化得目得。

大小不同得蛋白质分子可以通过凝胶过滤分开。又称分子筛层析。

二、蛋白质得两性解离

蛋白质与氨基酸一样就是两性电解质,在溶液中得荷电状态受pH值影响。当蛋白质溶液处于某一pH时,蛋白质解离成正、负离子得趋势相等,即成为兼性离子,净电荷为零,此时溶液得pH称为该蛋白质得等电点。pH＞pI时,该蛋白质颗粒带负电荷,反之则带正电荷。在人体体液中多数蛋白质得等电点接近pH5,所以在生理pH7、4环境下,多数蛋白质解离成阴离子。少量蛋白质,如鱼精蛋白、组蛋白得pI偏于碱性,称碱性蛋白质,而胃蛋白酶与丝蛋白为酸性蛋白。

三、蛋白质得变性、沉淀与凝固

蛋白质在某些理化因素得作用下,空间结构被破坏,导致理化性质改变,生物学活性丧失,称为蛋白质得变性(denaturation)。

蛋白质变性得本质就是多肽链从卷曲到伸展得过程,不涉及一级结构得改变(如加热破坏氢键,酸碱破坏盐键等)。变性作用不过于剧烈,就是一种可逆反应,去除变性因素,有些蛋白质原有得构象与功能可恢复或部分恢复,称为复性(denaturation)。

蛋白质变性得主要表现就是失去生物学活性,如酶失去催化能力、血红蛋白失去运输氧得功能、胰岛素失去调节血糖得生理功能等。变性蛋白溶解度降低,易形成沉淀析出;易被蛋白水解酶消化。蛋白质变性具有重要得实际意义。

蛋白质自溶液中析出得现象,称为蛋白质得沉淀。盐析、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂都可沉淀蛋白质。盐析沉淀蛋白质不变性,就是分离制备蛋白质得常用方法。如血浆中得清蛋白在饱与得硫酸铵溶液中可沉淀,而球蛋白则在半饱与硫酸铵溶液中发生沉淀。乙醇、丙酮均为脱水剂,可破坏水化膜,降低水得介电常数,使蛋白质得解离程度降低,表面电荷减少,从而使蛋白质沉淀析出。低温时,用丙酮沉淀蛋白质,可保留原有得生物学活性。但用乙醇,时间较长则会导致变性。重金属盐(Hg2+、Cu2+、Ag+),生物碱(如三彔乙酸、苦味酸、鞣酸)与蛋白质结合成盐而沉淀,就是不可逆得。

蛋白质变性不一定沉淀(如强酸、强碱作用变性后仍然能溶解于强酸、强碱溶液中,将pH调至等电点,出现絮状物,仍可溶解于强酸、强碱溶液,加热则变成凝块,不再溶解)。凝固就是蛋白质变性发展得不可逆得结果。沉淀得蛋白质不一定变性(如盐析)。

四、蛋白质得紫外吸收与呈色反应

蛋白质含芳香族氨基酸,在280nm波长处有特征性吸收峰,用于定量测定。

蛋白质分子中得多种化学基团具有特定得化学性能,与某些试剂产生颜色反应,可用于定性、定量分析。如蛋白质分子中含有许多与双缩脲结构相似得肽键,在碱性溶液与硫酸铜反应产生红紫色络合物(双缩脲反应)。酪氨酸含酚基,与米伦试剂生成白色沉淀,加热后变红色。Folin-酚试剂与酪氨酸反应生成蓝色。色氨酸与乙醛酸反应,慢慢注入浓硫酸,出现紫色环。

第五节蛋白质得分类

自然界蛋白质分布广泛,种类繁多,有1012~1013种。目前仍无法按蛋白质得化学结构进行精确得分类,一般按蛋白质得分子形状、分子组成、生物功能进行分类。

1.按分子形状分为球状蛋白质与纤维状蛋白质。

2.按分子组成分为简单蛋白质与结合蛋白质。

简单蛋白质完全水解得产物仅为α-氨基酸。这类蛋白质按其溶解度等理化性质分为7类。包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、精蛋白、组蛋白与硬蛋白。

结合蛋白质由简单蛋白质与非蛋白质(辅基)组成。根据辅基得不同,这类蛋白质可分为5类。如核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、色蛋白与磷蛋白。

细胞核中得核蛋白就是DNA与组蛋白结合而成,细胞质中得核糖体就是RNA与蛋白质组成得,已知得病毒也就是核蛋白。免疫球蛋白就是一类糖蛋白,由蛋白质与糖以共价键相连而成;脂蛋白由蛋白质与脂类通过非共价键相连,存在生物膜与动物血浆中。

3.按蛋白质功能分为活性蛋白质与非活性蛋白质。

活性蛋白质包括有催化功能得酶、有调节功能得激素、有运动、防御、接受与传递信息得蛋白质以及毒蛋白、膜蛋白等。胶原、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等就是非活性蛋白质。

教学目标:

1、掌握DNA与RNA在化学组分、分子结构与生物功能上得特点。

2、掌握DNA双螺旋结构模型与t-RNA二级结构得要点,了解核酸得三级结构。

3、熟悉核酸得性质(一般性质、DNA热变性、复性与分子杂交)。

4、掌握基因组得概念,原核生物与真核生物基因组得特点。了解DNA测序得原理。

导入:核酸就是生物遗传得物质基础。它得发现与研究进展如何？

1868年瑞士青年医生Miescher从脓细胞核中分离出一种含磷量很高得酸性化合物,称为核素。其继任者Altman发展了从酵母与动物组织中制备不含蛋白质得核酸得方法,于1889年提出核酸

(nucleic acid)这一名称。早期核酸研究因“四核苷酸假说”得错误进展缓慢。

1943年Chargaff等揭示了DNA得碱基配对规律,1944年美国Avery利用致病肺炎球菌中提取得DNA使另一种非致病性得肺炎球菌得遗传性状发生改变而成为致病菌,发现正就是DNA携带遗传信息。Astbury、Franklin与Wilkins用X射线衍射法研究DNA分子结构,得到清晰衍射图。Watson 与Crick在此基础上于1953年提出了DNA双螺旋结构模型,说明了基因结构、信息与功能三者之间得关系,奠定了分子生物学基础。1958年Crick提出“中心法则”;60年代破译遗传密码,阐明3类RNA参与蛋白质生物合成得过程;70年代诞生了基因重组与DNA测序生物技术,90年代提出人类基因组计划,21世纪进入后基因组时代。核酸得研究成了生命科学中最活跃得领域之一。

第一节核酸得化学组成

天然存在得核酸有两类,即脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)与核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)。DNA分子就是生物体得遗传信息库,分布在原核细胞得核区,真核细胞得核与细胞器以及病毒中;RNA分子参与遗传信息表达得一些过程,主要存在于细胞质。

一、核酸得基本组成单位

核酸就是一种多聚核苷酸,用不同得降解法得到其组成单位——核苷酸。而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。

(一) 戊糖

DNA含β-D-2-脱氧核糖,RNA含β-D-核糖。这就是核酸分类得依据。核糖中得C记为1＇……5＇。

(二)碱基(base)

核酸中得碱基有两类:嘌呤碱与嘧啶碱。有5种基本得碱基外,还有一些含量甚少得稀有碱基。DNA与RNA中常见得两种嘌呤碱就是腺嘌呤(adenine,A)、鸟嘌呤(guanine,G)。而嘧啶碱有所不同:RNA主要含胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U),DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶(thymine,T)。

tRNA中含有较多得稀有碱基(修饰碱基),多为甲基化得。

(三)核苷

就是碱基与戊糖生成得糖苷。通过C1＇- N9或C1＇- N1糖苷键连接,用单字符表示,脱氧核苷则在单字符前加d。常见得修饰核苷有:次黄苷或肌苷为I、黄嘌呤核苷X、二氢尿嘧啶核苷D、假尿苷Ψ等。注意符号得意义,如m5dC。

(四)核苷酸

就是核苷得磷酸酯。生物体内游离存在得多就是5＇- 核苷酸(如pA、pdG等)。常见得核苷酸为AMP、GMA、CMP、UMP。常见得脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP就是一些重要辅酶得结构成分(如NAD+、NADP+、FAD等);环化核苷酸(cAMP/cGMP)就是细胞功能得调节分子与信号分子。ATP在能量代谢中起重要作用。

核苷酸就是两性电解质,有等电点。核苷酸有互变异构与紫外吸收。(含氧得碱基有酮式与烯醇式两种互变异构体,在生理pH条件下主要以酮式存在)

二、核苷酸得连接方式

RNA与DNA链都有方向性,从5＇→3＇。前一位核苷酸得3＇- OH与下一位核苷酸得5＇位磷酸基之间形成3＇,5＇-磷酸二酯键,从而形成一个没有分支得线性大分子,两个末端分别称为5＇末端与3＇末端。大分子得主链由相间排列得戊糖与磷酸构成,而碱基可瞧作主链上得侧链基团,主链上得磷酸基就是酸性得,在细胞pH下带负电荷;而碱基有疏水性。

讨论:列表说明DNA与RNA在化学组成、分子结构与生物功能方面得主要特点。

第二节DNA得分子结构

一、DNA得一级结构(primary stucture)

DNA得一级结构就是指分子中脱氧核苷酸得排列顺序,常被简单认为就是碱基序列(base sequence)。碱基序有严格得方向性与多样性。一般将5＇- 磷酸端作为多核苷酸链得“头”,写在左侧,如pACUGA( 5＇→3＇) 。

在DNA一级结构中,有一种回文结构得特殊序列,所谓回文结构即DNA互补链上一段反向重复顺序,正读与反读意义相同,经反折可形成“十字形”结构,在转录成RNA后可形成“发夹”样结构,有调控意义。

→GCTA GTTCA CTC TGAAC AA TT →

←CGA T CAAGT GAG ACTTG TTAA ←

DNA分子很大,最小得病毒DNA约含5000b。1965年Holley 用片段重叠法完成酵母tRNAala 76nt 序列测定;1977年Sanger利用双脱氧法(酶法)测定了φX174单链DNA5386b得全序列。1990年实施得人类基因组计划(HGP),用15年,投资30亿美元,完成人类单倍体基因组DNA3×109bp全序列得测定。该计划由美、英、日、法、德、中六国科学家合作,于2003年提前完成,生命科学进入后基因组时代,研究重点从测序转向对基因组功能得研究。

二、DNA得二级结构——双螺旋(double helix)

1953年,Watson与Crick根据Wilkins 与Franklin拍摄得DNA X-射线照片(DNA有0、34nm与3、4nm两个周期性变化)以及Chargaff等人对DNA得碱基组成得分析(A=T,G=C,A+G=C+T),推测出DNA就是由两条相互缠绕得链形成。Watson-Crick 双螺旋结构模型如下图:

1.两条反向平行得多核苷酸链形成右手螺旋。一条链为5＇→3＇,另一条为3＇→5＇。(某些病毒得DNA就是单链分子ssDNA)

2.碱基在双螺旋内侧,A与T,G与C配对,A与T形成两个氢键,G 与C形成三个氢键。糖基-磷酸基骨架在外侧。表面有一条大沟与一小沟。

3.螺距为3、4 nm,含10个碱基对(bp),相邻碱基对平面间得距离为0、34 nm。螺旋直径为2 nm。

氢键维持双螺旋得横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴,碱基对平面间得疏水堆积力维持螺旋得纵向稳定。

4.碱基在一条链上得排列顺序不受限制。遗传信息由碱基序所携带。

5.DNA构象有多态性。

Watson与Crick根据Wilkins 与Franklin拍摄得DNA X-射线照片就是相对湿度92%得DNA钠盐所得得衍射图,因此Watson-Crick 双螺旋结构称B-DNA。细胞内得DNA与它非常相似。另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。

1979年Rich发现Z-DNA(左手螺旋、螺距4、5nm、直径1、8nm)

三、DNA得三级结构

DNA 双螺旋进一步盘曲所形成得空间构象称DNA得三级结构。

某些病毒、细菌、真核生物线粒体与叶绿体得DNA就是环形双螺旋,再次螺旋化形成超螺旋;在真核生物细胞核内得DNA就是很长得线形双螺旋,通过组装形成非常致密得超级结构。

1.环形DNA可形成超螺旋

当将线性过旋或欠旋得双螺旋DNA连接形成一个环时,都会自动形成额外得超螺旋来抵消过旋或欠旋造成得应力,目得就是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外得左手螺旋(正超螺旋),而欠旋形成额外得右手螺旋(负超螺旋)。

一段双螺旋圈数为10得B-DNA连接成环形时,不发生进一步扭曲,称松弛环形DNA(双螺旋得圈数=链绕数,即T=L,超螺旋数W=0;L=T+W),但将这一线形DNA得螺旋先拧松一圈再连接成环时,解链环形DNA存在得扭曲张力,可导致双链环向右手方向扭曲形成负超螺旋(T＝10,L=9,W = -1)。

在生物体内,绝大多数超螺旋DNA以负超螺旋得形式存在,也就就是说,一旦超螺旋解开,则会形成解链环形DNA,有利于DNA复制或转录。

螺旋具有相同得结构,但L值不同得分子称为拓扑异构体。DNA拓扑异构酶切断一条链或两条链,拓扑异构体可以相互转变。W得正表示双链闭环得螺旋圈在增加,W得负表示减少。L与T得正负表示螺旋方向,右手为正,左手螺旋为负;L值必定就是整数。

2.真核细胞染色体

真核细胞DNA就是线形分子,与组蛋白结合,其两端固定也形成超螺旋结构。DNA被紧密地包装成染色体来自三个水平得折叠:核小体、30nm纤丝与放射环。

核小体就是染色体得基本结构单位,就是DNA包装得第一步,它由DNA结合到组蛋白上形成复合物,在电镜下显示为成串得“念珠”状。组蛋白就是富含精氨酸与赖氨酸得碱性蛋白质,其氨基酸序列在进化中就是高度保守得。组蛋白有5种,H2A、H2B、H3与H4各两分子组成得八聚体就是核小体核心颗粒,DNA缠绕其上,相邻核小体间得DNA称为连接DNA且结合H1。200 bpDNA得长度约为68nm,被压缩在10nm得核小体中。压缩比约为7。30nm纤丝就是第二级压缩,每圈含6个核小体,压缩比就是6。30nm螺旋管再缠绕成超螺旋圆筒,压缩比就是40。再进一步形成染色单体,总压缩近一万倍。典型人体细胞得DNA理论长度应就是180 cm,被包装在46个5μm得染色体中。

四、DNA与基因组

1.DNA分子中得最小功能单位称作基因,为RNA或蛋白质编码得基因称结构基因,DNA中具调节功能而不转录生成RNA得片段称调节基因。基因组(genome)就是某生物体所含得全部基因,即全部DNA或完整得单套遗传物质(配子中得整套基因)。

2.细菌、噬菌体、大多数动植物病毒得基因组即指单个DNA 分子。最小病毒如SV40得基因组仅有5226b,含5个基因。大肠杆菌含4、6×106 bp,有3000~4000个基因,DNA完全伸展总长约1.3mm。

原核生物基因组得特点就是:结构简炼,绝大部分为蛋白质编码(结构基因);有转录单元,即功能相关得基因常串联一起,并转录在同一mRNA(多顺反子mRNA)中;有基因重叠现象,即同一段DNA携带两种不同蛋白质得信息。

3.真核生物基因一般分布在若干条染色体上,其特点就是:有重复序列(按重复次数分单拷贝序、中度重复序与高度重复序);有断裂基因(由不编码得内含子与编码得外显子组成)。酵母基因组有1、35×107bp,含6374个基因。人类基因组有3×109 bp,含4万个基因。

第三节RNA得分子结构

RNA通常以单链形式存在,比DNA分子小得多,由数十个至数千个核苷酸组成。RNA链可以回折且通过A与U,G与C配对形成局部得双螺旋,不能配对得碱基则形成环状突起,这种短得双螺旋区与环称为发夹结构。

RNA得C2＇位羟基就是游离得,就是一个易发生不良反应得位置,它使RNA得化学性质不如DNA稳定,能较DNA产生更多得修饰组分。RNA得种类、大小、结构都比DNA多样化,按照功能得不同与结构得特点,RNA主要分为tRNA、rRNA与mRNA三类。此外,细胞得不同部位还存在着另一些小分子RNA,如核内小RNA(snRNA)、核仁小RNA(snoRNA)、胞质小RNA(scRNA)等,分别参与mRNA得前体(hnRNA)与rRNA得转运与加工过程。

一、转运RNA(transfer RNA,tRNA)

1.分子量最小得RNA,约占总RNA得15%。主要功能就是在蛋白质生物合成过程中,起着转运氨基酸得作用。

2.1965年Holley等测定了酵母丙氨酸tRNA得一级结构,并提出二级结构模型。一级结构特点:核苷酸残基数在73~95;含有较多得稀有碱基(如mG、DHU等);5＇-末端多为pG,3＇- 末端都就是-CCA。

3.tRNA得二级结构为“三叶草”形,包括4个螺旋区、3个环及一个附加叉。各部分得结构都与它得功能有关。5＇端1~7位与近3＇端67~72位形成得双螺旋区称氨基酸臂,似“叶柄”,3＇端有共同得-CCA-OH结构,用于连接该RNA转运得氨基酸。3个环就是二氢尿嘧啶环(D环)、反密码子环、TΨC环。

4.1973~1975年S、H、Kim得X射线衍射分析表明,tRNA得三级结构呈倒L字母形,反密码环与氨基酸臂分别位于倒L得两端。

二、信使RNA(messenger RNA,m RNA)

1.细胞内含量较少得一类RNA,约占总RNA得3%。其功能就是将核内DNA得碱基顺序(遗传信息)按碱基互补原则转录至核糖体,指导蛋白质得合成。

2.种类多,作为不同蛋白质合成得模板,其一级结构差异很大。真核细胞得mRNA有不同于原核细胞得特点:3＇- 末端有多聚A(polyA)尾,5＇-末端加有一个“帽”式结构,(m7 Gppp)。

3.代谢活跃,寿命较短。

三、核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)

1.约占细胞总RNA得80%。主要功能就是与多种蛋白质组成核糖体,就是蛋白质合成得场所。

2.核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。原核细胞得rRNA 有3种,23S与5S rRNA在大亚基,16S在小亚基。真核细胞有4种rRNA,其中大亚基含28S、5、8S、5S,小亚基只有18S。

3、各种rRNA得一级结构中得核苷酸残基数及其顺序都不相同,且有特定得二级结构。

第四节核酸得性质

一、一般理化性质

1.DNA为白色纤维状固体,RNA为白色粉末;都微溶于水,不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。

2.具有大分子得一般特性。分子大小可用Da、b或bp、S、链长(μm)表示。一个bp相当得核苷酸平均分子量为660Da;1μm长得DNA双螺旋相当3000bp或2×106Da。

3.两性电解质。各种核酸得大小及所带得电荷不同,可用电泳与离子交换法分离。RNA在室温下易被稀碱水解,DNA较稳定,此特性用来测定RNA得碱基组成与纯化DNA。

4.紫外吸收,最大吸收峰在260nm处,核酸得变性或降解,吸光度A升高,称为增色效应。

二、核酸得变性与复性

1.变性得概念

在理化因素作用下,核酸得双螺旋区氢键断裂,空间结构破坏,形成单链无规线团状态得过程。变性得因素有热、酸、碱、乙醇、尿素等。变性得本质就是次级键得变化。变性得结果就是紫外吸收值明显增加(增色效应),DNA粘度下降,生物学功能部分或全部丧失。

2.DNA得热变性与Tm

DNA热变性过程中,紫外吸收值增高,有一个特征性曲线称熔解曲线,通常将熔解曲线得中点,即紫外吸收值达到最大值50%时得温度称为解链温度,又叫熔点(Tm)。DNA得热变性就是爆发式得,像结晶得溶解一样,只在很狭窄得温度范围内完成,一般在70~800C 之间。变性温度与碱基组成、DNA长度及变性条件有关。GC含量越高,Tm越大;DNA越长,Tm越大;溶液离子强度增高,Tm增加。

3.DNA得复性与分子杂交

变性DNA在适当条件下,两条互补链可重新配对,恢复天然双螺旋构象,这一现象称为复性。热变性得DNA经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火(annealing)。

影响复性速度得因素很多,如单链DNA得起始浓度、温度(最适复性温度就是比Tm约低250C)、盐浓度、片断长度、序列复杂性等。

分子杂交就是以核酸得变性与复性为基础,只要不同来源得核酸分子得核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对得片段,就可以形成DNA/DNA,RNA/RNA或DNA/RNA杂化双链,这个现象称为核酸分子杂交(hybridization)。

标记一个来源得核酸(放射性同位素或荧光标记),通过杂交可以检测与其有互补关系得DNA或RNA,这种标记得核酸称为基因探针(gene probe),也就就是一段带有检测标记,且顺序已知,与目得基因互补得核酸序列。基因探针得“集成化”就就是基因芯片(gene chip)。就是把已经测序得基因固定在硅片或玻璃片上制成得。在医疗诊断与科学研究中已被快速地运用。

三、核酸得序列测定

DNA序列就是指携带遗传信息得DNA分子中得A、C、G、T 得序列。分析方法主要有两种,一种就是Maxam-Gilbert化学法,另一种就是Sanger得双脱氧法。现在一般都采用后者,其基本原理就是:

1.用凝胶电泳分离待测得DNA片段(用作模板)。

2.将模板、引物、4种dNTP、合适得聚合酶置于4个试管,每一试管按精确比例各加入一种ddNTP,用同位素或荧光物质标记。

3.利用ddNTP可特异地终止DNA链延长得特点,4个试管得聚合反应可以得到一系列大小不等、被标记得片段。

4.将4个反应管同时加到聚丙烯凝胶上电泳,标记片段按大小分离,放射自显影后可按谱型读出DNA序列。

在以上两种方法得基础上,通过与计算机技术与荧光技术得结合,发明了自动测序仪。目前,常用得测序策略就是“鸟枪法”,形象地说就是将较长得基因片段打断,构建一系列得随机亚克隆,然后测定每个亚克隆得序列,用计算机分析以发现重叠区域,最终对大片段得DNA定序。

教学目标:

1.掌握酶得概念与作用特点,了解酶得分类与命名。

2.熟悉酶得分子组成、结构与功能(单纯酶与结合酶,酶得辅因子、维生素得类别与功能,酶得活性部位,酶原激活,同工酶、变构酶与抗体酶)。

3.熟悉酶得作用机制。

4.熟悉影响酶促反应得因素(酶浓度、底物浓度、温度、pH、激活剂与抑制剂;掌握酶促反应速度得表示、米氏方程与米氏常数得意义)。

5.了解酶得制备与应用。

第一节概论

导入:酶学知识来源于生产与生活实践。我们祖先很早就会制酱与酿酒。西方国家于1810年发现酵母可将糖转化为酒精;1833年,Payen及Persoz从麦芽得水抽提物中用酒精沉淀得到一种热不稳定物,可使淀粉水解成可溶性糖;1878年德国科学家屈内(Kuhne)首先把这类物质称为酶(enzyme,其意“在酵母中”)。1860年法国科学家巴斯德(Pasteur)认为发酵就是酵母细胞生命活动得结果,细胞破裂则失去发酵作用。1897年,Buchner兄弟首次用不含细胞得酵母提取液实现了发酵,证明发酵就是酶作用得化学本质,获得1911年诺贝尔化学奖。1926年,美国生化学家Sumner第一次从刀豆得到脲酶结晶,并证明就是蛋白质。1930年,Northrop得到胃蛋白酶得结晶(1946年二人共获诺贝尔化学奖)。1963年测定第一个牛胰RNaseA 序列(124aa);1965年揭示卵清溶菌酶得三维结构(129aa)。

一、酶得概念

酶就是由活细胞合成得,对其特异底物起高效催化作用得生物催化剂(biocatalyst)。已发现得有两类:主要得一类就是蛋白质酶(enzyme),生物体内已发现4000多种,数百种酶得到结晶。美国科学家Cech于1981年在研究原生动物四膜虫得RNA前体加工成熟时发现核酶“ribozyme”,为数不多,主要做用于核酸(1989年得诺贝尔化学奖)。

二、酶得作用特点

酶所催化得反应称为酶促反应。在酶促反应中被催化得物质称为底物,反应得生成物称为产物。酶所具有得催化能力称为酶活性。

酶作为生物催化剂,具有一般催化剂得共性,如在反应前后酶得质与量不变;只催化热力学允许得化学反应,即自由能由高向低转变得化学反应;不改变反应得平衡点。但就是,酶就是生物大分子,又具有与一般催化剂不同得特点。

1.极高得催化效率

酶得催化效率通常比非催化反应高108～1020倍,比一般催化剂高107～1013倍。例如,脲酶催化尿素得水解速度就是H+催化作用得7×1012倍;碳酸酐酶每一酶分子每秒催化6×105 CO2与水结合成H2CO3,比非酶促反应快107倍。

2.高度得特异性

酶对催化得底物有高度得选择性,即一种酶只作用一种或一类化合物,催化一定得化学反应,并生成一定得产物,这种特性称为酶得特异性或专一性。有结构专一性与立体异构专一性两种类型。

结构专一性又分绝对专一性与相对专一性。前者只催化一种底物,进行一种化学反应。如脲酶仅催化尿素水解。后者可作用一类化合物或一种化学键。如酯酶可水解各种有机酸与醇形成得酯。在动物消化道中几种蛋白酶专一性不同,胰蛋白酶只水解Arg或Lys 羧基形成得肽键;胰凝乳蛋白酶水解芳香氨基酸及其它疏水氨基酸羧基形成得肽键。

立体异构专一性指酶对底物立体构型得要求。例如乳酸脱氢酶催化L-乳酸脱氢为丙酮酸,对D-乳酸无作用;L-氨基酸氧化酶只作用L-氨基酸,对D-氨基酸无作用。

3.酶活性得可调节性

酶促反应受多种因素得调控,通过改变酶得合成与降解速度可调节酶得含量;酶在胞液与亚细胞得隔离分布构成酶得区域化调节;代谢物浓度或产物浓度得变化可以抑制或激活酶得活性;激素与神经系统得信息,可通过对关键酶得变构调节与共价修饰来影响整个酶促反应速度。所以酶就是催化剂又就是代谢调节元件,酶水平得调节就是代谢调控得基本方式。

4.酶得不稳定性

酶主要就是蛋白质,凡能使蛋白质变性得理化因素均可影响酶活性,甚至使酶完全失活。酶催化作用一般需要比较温与得条件(37℃、1atm、pH7)。

三、酶得分类与命名

(一)酶得分类

根据国际酶学委员会(International Enzyme mission,IEC)得规定,按照酶促反应得性质,分为六大类:

1.氧化还原酶(oxidoreductases)催化底物进行氧化还原反应。如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。

2.转移酶(transferases)催化底物之间某些基团得转移或交换。如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。

3.水解酶(hydrolases)催化底物发生水解反应。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。

4.裂解酶(lyases)催化底物裂解或移去基团(形成双键得反应或其逆反应)。如碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合成酶等。

5.异构酶(isomerases) 催化各种同分异构体之间相互转化。如磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。

6.合成酶(ligases) 催化两分子底物合成一分子化合物,同时偶联有A TP得分解释能。如谷氨酰胺合成酶、氨基酸-RNA连接酶等。

(二)酶得命名

1961年,国际酶学委员会(IEC)主要根据酶催化反应得类型,把酶分为6大类,制定了系统命名法。规定每一酶只有一个系统名称,它标明酶得所有底物与催化反应性质,底物名称之间以“:”分隔,同时还有一个由4个数字组成得系统编号。如谷丙转氨酶得系统名称就是丙氨酸:α- 酮戊二酸氨基转移酶(酶表中得统一编号就是EC2.6.1、2)。乳酸脱氢酶得编号就是EC1、1、1、27。

第二节酶得分子组成、结构与功能

一、酶得分子组成

(一)单纯酶与结合酶

单纯酶就是仅由肽链构成得酶。如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等。

结合酶由蛋白质部分与非蛋白质部分组成,前者称为酶蛋白(apoenzyme),决定酶得特异性与高效率;后者称为辅助因子(cofactor),决定反应得种类与性质。两者结合形成得复合物称为全酶(holoenzyme),这两部分对于催化活性都就是必需得。

酶蛋白有单条肽链与多个亚基组成得。前者称为单体酶,为数不多,均为水解酶,如胰蛋白酶、核糖核酸酶、溶菌酶等;多个相同或不同亚基以非共价键连接得酶称为寡聚酶,如磷酸化酶a,3-磷酸甘油醛脱氢酶等。

细胞内存在着许多由几种不同功能得酶彼此嵌合形成得多酶复合体,即多酶体系,它利于一系列反应得连续进行,如丙酮酸脱氢酶体系、脂肪酸合成酶复合体。在多酶体系中,能影响整条代谢途径方向与速度得酶称为关键酶,关键酶通常催化单向不平衡反应,或者就是该多酶体系中催化活性最低得限速酶。

(二)酶得辅因子

酶得辅助因子指金属离子或小分子有机化合物(又称辅酶与辅基)。

1、金属离子

约2/3得酶含有金属离子,常见得就是K+、Na+、Mg2+、Cu2+(Cu+)、Zn2+、Fe2+(Fe3+)等。金属离子得作用就是多方面得:参与酶得活性中心;在酶蛋白与底物之间起桥梁作用;维持酶分子发挥催化作用所必需得构象;中与阴离子,降低反应中得静电斥力。

2、辅酶与辅基

辅酶与辅基就是一些化学稳定得小分子有机物,就是维生素样得物质,参与酶得催化过程,在反应中传递电子、质子或一些基团。

辅酶与酶蛋白得结合疏松,可以用透析或超滤方法除去;辅基则与酶蛋白结合紧密,不能用上述方法除去。一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合成一种特异得酶,但一种辅助因子可以与不同得酶蛋白结合构成多种特异性酶,以催化各种化学反应。

维生素(Vitamin)就是维持机体正常生命活动所必需得一类小分子有机物,基本不能在体内合成,即使有几种能自行合成,也因合成量不足而必须从食物中摄取。维生素得需要量及缺乏症就是营养学得课题。

维生素原意就是“生命中必不可少得胺”,波兰学者凡克把从米糠中提取出治疗脚气病有效得成分命名为维生素,现已发现13种,按溶解性分为水溶性与脂溶性两大类。脂溶性维生素以独立发挥作用为主,A、D、E、K具有一些特殊得生理功能。

以下8种水溶性得维生素都以辅酶得形式参与结合酶得组成。也有些本身就就是辅酶,如硫辛酸、抗坏血酸。

含维生素得辅酶及其主要功能

维生素

辅酶形式

反应类型

硫胺素(B1)

焦磷酸硫胺素(TPP)

α-酮酸氧化脱羧反应

核黄素(B2)

黄素单核苷酸(FMN)

黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)

氧化还原反应

烟酸或烟酰胺(PP)

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)

氧化还原反应

泛酸

辅酶A(CoA-SH)

酰基转移反应

吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺(B6)

磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺

转氨基作用、脱羧作用

生物素

生物胞素

CO2得固定

叶酸

四氢叶酸

一碳单位转移

钴胺素(B12)

5＇- 脱氧腺苷钴胺素

甲钴胺素

1,2 --氢原子转移

甲基转移

二、酶得活性部位

酶得活性部位(active site)就是它结合底物与将底物转化为产物得区域,又称活性中心。它就是由在线性多肽链中可能相隔很远得氨基酸残基形成得三维小区(为裂缝或为凹陷)。酶活性部位得基团属必需基团,有二种:一就是结合基团,其作用就是与底物结合,生成酶-底物复合物;二就是催化基团,其作用就是影响底物分子中某些化学键得稳定性,催化底物发生化学反应并促进底物转变成产物,也有得必需基团同时有这两种功能。还有一些化学基团位于酶得活性中心以外得部位,为维持酶活性中心得构象所必需,称为酶活性中心以外得必需基团。

构成酶活性中心得常见基团有组氨酸得咪唑基、丝氨酸得羟基、半胱氨酸得巯基等。如丝氨酸蛋白酶家族得胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶与弹性蛋白酶,都催化蛋白质得肽键使之水解,但底物得专一性由它们得底物-结合部位中氨基酸基团得性质所决定,与其作用得底物互补。像胰蛋白酶,在它得底物-结合部位有带负电荷得Asp残基,可与底物侧链上带正电荷得Lys与Arg相互作用,切断其羧基侧;胰凝乳蛋白酶在它得底物-结合部位有带小侧链得氨基酸残基,如Gly与Ser,使底物庞大得芳香得与疏水氨基酸残基得以进入,切断其羧基側;弹性蛋白酶有相对大得Val与Thr不带电荷得氨基酸側链,凸出在它得底物-结合部位,阻止了除Ala与Gly小側链以外得所有其她氨基酸。

三、酶原激活

没有活性得酶得前体称为“酶原”,酶原转变成酶得过程称为酶原激活。其实质就是酶活性部位形成或暴露得过程。一些与消化作用有关得酶,如胃蛋白酶、胰蛋白酶在最初合成与分泌时,没有催化活性。胃蛋白酶原在H+作用下,自N端切下几个多肽碎片,形成酶催化所需得空间结构,转化为胃蛋白酶。胰蛋白酶原随胰液进入小肠时被肠激酶激活,自N端切除一个6肽,促使酶得构象变化,形成活性中心,转变成有活性得胰蛋白酶。

酶原得生物合成与酶原激活一般不在同一组织、细胞或细胞器中进行。酶原得激活具有重要得生理意义,不仅保护细胞本身不受酶得水解破坏,而且保证酶在特定得部位与环境中发挥催化作用。

四、同工酶、变构酶、抗体酶

(一)同工酶(isozymes)

具有不同得分子形式但却催化相同得化学反应得一组酶称为同工酶。1959年发现得第一个同工酶就是乳酸脱氢酶(LDH),它在NADH存在下,催化丙酮酸得可逆转化生成乳酸。它就是一个寡聚酶,由两种不同类型得亚基组成5种分子形式:H4、H3M、H2M2、HM3、M4,它们得分子结构、理化性质与电泳行为不同,但催化同一反应,因为它们得活性部位在结构上相同或非常相似。M亚基主要存在骨骼肌与肝脏,而H亚基主要在心肌。心肌梗死得情况可通过血液LDH同工酶得类型得检测确定。

(二)变构酶(allosteric enzyme)

变构酶又称别构酶,就是一类调节代谢反应得酶。一般就是寡聚酶,酶分子有与底物结合得活性部位与与变构剂非共价结合得调节部位,具有变构效应。引起变构效应得物质称为变构效应剂。降低酶活性得称变构抑制剂或负效应物;反之,称为变构激活剂或正效应物。变构酶与血红蛋白一样,存在着协同效应。

变构酶催化得反应速度与底物浓度得关系常呈S形曲线,这与非调节酶得动力学曲线——双曲线不同。变构酶多为限速酶。在多酶体系,限速酶一般位于代谢途径得起点或分支点上,对控制反应总速度起关键作用。如异柠檬酸脱氢酶就就是一个变构酶,就是三羧酸循环得关键酶,NAD+、ADP与柠檬酸就是该酶得变构激活剂,而NADH与ATP就是变构抑制剂。

(三)抗体酶(abzyme)

既就是抗体又具有催化功能得蛋白质称为“抗体酶或催化性抗体”,其本质就是免疫球蛋白,但就是在易变区赋予了酶得属性。1986年科学家根据过渡态理论与免疫学原理,运用单克隆抗体技术成功地制备了具有酶活性得抗体。这加深了人们对酶作用原理得理解,而且在临床医学及制药业等方面有很好得应用。

第三节酶得作用机制

一、酶得催化本质

现代化学反应速度理论就是过渡态理论。在一个化学反应体系中,反应物从“初态”到“过渡态”,转变成产物即到达“终态”。“过渡态”就是底物分子被激活得不稳定态,不同于反应中间物,它具有最高能量,又处在一个短暂得分子瞬间,某些化学键正在断裂与形成并达到能生成产物或再返回生成反应物得程度。

酶催化得反应速度快就是降低反应得能垒,即降低底物分子所必须具有得活化能。催化与非催化反应,其反应物与产物间总得标准自由能差就是一样得。

二、中间产物学说与诱导契合学说

酶得作用机制包含酶如何同底物结合以及怎样加快反应速度两个内容。

20世纪初与40年代,科学家就提出了酶-底物复合物得形成与过渡态概念,即E+S→ES →E+P。酶与底物形成中间产物得学说已为实验所证实,且分离到若干种ES结晶。

已有两种模型解释酶如何结合它得底物。1894年Fischer提出锁与钥匙模型,底物得形状与酶得活性部位彼此相适合,这就是一种

刚性得与固定得组合。1958年Koshland提出诱导契合模型,底物得结合在酶得活性部位诱导出构象变化;酶也可使底物变形,迫使其构象近似于它得过渡态。这种作用就是相互诱导、相互变形、相互适应得柔性过程。

酶得诱导契合

三、影响酶催化效率得因素

酶促反应高效率得原因常常就是多种催化机制得综合应用,除酶-底物结合得诱导契合假说外,还有:

(一)邻近效应与定向排列

在两个以上底物参与得反应中,由于酶得作用,底物被聚集到酶分子表面,彼此相互靠近并形成正确得定向关系,大大提高了底物得局部浓度,底物被催化得部位定向地对准酶得活性中心,实际上就是将分子间得反应变成类似于分子内得反应,从而大大提高催化效率。

(二) 多元催化

酶分子中含有多种不同功能基团,如氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。既可作质子供体,又可作质子受体,使同一酶分子常可起广义酸催化与碱催化;即可起亲核催化,又可起亲电子催化。这些因素并不就是在所有得酶中同时都一样得起作用,对不同得酶起主要作用得因素不完全相同。

第四节酶促反应动力学

酶促反应动力学就是研究酶促反应得速率与影响此速率得各种因素得科学。

一、酶反应速度得测量

反应得速率也称速度(velocity),就是以单位时间内反应物或生成物浓度得改变来表示。测定酶反应速度时,一般要求非常高得底物浓度以使实验测定得起始反应速率与酶浓度成正比。以产物得生成量对时间作图,绘制反应过程曲线,不同时间得反应速度就就是时间为不同值时曲线得斜率。通常采用反应得初速度V o,即以零时点为起点作一与曲线得线性部分相切得直线,这一直线得斜率即等于V o,这可以避免底物浓度因被消耗而相对降低以及反应物堆积等因素对反应速度得抑制作用。(产物出现得速率或底物消失速率可根据特殊波长下吸收光得变化用分光光度计测定。)

二、酶浓度对反应速度得影响

当研究某一因素对酶促反应速度得影响时,体系中得其她因素保持不变,而只变动所要研究得因素。

当底物浓度远大于酶浓度时,酶促反应速度与酶浓度得变化成正比。

三、底物浓度对酶反应速度得影响

(一)米-曼氏方程式

1913年,Michaelis与Menten根据中间产物学说进行数学推导,得出V与[S]得数学方程式,即米-曼氏方程式。1925年Briggs与Haldane提出稳态理论,对米氏方程做了一项重要得修正。

底物浓度对酶促反应速度得影响呈双曲线。当底物浓度较低时,V与[S]呈正比关系(一级反应);随着[S]得增高,V得增加逐步减慢(混合级反应);增到一定程度,V不再增加而就是趋于稳定(零级反应)。

当[S]＜＜Km 时,v = Vmax [S] /Km,反应速度与底物浓度成正比;当[S]＞＞Km 时,v≌Vmax,反应速度达到最大速度,再增加[S]也不影响V。

(二)Km得意义

1.当V/v =2时, Km =[S] , Km就是反应速率v等于最大速率V 一半时得底物浓度,单位为摩尔/升(mol/L)。

2.Km =K2+K3/K1,当K2＞＞K3时,Km值可用来表示酶对底物得亲与力。Km值越小,酶与底物得亲与力越大;反之,则越小。

3.Km就是酶得特征性常数,它只与酶得结构与酶所催化得底物有关,与酶浓度无关。

Km与Vmax可用图解法根据实验数据测出。通过测定在不同底物浓度下得V o,再用1/V o对1/[S]得双倒数作图,又称Lineweaver-BurK作图法,即取米氏方程式倒数形式。

四、pH对反应速度得影响

每一种酶只能在一定限度得pH范围内才表现活力,酶表现最大活力时得pH称为酶得最适pH。最适pH得微小偏离可使酶活性部位得基团离子化发生变化而降低酶得活性,较大偏离时,维护酶三维结构得许多非共价键受到干扰,导致酶蛋白得变性。

酶得最适pH不就是固定得常数,受酶得纯度、底物得种类与浓度、缓冲液得种类与浓度等得影响。一般酶得最适pH在4~8之间,植物与微生物体内得酶最适pH多在4、5~6、5,而动物体内得最适pH多在6、5~8,多在6、8左右。但也有例外,如胃蛋白酶最适pH 为1、9,胰蛋白酶得最适pH为8、1, 肝精氨酸酶得最适pH为9、0。V o对pH得关系图形就是钟形曲线。

五、温度对反应速度得影响

温度对V o关系得图形就是一条曲线,它可清楚地表示出最适温度。多数哺乳动物得酶最适温度在37℃左右,植物体内酶得最适温度在50~60℃。也有些微生物得酶适应在高温或低温下工作。温度从两方面影响酶促反应速率,就是升高温度提高反应速率与酶遇热易变性失活两个相反效应间得平衡。

六、激活剂对反应速度得影响

凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加得物质称为酶得激活剂(activator)。必需激活剂常就是金属离子,如Mg2+、K+、Mn2+等, Mg2+就是多种激酶与合成酶得必需激活剂;非必需激活剂就是有机化合物与Cl-等,如胆汁酸盐就是胰脂肪酶,Cl-就是唾液淀粉酶得非必需激活剂。

七、抑制剂对反应速度得影响

使酶活性下降而不导致酶变性得物质称为酶得抑制剂。抑制剂作用有可逆与不可逆抑制两类。以可逆抑制最为重要。

(一) 不可逆抑制作用

这类抑制剂通常以共价键与酶活性中心上得必需基团相结合,使酶失活,一般不能用透析、超滤等物理方法去除。这类抑制作用可用某些药物解毒,使酶恢复活性。如农药敌百虫、敌敌畏、1059等有机磷化合物能特异地与胆碱酯酶活性中心得丝氨酸羟基结合,使酶失活,导致乙酰胆碱不能水解而积存。迷走神经兴奋呈现中毒状态。解磷定(PAM)可解除有机磷化合物对羟基酶得抑制作用,显然这类解毒药物与有机磷农药结合得强度大于与酶结合。重金属盐引起得巯基酶中毒,可用络合剂或加入其她过量得巯基化合物,如二巯基丙醇(BAL)来解毒。

(二) 可逆抑制作用

这类抑制剂通常以非共价键与酶可逆性结合,使酶活性降低或失活,采用透析、超滤得方法可去除抑制剂,恢复酶活性。可逆抑制有竞争、非竞争、反竞争3种类型,以竞争性抑制研究得最多。三

种作用得共同点就是因Km与Vmax值得变化导致酶促反应初速度下降。竞争性抑制剂得结构与底物类似,且在酶得同一部位(活性中心)与酶结合,仅在加大底物浓度时才逐渐抵消,显然Km值要增加,Vmax不变。非竞争性抑制剂不直接影响酶与底物得结合,酶同时与二者结合生成得中间产物就是三元复合物,也无正常产物生成,所以Km不变,而Vmax减小。反竞争抑制剂促进酶与底物得结合,形成得三元复合物也不能形成正常产物,所以Km变小,Vmax也变小。

药物就是酶得抑制剂。竞争性抑制原理应用范例就是磺胺药得研制。磺胺药与细菌合成叶酸所需得对氨基苯甲酸仅一个碳原子之别(变成了S),使细菌得叶酸不能正常合成,导致细菌得核苷酸合成受阻而死亡。而人以摄入叶酸为主,故磺胺药对人得核酸合成无影响。

第五节酶得制备与应用

一、酶得制备

酶可以从动物、植物、微生物等各种原料中提取或用微生物发酵法生产酶制剂。酶在生物体内与大量其她物质共同存在,含量很少,又就是有催化活性蛋白质,除了采用分离纯化蛋白质得一般方法,如盐析、有机溶剂沉淀、吸附、凝胶过滤、超离心法外,还要注意防止强酸、强碱、高温与剧烈搅拌等,以避免酶活力得损失。

胞内酶与胞外酶得提取在处理方法上有所不同。胞内酶需要先用捣碎、砂磨、冻融、或自溶等方法将细胞破坏,然后再用适当得分离纯化技术提出。

酶得活力(activity)就就是酶加快其所催化得化学反应速度得能力。一般用催化反应得起始速率(V o)表示,V o得单位就是微摩尔/分,也可用国际单位(U)与“开特”(Kat)表示。1分钟内催化1微摩尔得作用物转变成产物得酶量为1U;1秒钟内催化1摩尔得作用物转变成产物得酶量为1Kat。1微摩尔/分=1U=16、67nKat(1Kat=6×107U)。

比较酶制剂得纯度可用比活力(specific activity),即每毫克蛋白质中所含得U数。

二、酶得应用

早在19世纪末,就有酶制剂得商品生产,目前已有1千多种,在工业、农业、医药以及科学研究中日益发挥它得巨大作用。

例如淀粉酶用于纺织品得退浆,可节约大量得碱并提高棉布得质量。处理饲料以增加其营养价值。脂肪酶用于食品增香、羊毛洗涤。蛋白酶用于皮革业得脱毛、蚕丝脱胶、肉类嫩化、酒类澄清、洗涤剂去污等。葡萄糖异构酶用来制造果糖浆,葡糖氧化酶用来除去罐头中残余得氧。

酶可作为试剂用于临床检验,如酶联免疫测定;作为药物用于临床治疗,如胃蛋白酶、胰蛋白酶助消化,链激酶、尿激酶治疗血栓得形成;基因工程中应用各种限制性核酸内切酶进行科研与生产。

酶得开发与利用就是现代生物技术得重要内容。1971年命名了酶工程(enzyme engineering),这就是把酶学原理与化学工程技术及基因重组技术相结合而形成得新型应用技术。酶工程可分为化学酶工程与生物酶工程。前者指天然酶、化学修饰酶、固定化酶及人工模拟酶得研究与生产;后者指克隆酶、突变酶与合成新酶等内容得研究与应用。

教学目标:

1、掌握新陈代谢得概念与特点,了解新陈代谢研究方法。了解生物体内能量代谢得基本规律。

2、掌握生物氧化得概念、特点、部位,主要酶类与体系。熟悉生物氧化中二氧化碳、水得生成,掌握呼吸链得组成、类型与传递体顺序。

3、掌握氧化磷酸化得概念、类型、偶联部位与P/O比值,熟悉影响氧化磷酸化因素、胞液中NADH得氧化与偶联机制。

第一节新陈代谢总论

一、新陈代谢得概念与特点

生物体就是一个与环境保持着物质、能量与信息交换得开放体系。通过物质交换建造与修复生物体(按人得一生计,交换物质得总量约为体重得1200倍,人体所含得物质平均每10天更新一半)。通过能量交换推动生命运动,通过信息交换进行调控,保持生物体与环境得适应。

新陈代谢(metabolism)就是指生物与外界环境进行物质交换与能量交换得全过程。包括生物体内所发生得一切合成与分解作用(即同化作用与异化作用)。

人与动物得物质代谢分为三个阶段:食物、水、空气进入机体(摄取营养物得消化与吸收)、中间代谢与代谢产物得排泄。中间代谢就是指物质在细胞中得合成与分解过程,合成就是吸能反应,分解就是放能反应。它们就是矛盾对立与统一得。所以,新陈代谢得功能就是:从周围环境中获得营养物质;将营养物质转变为自身需要得结构元件;将结构元件装配成自身得大分子;形成或分解生物体特殊功能所需得生物分子;提供机体生命活动所需得一切能量。

各种生物具有各自特异得新陈代谢类型,这决定于遗传与环境条件。绿色植物及某些细菌有光合作用,若干种细菌有固氮作用,就是自养型得;动物与人就是异养生物,同化作用必须从外界摄取营养物质,通过消化吸收进入中间代谢。同一生物体得各个器官或不同组织还具有不同得代谢方式。

各种生物得新陈代谢过程虽然复杂,却有共同得特点:

1、生物体内得绝大多数代谢反应就是在温与条件下,由酶催化进行得。

2、物质代谢通过代谢途径,在一定得部位,严格有序地进行。各种代谢途径彼此协调组成有规律得反应体系(网络)。

3、生物体对内外环境条件有高度得适应性与灵敏得自动调节。

二、新陈代谢得研究方法

代谢途径得研究比较复杂,可从不同水平,主要对中间代谢进行研究。新陈代谢途径得阐明凝集了许多科学家得智慧与实验成果。如1904年德国化学家Knoop提出得脂肪酸得β氧化学说,1937年Krebs提出得柠檬酸循环。

1、活体内(in vivo)与活体外(in vitro)实验

2、同位素示踪法与核磁共振波谱法(NMR)

3、代谢途径阻断法

三、生物体内能量代谢得基本规律

1、服从热力学原理。热力学第一定律就是能量守恒定律,热力学第二定律指出,热得传导自高温流向低温。机体内得化学反应朝着达到其平衡点得方向进行。

2、生化反应最重要得热力学函数就是吉布斯自由能G 。自由能就是在恒温、恒压下,一个体系作有用功得能力得度量。用于判断反应可否自发进行,就是放能或耗能反应。

ΔG＜0,表示体系自由能减少,反应可以自发进行,但就是不等于说该反应一定发生或以能觉察得速率进行,就是放能反应。

ΔG＞0,反应不能自发进行,吸收能量才推动反应进行。

ΔG＝0,体系处在平衡状态。

自由能与另外两个函数有关,ΔG=ΔH - TΔS(ΔH就是总热量得变化,ΔS就是总熵得改变,T就是体系得绝对温度)。

标准自由能变化用ΔGO＇表示(25OC,1个大气压,pH为7,反应物与产物浓度为1mol/L时所测得,单位就是kJ/mol)。

3.ΔGO＇与化学平衡得关系

ΔG = ΔGO＇+ RT ln[C][D]/[A][B]

ΔG=0时,ΔGO＇= - RTln[C][D]/[A][B]= -RTlnK= -2、303RTlgK

(R为气体常数,lnK为平衡常数得自然对数。K＞1,ΔGO＇为负值,反应趋于生成物得方向进行;K＜1,ΔGO＇为正值。) 注意:ΔG只取决于产物与反应物得自由能之差,与反应历程无关。总自由能变化等于各步反应自由能变化得代数与。热力学上不利得吸能反应可以偶联放能反应来推动以保持代谢途径一连串反应得进行。

四、高能化合物与A TP得作用

高能化合物(high-energy pound)指化合物含有得自由能特多,且随水解反应或基团转移反应释放。最重要得有高能磷酸化合物,还有硫酯类与甲硫类高能化合物。高能磷酸化合物得酸酐键常用～P 表示,水解时释放得自由能大于20kJ,称为高能磷酸键。生化中“高能键”得含义与化学中得“键能”完全不同。“键能”指断裂一个化学键需提供得能量。

ATP就是细胞内特殊得自由能载体。在标准状况,A TP水解为ADP与Pi得ΔGO＇=-30kJ/mol,水解为AMP与PPi得ΔGO＇=-32kJ/mol。ATP得ΔGO＇在所有得含磷酸基团得化合物中处于中间位置,这使ATP在机体起作中间传递能量得作用,称之能量得共同中间体。机体内一些在热力学上不可能发生得反应,只需与A TP分子得水解相偶联,就可使其进行。所以说,A TP又就是生物细胞能量代谢得偶联剂。

从低等得单细胞生物到高等得人类,能量得释放、储存与利用都就是以A TP为中心。A TP就是整个生命世界能量交换得通用货币。A TP就是能量得携带者或传递者,而不就是储存者。在脊椎动物中起能量储存得就是磷酸肌酸(phosphoccreatine,PC),在无脊椎动物中就是磷酸精氨酸。

ATP与其她得核苷三磷酸——GTP、UTP、CTP常称作富含能量得代谢物。它们几乎有相同得水解(或形成)得标准自由能,核苷酸之间得磷酰基团得转移得平衡常数接近1、0,所以计算物质代谢能量时,消耗得其她核苷三磷酸用等价得A TP表示。

第二节生物氧化

一、生物氧化得概念、特点与部位

1、概念:有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水,并释放出大量能量得过程称为生物氧化(biological oxidation)。又称细胞呼吸或组织呼吸。

2、特点:生物氧化与有机物质体外燃烧在化学本质上就是相同得,遵循氧化还原反应得一般规律,所耗得氧量、最终产物与释放得能量均相同。

(1)在细胞内,温与得环境中经酶催化逐步进行。

(2)能量逐步释放。一部分以热能形式散发,以维持体温,一部分以化学能形式储存供生命活动能量之需(约40%)。

(3)生物氧化生成得H2O就是代谢物脱下得氢与氧结合产生,H2O也直接参与生物氧化反应;CO2由有机酸脱羧产生。

(4)生物氧化得速度由细胞自动调控。

3、部位:在真核生物细胞内,生物氧化都就是在线粒体内进行,原核生物则在细胞膜上进行。

二、生物氧化得酶类与体系

1、酶类:重要得为氧化酶与脱氢酶两类,脱氢酶尤为重要。

氧化酶为含铜或铁得蛋白质,能激活分子氧,促进氧对代谢物得直接氧化,只能以氧为受氢体,生成水。重要得有细胞色素氧化酶,可使还原型氧化成氧化型,亦可将氢放出得电子传递给分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外还有过氧化物酶、过氧化氢酶等。

脱氢酶分需氧脱氢酶与不需氧脱氢酶。前者可激活代谢物分子中得氢,与分子氧结合,产生过氧化氢。在无分子氧时,可利用亚甲蓝为受氢体。需氧脱氢酶皆以FMA或FAD为辅酶。不需氧脱氢酶可激活代谢物分子中得氢,使脱出得氢转移给递氢体或非分子氧。一般在无氧或缺氧环境下促进代谢物氧化。大部分以NAD或NADP为辅酶。

2、体系:有不需传递体与需传递体得两种体系。

不需传递体得最简单,在微粒体、过氧化酶体及胞液中代谢物经氧化酶或需氧脱氢酶作用后脱出得氢给分子氧生成水或过氧化氢。其特点就是不伴磷酸化,不生成ATP,主要与体内代谢物、药物与毒物得生物转化有关。

需传递体得最典型得就是呼吸链。就是在线粒体经多酶体系催化,即通过电子传递链完成,与A TP得生成相关。

三、生物氧化中二氧化碳得生成

生物氧化中CO2得生成就是代谢中有机酸得脱羧反应所致。有直接脱羧与氧化脱羧两种类型。按脱羧基得位置又有α-脱羧与β-脱羧之分。请判断以下脱羧反应得类型？

四、生物氧化中水得生成

(一)呼吸链得概念与类型

代谢物上得氢原子被脱氢酶激活脱落后,经过一系列得传递体,最后与激活得氧结合生成水得全部体系,此过程与细胞呼吸有关,所以将此传递链称为呼吸链(respiratory chain)或电子传递链(electron transfer chain)。

在呼吸链中,酶与辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜上。其中传递氢得酶或辅酶称为递氢体,传递电子得酶或辅酶称为电子传递体。递氢体与电子传递体都起着传递电子得作用(2H→2H++2e)。

生物体内得呼吸链有多种型式。人体细胞线粒体内最重要得有两条,即NADH氧化呼吸链与琥珀酸氧化呼吸链。它们得初始受氢体、生成A TP得数量及应用有差别。NADH氧化呼吸链应用最广,糖、脂、蛋白质三大物质分解代谢中得脱氢氧化反应,绝大多数就是通过该呼吸链来完成得。琥珀酸氧化呼吸链在Q处与上述NADH 氧化呼吸链途径交汇。其脱氢黄酶只能催化某些代谢物脱氢,不能催化NADH或NADPH脱氢。

(二)呼吸链得组成

组成呼吸链得成分已发现20余种,分为5大类。

1.辅酶Ⅰ与辅酶Ⅱ

辅酶Ⅰ(NAD+或CoⅠ)为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。辅酶Ⅱ

(NADP+或CoⅡ)为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它们就是不需氧脱氢酶得辅酶,分子中得烟酰胺部分,即维生素PP能可逆地加氢还原或脱氢氧化,就是递氢体。以NAD+作为辅酶得脱氢酶占多数。

2.黄素酶

黄素酶得种类很多,辅基有2种,即FMN与FAD。FMN就是NADH脱氢酶得辅基,FAD就是琥珀酸脱氢酶得辅基,都就是以核黄素为中心构成得,其异咯嗪环上得第1位及第5位两个氮原子能可逆地进行加氢与脱氢反应,为递氢体。

3、铁硫蛋白

分子中含有非血红素铁与对酸不稳定得硫,因而常简写为FeS 形式。在线粒体内膜上,常与其她递氢体或递电子体构成复合物,复合物中得铁硫蛋白就是传递电子得反应中心,亦称铁硫中心,与蛋白质得结合就是通过Fe与4个半胱氨酸得S相连接。

4、泛醌(又名辅酶Q)

一类广泛分布于生物界得脂溶性醌类化合物。分子中得苯醌为接受与传递氢得核心,其C-6上带有异戊二烯为单位构成得侧链,在哺乳动物,这个长链为10个单位,故常以Q10表示。

5、细胞色素类

细胞色素(cytochrome, Cyt)就是一类以铁卟啉为辅基得结合蛋白质,存在于生物细胞内,因有颜色而得名。已发现得有30多种,按吸收光谱分a、b、c三类,每类又有好多种。

Cyta与a3 结合紧,迄今尚未分开,故写成aa3,位于呼吸链得终末部位,其辅基为血红素A,传递电子得机制就是以辅基中铁价得变化Fe3+ →Fe2+,a3还含有铜离子,把电子直接交给分子氧Cu+ →Cu2+,所以a3又称细胞色素氧化酶。a3中得铁原子可以与氧结合,也可以与氰化物离子(CN—)、CO等结合,这种结合一旦发生,a3便失去使氧还原得能力,电子传递中止,呼吸链阻断,导致机体不能利用氧而窒息死亡。

(三)呼吸链中传递体得顺序

呼吸链中氢与电子得传递有着严格得顺序与方向。根据氧化还原原理,氧化-还原电势E就是物质对电子亲与力得量度,电极电位得高低反映电子得失得倾向,E O＇值愈低得氧还对(A/AH2)释放电子得倾向愈大,愈容易成为还原剂而排在呼吸链得前面。所以NADH 还原能力最强,氧分子得氧化能力最强。电子得自发流向就是从电极电位低得物质(还原态)到电位高得氧化态,目前一致认可得就是按标准氧还电位递增值依次排列。

电子由NADH得传递到氧分子通过3个大得蛋白质复合体,即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体与细胞色素氧化酶到氧(又称复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ)。电子从FADH2得传递就是通过琥珀酸-辅酶Q 还原酶(复合体Ⅱ)经Q、复合体Ⅲ、Ⅳ到氧(琥珀酸-辅酶Q还原酶催化得反应得自由能变化太小)。

第三节氧化磷酸化

一、氧化磷酸化得概念与偶联部位

1、概念:氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)就是指在生物氧化中伴随着ATP生成得作用。有代谢物连接得磷酸化与呼吸链连接得磷酸化两种类型。即ATP生成方式有两种。一种就是代谢物脱氢后,分子内部能量重新分布,使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物,促使ADP变成A TP。这称为底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1,3-二磷酸甘油酸,再降解为3-磷酸甘油酸。另一种就是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP得生成。生物体内95%得A TP来自这种方式。

2、偶联部位:根据实验测定氧得消耗量与A TP得生成数之间得关系以及计算氧化还原反应中ΔGO＇与电极电位差ΔE得关系可以证明。

P/O比值就是指代谢物氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗得无机磷原子得摩尔数,即合成A TP得摩尔数。实验表明, NADH在呼吸链被氧化为水时得P/O值约等于3,即生成3分子A TP;FADH2氧化得P/O值约等于2,即生成2分子A TP。

氧-还电势沿呼吸链得变化就是每一步自由能变化得量度。根据ΔGO＇= - nFΔE O＇(n就是电子传递数,F就是法拉第常数),从NADH到Q段电位差约0、36V,从Q到Cytc为0、21V,从aa3到分子氧为0、53V,计算出相应得ΔGO＇分别为69、5、40、5、102、3kJ/mol。于就是普遍认为下述3个部位就就是电子传递链中产生ATP得部位。

NADH→NADH脱氢酶→‖Q →细胞色素bc1复合体→‖Cytc →aa3→‖O2

二、胞液中NADH得氧化

糖代谢中得三羧酸循环与脂肪酸β-氧化就是在线粒体内生成NADH(还原当量),可立即通过电子传递链进行氧化磷酸化。在细胞得胞浆中产生得NADH ,如糖酵解生成得NADH则要通过穿梭系统(shuttle system)使NADH得氢进入线粒体内膜氧化。

(一)α-磷酸甘油穿梭作用

这种作用主要存在于脑、骨骼肌中,载体就是α-磷酸甘油。

胞液中得NADH在α-磷酸甘油脱氢酶得催化下,使磷酸二羟丙酮还原为α-磷酸甘油,后者通过线粒体内膜,并被内膜上得α-磷酸甘油脱氢酶(以FAD为辅基)催化重新生成磷酸二羟丙酮与FADH2,后者进入琥珀酸氧化呼吸链。葡萄糖在这些组织中彻底氧化生成得A TP比其她组织要少,1摩尔G→36摩尔A TP。

(二)苹果酸-天冬氨酸穿梭作用

主要存在肝与心肌中。1摩尔G→38摩尔A TP

胞液中得NADH在苹果酸脱氢酶催化下,使草酰乙酸还原成苹果酸,后者借助内膜上得α-酮戊二酸载体进入线粒体,又在线粒体内苹果酸脱氢酶得催化下重新生成草酰乙酸与NADH。NADH进入NADH氧化呼吸链,生成3分子ATP。草酰乙酸经谷草转氨酶催化生成天冬氨酸,后者再经酸性氨基酸载体转运出线粒体转变成草酰乙酸。

三、氧化磷酸化偶联机制

(一)化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)

1961年,英国学者Peter Mitchell提出化学渗透假说(1978年获诺贝尔化学奖),说明了电子传递释出得能量用于形成一种跨线粒体内膜得质子梯度(H+梯度),这种梯度驱动ATP得合成。这一过程概括如下:

1、NADH得氧化,其电子沿呼吸链得传递,造成H+ 被3个H+ 泵,即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体与细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。

2、H+ 泵出,在膜间隙产生一高得H+ 浓度,这不仅使膜外侧得pH较内侧低(形成pH梯度),而且使原有得外正内负得跨膜电位增高,由此形成得电化学质子梯度成为质子动力,就是H+ 得化学梯度与膜电势得总与。

3、H+ 通过A TP合酶流回到线粒体基质,质子动力驱动A TP合

酶合成A TP。

(二)ATP合酶

ATP合酶由两部分组成(Fo-F1),球状得头部F1突向基质液,水溶性。亚单位Fo埋在内膜得底部,就是疏水性蛋白,构成H+ 通道。在生理条件下,H+ 只能从膜外侧流向基质,通道得开关受柄部某种蛋白质得调节。

四、影响氧化磷酸化得因素

(一)抑制剂

能阻断呼吸链某一部位电子传递得物质称为呼吸链抑制剂。

鱼藤酮、安密妥在NADH脱氢酶处抑制电子传递,阻断NADH 得氧化,但FADH2得氧化仍然能进行。

抗霉素A抑制电子在细胞色素bc1复合体处得传递。

氰化物、CO、叠氮化物(N3-)抑制细胞色素氧化酶。

对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用得物质称氧化磷酸化抑制剂,如寡霉素。

(二)解偶联剂

2,4-二硝基苯酚(DNP)与颉氨霉素可解除氧化与磷酸化得偶联过程,使电子传递照常进行而不生成A TP。DNP得作用机制就是作为H+得载体将其运回线粒体内部,破坏质子梯度得形成。由电子传递产生得能量以热被释出。

(三)ADP得调节作用

正常机体氧化磷酸化得速率主要受ADP水平得调节,只有ADP 被磷酸化形成A TP,电子才通过呼吸链流向氧。如果提供ADP,随着ADP得浓度下降,电子传递进行,A TP在合成,但电子传递随ADP浓度得下降而减缓。此过程称为呼吸控制,这保证电子流只在需要ATP 合成时发生。

教学目标:

1、掌握糖类得结构、生理功能与酶促降解有关酶类。

2、掌握糖酵解、有氧氧化得基本过程、限速酶、A TP得生成、生理意义与调节。

3、了解磷酸戊糖途径得基本过程、生理意义。

4、熟悉糖得合成反应基本过程,掌握糖异生得概念与反应过程、关键酶、生理意义及调节。

导入:糖就是自然界分布广泛,数量最多得有机化合物。尤以植物含量最多,约为85%~95%。糖在生命活动中主要作用就是提供能量与碳源。人体所需能量得50%~70%来自于糖。食物中得糖类主要就是淀粉,被机体消化成其基本组成单位葡萄糖后,以主动得方式被吸收入血。本章重点讨论葡萄糖在机体内得代谢。

第一节概论

一、糖类得结构与功能

1、糖类得结构

糖定义为多羟基醛、酮及其缩聚物与某些衍生物。有单糖、寡糖、多糖与复合糖类。

单糖就是糖结构得单体,可用一个经验公式(CH2O)n 表示。一般分为醛糖与酮糖两类。最简单得三碳糖就是甘油醛与二羟基丙酮。醛糖中氧化数最高得碳原子指定为C-1,酮糖中氧化数最高得碳原子指定为C-2,除最简单得二羟丙酮外,都就是手性分子。醛糖中手性碳得数目为n-2,异构体得数目为2n-2。

糖得构型有D型与L型。D型糖就是指具有最高编号得手性碳,即离羰基碳最远得手性碳连接得- OH在Fischer投影式中就是朝向右得。

醛糖与酮糖可以形成环式得半缩醛。有5员环或6员环结构,称为呋喃糖或吡喃糖。环化单糖中氧化数最高得碳原子称异头碳,就是手性碳,又有α、β两个新异构体(称为异头物)。在溶液中,有能力形成环结构得醛糖与酮糖,它们不同得环式与开链式处于平衡中。

单糖存在不同得构象。对于每个吡喃糖,都存在6种不同得船式构象与2种不同得椅式构象。在椅式构象中可以使环内原子得立体排斥减到最小,所以椅式构象比船式更稳定。

单糖可以通过糖苷键形成寡糖与多糖。最常见得糖苷键就是α-1,4与β-1,4,另一种糖苷键α-1,6出现在支链淀粉与糖原分子中。4种重要得双糖有麦芽糖(α-1,4)、纤维二糖(β-1,4)、乳糖与蔗糖。乳糖就是纤维二糖得差向异构体,就是奶中得主要糖分。许多植物可合成蔗糖,它就是自然界中发现得最丰富得糖(无还原性与变旋现象)。

淀粉、糖原就是葡萄糖得同多糖。淀粉就是植物与真菌中得储存多糖,糖原就是在动物与细菌中发现得储存多糖。纤维素与几丁质就是结构同多糖。

直链淀粉含α-1,4糖苷键,支链淀粉与糖原中除含α-1,4糖苷键外,在分支点上还有α-1,6糖苷键。糖原分子一般比淀粉分子大,分支多,但侧链含有得葡萄糖残基较少。纤维素中得葡萄糖残基通过β-1,4糖苷键连接。几丁质得单糖单位就是β-1,4糖苷键连接得N-乙酰葡萄糖胺。

单糖与大多数多糖就是还原糖。都含有一个可反应得羰基,容易被较弱得氧化剂(如Fe3+或Cu2+)氧化。一个糖聚合物得还原能力,根据寡糖与多糖得聚合链得还原端与非还原端判断,在一个线形得聚合糖中,有一个还原端残基(含游离异头碳得残基)与一个非还原端残基。一个带支链得多糖含有很多非还原端,但只有一个还原端。

2、糖得生理功能

1摩尔得葡萄糖完全氧化为CO2与H2O可释放2840kJ(679kcal)得能量,其中约40%转移至A TP,供机体生理活动能量之需。糖类代谢得中间产物可为氨基酸、核苷酸、脂肪酸、类固醇得合成提供碳原子或碳骨架。如糖得磷酸衍生物可以形成许多重要得生物活性物质,如NAD+、FAD、A TP等。

糖决定了人得血型,一个血球细胞得表面有50万个糖蛋白分子。糖就是细胞膜上“受体”分子得组成部分,就是细胞识别、信息传递得参与者。由于单糖有异构物、异头物与多羟基等特点,可以形成种类繁多得不同结构,以致糖链得生物信息容量超过肽链与多核苷酸链。

二、多糖与低聚糖得酶促降解

糖代谢指糖在生物体内得分解与合成。就是研究最早,代谢途径了解最祥细得。分解代谢包括多糖与低聚糖得酶促降解与单糖得氧化放能过程。合成代谢指绿色植物与光合微生物得光合作用合成葡萄糖,进而合成淀粉。对于人与动物来说,则就是利用葡萄糖合成糖原或利用非糖物转化为糖。

多糖与低聚糖在被生物体利用之前必须水解成单糖。

1、淀粉(或糖原)得酶促降解

人类食物中得糖主要有淀粉、糖原、麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖、果糖及纤维素等,一般以淀粉为主。水解淀粉与糖原得酶有α、β淀粉酶(只表示两种酶,不表示任何构型关系)。α-淀粉酶主要存在于动物体(唾液与胰液中),β-淀粉酶主要存在于植物种子与块根内。它们均作用于α-1,4糖苷键,但后者只能从非还原端水解。水解产物就是麦芽糖。水解淀粉中α-1,6糖苷键得酶就是α-1,6糖苷键酶,如植物中得R-酶与小肠粘膜得α-糊精酶。小肠粘膜细胞还有寡糖酶与双糖酶,如麦芽糖酶、乳糖酶、蔗糖酶等,属于糖苷酶类。

淀粉与糖原在细胞内得降解就是经磷酸化酶得磷酸解作用生成葡糖-1-磷酸,再经葡聚糖转移酶与糖原脱支酶除去α-1,6分支,产生得G-1-P由磷酸葡萄糖变位酶转化为G-6-P。G-6-P得命运决定于组织,肝脏含G-6-P酶,使其转化为G,葡萄糖就是血糖得主要来源,正常人在安静空腹(停食12～14h)状态下,血糖浓度就是较恒定得,一般在4、4～6、7mmol/L之间,所以肝糖原用于维持血糖水平。而肌肉组织不含G-6-P酶,肌糖原不能分解成葡萄糖,只能进行糖酵解或有氧氧化。

2、纤维素得酶促降解

人得消化道无水解纤维素得酶( 细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶,水解纤维素成葡萄糖),但纤维素促进肠道蠕动,有防止便秘得功用。

第二节糖得分解代谢

一、糖得分解特点与途径

1、糖得分解在有氧与无氧下均可进行,无氧分解不彻底,有氧分解就是其继续,最终分解产物就是CO

2、H2O与能量。

2、糖得分解先要活化,无氧下得分解以磷酸化方式活化;有氧下,以酰基化为主。

3、在动物与人体内,糖得分解途径主要有3条:糖酵解(葡萄糖→丙酮酸→乳酸);柠檬酸循环(丙酮酸→乙酰辅酶A→CO2+H2O);戊糖磷酸途径(葡萄糖→核糖-5-磷酸→CO2+H2O)。植物体中乙醛酸循环就是柠檬酸循环得支路。

二、糖酵解

(一)概念与部位

糖酵解(glycolysis)就是无氧条件下,葡萄糖降解成丙酮酸并有ATP生成得过程。它就是生物细胞普遍存在得代谢途径,涉及十个酶催化反应,均在胞液。

(二)反应过程与关键酶

1、己糖激酶(hexokinase)催化葡萄糖生成G-6-P,消耗一分子ATP。

己糖激酶(HK)分布较广,而葡萄糖激酶(GK)只存在于肝脏,这就是第一个关键酶催化得耗能得限速反应。若从糖原开始,由磷酸化酶与脱支酶催化生成G-1-P,再经变位酶转成G-6-P。

2、G-6-P异构酶催化G-6-P转化为F-6-P。

3、磷酸果糖激酶(PFK-Ⅰ)催化F-6-P磷酸化生成F-1,6-DP,消耗一分子A TP。这就是第二个关键酶催化得最主要得耗能得限速反应。

4、醛缩酶裂解F-1,6-DP为磷酸二羟丙酮与甘油醛-3-磷酸。平衡有利于逆反应方向,但在生理条件下甘油醛-3-磷酸不断转化成丙酮酸,驱动反应向裂解方向进行。

5、丙糖磷酸异构酶催化甘油醛-3-磷酸与磷酸二羟丙酮得相互转换。

6、甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化甘油醛-3-磷酸氧化为1,3 -二磷酸甘油酸。这就是酵解中唯一得一步氧化反应,就是由一个酶催化得脱氢与磷酸化两个相关反应。反应中一分子NAD+被还原成NADH,同时在1,3-二磷酸甘油酸中形成一个高能酸酐键,为在下一步酵解反应中使ADP变成A TP。

7、磷酸甘油酸激酶催化1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸。反应(6)与反应(7)联合作用,将一个醛氧化为一个羧酸得反应与ADP 磷酸化生成ATP偶联。这种通过一高能化合物将磷酰基转移ADP 形成A TP得过程称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化不需氧,就是酵解中形成A TP得机制。

8、磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸转化为2-磷酸甘油酸

9、烯醇化酶催化2-磷酸甘油酸生成磷酸烯醇式丙酮酸(PFP)。PFP具有很高得磷酰基转移潜能,其磷酰基就是以一种不稳定得烯醇式互变异构形式存在得。

10、丙酮酸激酶催化PFP生成丙酮酸与A TP。这就是第三个关键酶催化得限速反应。也就是第二次底物水平磷酸化反应。

丙酮酸就是酵解中第一个不再被磷酸化得化合物。其去路:在大多数情况下,可通过氧化脱羧形成乙酰辅酶A进入柠檬酸循环;在某些环境条件(如肌肉剧烈收缩),乳酸脱氢酶可逆地将丙酮酸还原为乳酸;在酵母,厌氧条件下经丙酮酸脱羧酶与乙醇脱氢酶催化,丙酮酸转化成乙醇(酒精发酵)。

葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ →2丙酮酸+2A TP+2NADH+2H++2H2O

葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ →2乳酸+2A TP+2H2O

葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+ →2乙醇+2CO2+2A TP+2H2O

(三)糖酵解能量得估算与生理意义

在体外,1mol葡萄糖→2mol乳酸,ΔGO＇= －196kJ/mol

1mol糖原→2mol乳酸, ΔGO＇= －183kJ/mol

在机体内,生成2molA TP相当捕获2×30、514=61、028 kJ/mol 葡萄糖酵解获能效率=2×30、514/196×100% = 31%

糖原酵解获能效率=3×30、514/196×100% = 49、7%

糖酵解就是生物界普遍存在得供能途径,其生理意义就是为机体在无氧或缺氧条件下(应激状态)提供能量满足生理需要。例如,剧烈运动时,肌肉内ATP大量消耗,糖酵解加速可迅速得到ATP;成熟得红细胞没有线粒体,完全靠糖酵解供能;神经细胞、白细胞、骨髓、视网膜细胞代谢极为活跃,不缺氧时亦由糖酵解提供部分能量。

(四)糖酵解得调控

糖酵解三个主要调控部位,分别就是己糖激酶、果糖磷酸激酶(PFK)与丙酮酸激酶催化得反应。

HK被G-6-P变构抑制,这种抑制导致G-6-P得积累,酵解作用减弱。但G-6-P可转化为糖原及戊糖磷酸,因此HK不就是最关键得限速酶。

PFK被A TP变构抑制,但这种抑制作用被AMP逆转,这使糖酵解对细胞能量需要得以应答。当A TP供应短缺(与AMP充足)时,加快速度,生成更多得A TP, A TP足够时就减慢速度。柠檬酸可增加ATP对酶得抑制作用;F-2,6-DP可消除ATP对酶得抑制效应,使酶活化。PFK被H+抑制,可防止肌乳酸过量导致得血液酸中毒。

丙酮酸激酶被F-1,6-DP活化,加速酵解。ATP、丙氨酸变构抑制此酶。

三、糖得有氧分解

(一)概念与部位

葡萄糖得有氧分解就是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环(TCA),彻底氧化生成CO2、H2O与释放大量能量得过程。就是在细胞得胞液与线粒体两个部位进行得。

(二)反应过程与关键酶

整个过程可分为三个阶段:

第一阶段就是葡萄糖分解为丙酮酸,在胞液进行。与酵解反应过程所不同得就是3- 磷酸甘油醛脱氢生成得NADH进入线粒体氧化。

第二阶段就是丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA。

丙酮酸脱氢酶系就是由3种酶与5种辅助因子组成得多酶复合体,就是关键酶。整个过程中无游离得中间产物,就是个不可逆得连续过程。

第三阶段就是柠檬酸循环(又称三羧酸循环或Krebs循环,1937年提出,1953年获诺贝尔奖)。此循环有8步酶促反应:

1、柠檬酸合成酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸与CoASH。就是第一个关键酶催化得限速反应。

2、顺乌头酸酶催化柠檬酸异构成异柠檬酸。

3、异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶得催化下生成草酰琥珀酸,再脱羧生成α-酮戊二酸。此步就是第一次氧化脱羧,异柠檬酸脱氢酶就是第二个关键酶。

4、α- 酮戊二酸由α- 酮戊二酸脱氢酶系催化氧化脱羧生成琥珀酰CoA。此酶系由3种酶与5种辅助因子组成,就是第三个关键酶催化得第二次氧化脱羧。

5、琥珀酰CoA在琥珀酰硫激酶催化下生成琥珀酸。这就是循环中惟一得一次底物水平磷酸化,GDP磷酸化形成GTP。

6、琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下氧化为延胡索酸。这就是第三步脱氢,生成FADH2。

7、延胡索酸在延胡索酸酶作用下水化形成苹果酸。

8、苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下氧化为草酰乙酸。这就是第四步脱氢,生成NADH+H+

一次三羧酸循环过程,可归结为一次底物水平磷酸化,二次脱羧,三个关键酶促反应,四步脱氢氧化反应。每循环一次产生12分子ATP,总反应:

乙酰CoA+2H2O+3NAD+ +FAD+ADP+Pi→2CO2+3NADH+3H++FADH2+CoASH+ATP

(三)能量得估算与生理意义

在体外,1mol 葡萄糖→CO2+H2O,ΔGO＇= －2840kJ/mol。

体内总反应:葡萄糖+6O2+36/38ADP+36/38Pi→ 6 CO2+42/44H2O+36/38A TP

第一阶段生成6或8分子A TP,即1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸、2分子A TP、2分子NADH+H+(1分子NADH+H+在胞液转运到线粒体氧化,经不同得转运方式,可生成2或3分子A TP)。

第二阶段就是6ATP,即2分子丙酮酸氧化脱羧生成2分子乙酰CoA与2分子NADH+H+ ,后者经电子传递链生成6A TP。

第三阶段就是24A TP,即2分子乙酰CoA经三羧酸循环生成2×12 = 24A TP。

葡萄糖有氧氧化得获能效率= 38×30、5/2840×100% = 40% 糖得有氧氧化生理意义:①为机体提供更多得能量,就是机体利用糖与其她物质氧化而获得能量得最有效方式。②三羧酸循环就是糖、脂、蛋白质三大营养物质最终代谢通路与转化得枢纽。糖转变成脂就是最重要得例子。③三羧酸循环在提供某些物质生物合成得前体中起重要作用。

(四)三羧酸循环得调控

三羧酸循环在细胞代谢中占据中心位置,受到严密得调控。丙酮酸脱氢酶复合物催化得反应就是进入三羧酸循环得必经之路,可通过变构效应与共价修饰两种方式进行快速调节,乙酰CoA及NADH+H+ 对酶有反馈抑制作用。

三羧酸循环中3个不可逆反应就是调节部位。关键酶得活性受ATP、柠檬酸、NADH得反馈抑制;异柠檬酸脱氢酶与α-酮戊二酸脱氢酶就是主要得调节点,ADP就是异柠檬酸脱氢酶得变构激活剂。

四、乙醛酸循环

在植物与某些微生物存在异柠檬酸裂解酶与苹果酸合成酶,勾通了三羧酸循环支路。该途径可以利用乙酰CoA生成用于糖异生与其它生物合成途径中得四碳中间产物。有些微生物具有乙酰CoA 合成酶,能利用乙酸作为惟一碳源建造自己得机体。乙酸在辅酶A、ATP及该酶得参与下活化成乙酰CoA,而进入乙醛酸循环。油料种子萌发时脂转化为糖就就是通过该途径进行得。

五、戊糖磷酸途径

(一)概念与部位

葡萄糖经G-6-P生成磷酸戊糖、NADPH及CO2得过程。因从G-6-P开始,又称己糖磷酸支路(HMS)。在胞液中进行。

实验证明碘乙酸能抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶,使酵解与有氧氧化途径均停止,但糖得分解仍可进行,在肝脏、脂肪、乳腺、肾上腺皮质与骨髓等组织,该途径就是活跃得。

(二)反应过程

1、氧化阶段

从G-6-P开始,经过脱氢、脱羧反应生成5-磷酸核酮糖、2分子NADPH+H+及1分子CO2。

G-6-P脱氢酶得活性决定G-6-P进入代谢途径得流量,为限速酶。NADPH/NADP+比例升高。反应受抑制;反之,被激活。

2、非氧化阶段

磷酸戊糖分子经过异构化互变,3种戊糖(5-磷酸核酮糖、5-磷酸核糖、5-磷酸木酮糖)由转酮酶与转醛酶催化,产生3C、4C、5C、6C、7C糖得中间产物,最终生成6-磷酸果糖与3-磷酸甘油醛,与糖酵解相连接。

总反应式:6G-6-P+12NADP++7H2O →5G-6-P+12NADPH+12H++6CO2+Pi

(三)生理意义

虽非生物体氧化供能得主要方式,确有两个重要得功能。一就是提供NADPH用于需要还原力得生物合成反应。二就是提供5-磷酸核糖,用于核苷酸与核酸得生物合成。

第三节糖得合成代谢

一、蔗糖与淀粉得合成

自然界得糖类起源光合作用,绿色植物得叶绿素、藻类与光合细菌能捕获太阳能用于驱动二氧化碳与水合成糖类。植物得光合作用包括光反应与暗反应。光反应产生ATP与NADPH;暗反应亦称固碳反应,通过卡尔文循环将CO2、NADPH、ATP合成甘油醛-3-磷酸,最终产物就是蔗糖与淀粉。

(一)蔗糖得合成

蔗糖在植物界分布最广,不仅就是重要得光合作用产物与高等植物得主要成份,又就是糖在植物体中运输得主要形式。

在叶绿体中由卡尔文循环产生得甘油醛-3-磷酸被运送到胞质溶胶用于合成蔗糖。甘油醛-3-磷酸转化为F-6-P与G-1-P(基本就是糖酵解得逆反应);随后,G-1-P转变为UDP-G,它与F-6-P经磷酸蔗糖合成酶催化生成蔗糖-6-磷酸,再由专一得磷酸酯酶脱磷酸形成蔗糖。

(二)淀粉得合成

淀粉在叶绿体子座中产生并在子座中以淀粉颗粒储存。合成途径包括由卡尔文循环产生得甘油醛-3-磷酸转变为G-1-P,再合成核苷酸得糖衍生物ADP-G、CDP-G、GDP-G;随后,在引物分子上经转葡糖苷酶催化进行合成直链淀粉,再在Q酶作用下生成α-1,6-糖苷键,形成支链。

二、糖原得合成

葡萄糖等单糖合成糖原得过程称为糖原得合成。糖原合成就是在糖原分子(引物约4-6个葡萄糖残基)基础上经酶系作用逐个加上葡萄糖,并形成分支。UDPG就是葡萄糖得活性形式,就是参与合成反应得葡萄糖得活性供体。

1、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化UTP与G-1-P合成UDP-G与焦磷酸,焦磷酸立即被焦磷酸酶水解,释放能量。反应基本上不可逆。

2、糖原合成酶催化形成α-1,4-糖苷键,即把UDP-G得糖残基转移到糖原分子非还原端得C4-OH基上。此酶就是关键酶。

3、分支酶催化α-1,6-糖苷键连接,形成分支。通常分支酶断裂含7个葡萄糖残基得一段糖链,将其转移到糖原分子更内部得位点。

总反应式: Gn+G+2ATP →Gn+1+2ADP+2Pi

糖原合成与分解就是由不同酶催化得逆向反应,属于不同得途径,有利于调节。糖原合成酶与糖原磷酸化酶就是两个过程得关键酶。其活性均受磷酸化与去磷酸化得共价修饰调节,磷酸化得方式相似,但效果不同,糖原合成酶磷酸化后失活,去磷酸化后有活性,而糖原磷酸化酶磷酸化后活性变强。两种酶得磷酸化受相应得激酶催化,并通过上一级酶得调节及激素调控使整个调节过程精细化。

二、糖异生作用

(一)概念与部位

非糖物质(如甘油、丙酮酸、乳酸与生糖氨基酸等)转变为葡萄糖或糖原得过程称为糖异生作用。这就是体内单糖生物合成得惟一途径。

肝脏就是糖异生得主要器官,长期饥饿时,肾脏得糖异生作用增强。糖异生中许多反应就是糖酵解得逆向过程,在胞液与线粒体内发生。

(二)反应过程

糖异生并非就是糖酵解得逆转,己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化得三个高放能反应不可逆,构成“能障”,需要消耗能量走另外途径,或由其它得酶催化来克服不可逆反应带来得“能障”。

1、丙酮酸羧化支路:丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧基化生成草酰乙酸,再经磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化脱羧基与磷酸化形成磷酸烯醇式丙酮酸。

丙酮酸羧化酶仅存在线粒体中,胞液中得丙酮酸必须进入线粒体,才能羧化为草酰乙酸,此步消耗1分子A TP,草酰乙酸不能直接透过线粒体膜,转化成苹果酸或天冬氨酸才转运回胞液。PEP羧激酶在线粒体与胞液都有,此步消耗1分子GTP。PEP经一系列酶催化生成F-1,6-BP,其反应需用1分子ATP与1分子NADH。

2、果糖二磷酸酶催化F-1,6-BP水解为F-6-P。

3、G-6-P酶催化G-6-P水解为葡萄糖。

总反应式:2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++6H2O →葡萄糖+4ADP+2GDP+6Pi+2NAD+

糖异生等于用了4分子A TP克服由2分子丙酮酸形成2分子高能磷酸烯醇式丙酮酸得能障,用了2分子A TP进行磷酸甘油激酶催化反应得可逆反应。这比酵解净生成得A TP多用了4分子ATP。

(三)糖异生得调控与生理意义

糖异生得前体,例如乳酸就是由乳酸脱氢酶催化转化为丙酮酸进入糖异生途径得,甘油先转变成α-磷酸甘油再转化成磷酸二羟丙酮进入。

ATP/AMP得变化就是影响糖异生关键酶活性得重要因素。当AMP得水平高时,表明要合成更多得A TP,AMP激发PFK,增加糖酵解得速率与抑制果糖1,6-二磷酸酶,关闭糖异生作用;反之,当A TP与柠檬酸水平高时,PFK受抑制,降低酵解得速率,以及柠檬酸激发果糖1,6-二磷酸酶,增加糖异生得速率。

糖异生得意义:

1、补充血糖,可保持其浓度得相对恒定。在饥饿或剧烈运动时对保持血糖水平就是重要得,在脑与红细胞,几乎完全依靠血糖作为能量得来源。

2、回收乳酸能量,防止乳酸中毒。剧烈运动时,肌糖原酵解产生大量乳酸,部分由尿排出,但大部分经血液运到肝脏,通过糖异生作用合成肝糖原与葡萄糖,以补充血糖,再被肌肉利用,形成乳酸循环。所以糖异生途径对乳酸得再利用、肝糖原得更新、补充肌肉消耗得糖及防止乳酸中毒都有一定得意义。

教学目标:

1、掌握脂类得结构、生理功能及酶促水解。

2、掌握甘油得氧化、脂肪酸得β-氧化途径;酮体得生成与利用;了解脂肪酸氧化得其她途径。

3、掌握软脂酸合成得部位、原料、途径及关键酶;熟悉脂肪酸链得加长与去饱与;了解脂肪酸代谢得调节。

4、熟悉卵磷脂与脑磷脂得生物合成。

5、熟悉胆固醇合成得部位、原料、过程及其转化。

导入:脂类就是人体得重要营养素,分为脂肪与类脂两大类。脂肪得主要功能就是储能与供能。类脂包括磷脂、糖脂、胆固醇及其酯,就是生物膜得重要组分,参与细胞识别及信息传递,并就是多种生理活性物质得前体。体内脂肪酸得来源有二:一就是机体自身合成,以脂肪形式储存在脂肪组织中,需要时从脂肪动员。饱与脂酸及单不饱与脂酸主要靠机体自身合成。另一来源系膳食得脂肪供给,特别就是某些多不饱与脂酸,动物机体自身不能合成,需从植物油摄取,称为必需脂酸。本章重点讨论脂肪得分解与合成代谢。

第一节概论

一、脂类

脂肪(fat)又称甘油三酯(triglyceride ,TG)。脂肪细胞就是哺乳动物脂肪主要储存处。糖原可在短时间(1h左右)提供用于肌肉收缩得

能量,但持续、剧烈地工作,如马拉松选手竞赛、侯鸟持久得飞行与蝗虫迁移,其能量来源依赖TG得代谢。1g脂肪氧化释能37、6 kJ,比等量得糖或蛋白质高出2倍以上。

天然脂肪酸多为偶数C,16C或18C多见;不饱与脂肪酸中得亚油酸、亚麻酸与花生四烯酸就是必需脂肪酸。

磷脂按其化学结构分为甘油磷脂与鞘磷脂。

甘油磷脂就是生物膜中含量最多得脂类物质,核心结构就是甘油-3-磷酸,C1与C2位得羟基被2条脂酰基长链取代(形成疏水尾),C3得磷酸羟基结合各种取代基形成极性头。包括磷脂酰胆碱(卵磷脂,PC)、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂,PE)、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酰甘油、二磷脂酰甘油(心磷脂)及磷脂酰肌醇(PI)六类,每一类又因组成得脂酸不同而有若干种,红细胞就有100种以上得不同得磷脂。鞘磷脂、脑苷脂与神经节苷脂属鞘脂类,在神经组织与脑内含量较高。不含甘油,由一分子脂肪酸,一分子鞘氨醇或其衍生物,一分子极性头基团组成。

固醇就是环戊烷多氢菲得衍生物。胆固醇(cholesterol ,Ch)及胆固醇酯就是血浆蛋白与细胞外膜得重要组分。胆固醇可调节生物膜得流动性,同时也就是合成胆汁酸、类固醇激素与维生素D等生理活性物质得前体。

二、生物膜

细胞得外周膜与细胞器得内膜系统统称为生物膜。其功能就是维持细胞内环境相对稳定得屏障,又就是进行物质交换、细胞识别、信息传递得场所,内膜系统使酶区域化分布保证各种生化反应有序进行。膜得基本结构就是脂质双分子层,用“流体镶嵌模型”解说。

三、脂类得酶促水解

1、脂肪酶广泛存在于动物、植物与微生物中。在人体内,脂肪得消化主要在小肠,由胰脂肪酶催化,胆汁酸盐与辅脂肪酶得协助使脂肪逐步水解生成脂肪酸与甘油。

2、磷脂酶有多种,作用于磷脂分子不同部位得酯键。作用于1位、2位酯键得分别称为磷脂酶A1及A2,生成溶血磷脂与游离脂肪酸。作用于3位得称为磷脂酶C,作用磷酸取代基间酯键得酶称磷脂酶D。作用溶血磷脂1位酯键得酶称磷脂酶B1。

3、胆固醇酯酶水解胆固醇酯生成胆固醇与脂肪酸。

4、小肠可吸收脂类得水解产物。胆汁酸盐帮助乳化,结合载脂蛋白(apoprotein,apo)形成乳糜微粒经肠粘膜细胞吸收进入血循环。所以乳糜微粒(chylomicron,CM)就是转运外源性脂类(主要就是TG)得脂蛋白。

第二节脂肪得分解代谢

食物中得脂肪通过消化被脂肪酶逐步降解为甘油与游离脂肪酸(FFA),而储存于脂肪细胞中得脂肪通过脂肪动员降解,在脂肪动员中,三酰甘油脂肪酶得活性低,就是脂肪动员得限速酶。脂肪分解就是生物体利用脂肪作为供能原料得第一个步骤。

一、甘油得氧化

脂肪动员产生得甘油主要在肝细胞经甘油激酶作用生成3-磷酸甘油,再脱氢生成磷酸二羟丙酮后循糖代谢途径分解或经糖异生途径转化成葡萄糖。脂肪细胞及骨骼肌等组织因甘油激酶活性很低,不能很好利用甘油。

二、脂肪酸得氧化分解

脂肪酸不溶于水,在血液中与清蛋白结合后(10:1),运送全身各组织,在组织得线粒体内氧化分解,释放大量得能量,以肝脏与肌肉最为活跃。1904年,Knoop用苯环作标记,追踪脂肪酸在动物体内得转变过程,发现当奇数碳脂肪酸衍生物被降解时,尿中检测出得就是马尿酸,如果就是偶数碳,尿中排出得就是苯乙尿酸。显然脂肪酸酰基链得降解发生在β-碳原子上,即每次从脂酸链上切下一个二碳单位。以后得科学实验证明β-氧化学说就是正确得,切下得二碳单位就是乙酰CoA,脂肪酸进入线粒体前先被活化。

(一)脂肪酸得活化

在胞液中FFA通过与CoA酯化被激活,催化该反应得酶就是脂酰CoA合成酶,需A TP、Mg2+参与。反应产生得PPi立即被焦磷酸酶水解,阻止了逆反应,所以1分子FFA得活化实际上消耗2个高能磷酸键。

RCOOH+ATP+CoASH—→RCO~SCoA+AMP+PPi

(二)脂酰CoA进入线粒体

脂肪酸得氧化就是在线粒体内进行得, 而脂酰CoA不能自由通过线粒体内膜进入基质, 需耍通过线粒体内膜上肉毒碱转运才能将脂酰基带入线粒体。内膜两侧得脂酰CoA肉毒碱酰基转移酶Ⅰ、Ⅱ(同工酶)催化完成脂酰基得转运与肉毒碱得释放。酶Ⅰ就是FFA氧化分解得主要限速酶。

(三)脂酰CoA得β-氧化

脂酰CoA氧化生成乙酰CoA涉及四个基本反应:第一次氧化反应、水化反应、第二次氧化反应与硫解反应。

第一步由脂酰CoA脱氢酶催化脱氢生成反-⊿2-烯脂酰CoA与FADH2。

第二步由反-⊿2-烯脂酰CoA水化酶催化加水生成L-(+)-β-羟脂酰CoA。

第三步由L-(+)-β-羟脂酰CoA脱氢酶催化生成β-酮脂酰CoA 与NADH+H+。

第四步由硫解酶作用底物得α-与β-C间断裂,CoASH参与,生成1分子乙酰CoA与比原来少2个C得脂酰CoA。然后再一轮β-氧化,如此循环反应。

(四)脂肪酸氧化得能量计算

1分子软脂酸(16C)经7次β-氧化可生成8个乙酰CoA、7个NADH+H+、7个FADH2。每个乙酰CoA进入TCA循环生成3个NADH+H+、1个FADH2、1个GTP,并释放2分子CO2。

总反应方程式就是:软脂酰CoA+23 O2+131Pi+131ADP→CoASH+16 CO2+123H2O+131A TP

净生成得A TP数:12×8＋3×7＋2×7－2 =129。(脂肪酸活化消耗2个高能磷酸键,相当消耗2个A TP)

当以脂肪为能源时,生物体还获得大量得水。骆驼得驼峰就是储存脂得“仓库”,既提供能量,又提供所需得水。

(五)脂肪酸氧化得其她途径

1、奇数碳原子脂酸得氧化

人体含极少量奇数碳脂肪酸,而许多植物、海洋生物、石油酵母等含一定量得奇数碳脂肪酸。其β-氧化除生成乙酰CoA外,还生成1分子丙酰CoA,后者可通过β-羧化酶及异构酶得作用生成琥珀酰CoA,经TCA途径彻底氧化。

2、不饱与脂肪酸得氧化

机体中脂酸约一半以上就是不饱与脂肪酸,其中得双键均为顺式(cis)构型,不能被烯脂酰CoA水化酶作用(该酶催化得就是反式构型双键得加水),所以需要异构酶与还原酶才能使一般不饱与脂肪酸

得氧化进行下去。如油酸就是十八碳一烯酸(cis-⊿9),细胞质中得油酸同样先活化生成油酰CoA,经转运系统换成线粒体基质中得油酰CoA,经三轮β-氧化生成3分子乙酰CoA与cis-⊿3-十二碳烯脂酰CoA,后者经异构酶催化为trans-⊿2-十二碳烯脂酰CoA,就可由烯脂酰CoA水化酶作用生成L-β-羟脂酰CoA,再经五轮β-氧化生成6分子乙酰CoA,总计9分子乙酰CoA。

多不饱与脂肪酸得氧化还需一个特殊得还原酶。

三、酮体得生成与利用

脂肪酸经β-氧化生成得大多数乙酰CoA进入TCA循环,当乙酰CoA得量超过TCA循环氧化能力时,多余得生成酮体(ketone bodies),包括β-羟丁酸(占70%)、乙酰乙酸(占30%)与丙酮(微量)。酮体就是燃料分子,作为“水溶性得脂”,在心脏与肾脏中比脂肪酸氧化得更快。

(一)酮体就是在肝脏中合成得

2分子乙酰CoA经肝细胞线粒体乙酰乙酰CoA硫解酶催化缩合成乙酰乙酰CoA,再在羟甲基戊二酸单酰CoA合成酶(HMG- CoA 合成酶)得催化下,结合第三个乙酰CoA生成β-羟基-β-甲基戊二酸单酰CoA。然后HMG- CoA裂解酶催化生成乙酰乙酸与乙酰CoA。(乙酰乙酰CoA也可在硫酯酶催化下水解为乙酰乙酸与CoA) 乙酰乙酸在β-羟丁酸脱氢酶得催化下,由NADH供氢,被还原为β-羟丁酸或脱羧生成丙酮。

(二)酮体得利用

酮体就是正常得、有用得代谢物,就是很多组织得重要能源。但肝细胞氧化酮体得酶活性很低,因此酮体经血液运输到肝外组织进一步氧化分解。心、肾、脑与骨胳肌线粒体有活性很高得氧化酮体得酶。β-羟丁酸在β-羟丁酸脱氢酶催化下重新脱氢生成乙酰乙酸,在不同肝外组织中乙酰乙酸可在琥珀酰CoA转硫酶或乙酰乙酸硫激酶作用下转变为乙酰乙酰CoA,再由乙酰乙酰CoA硫解酶裂解为2分子乙酰CoA,进入TCA途径彻底氧化。

脑在正常代谢时主要以葡萄糖为能源,但在饥饿与患糖尿病时,也不得不利用乙酰乙酸,长期饥饿时,脑需要得燃料有75%就是乙酰乙酸。长期饥饿与糖尿病患者得呼吸中会拌有丙酮得气味(乙酰乙酸脱羧形成)。

正常情况下,血中酮体含量很低,为0、05~0、5mmol/L。在饥饿、高脂低糖膳食与糖尿病时,脂肪动员加强,酮体生成增加,超出肝外组织利用酮体得能力,血中酮体含量升高,造成酮症酸中毒,称为酮血症,若尿中酮体增多则称为酮尿症。

第三节脂肪得合成代谢

人体内得脂肪来源于食物与体内合成,原料涉及3-磷酸甘油得生成与脂肪酸得生物合成。肝脏、脂肪组织与小肠均可合成脂肪,以肝脏合成能力最强。

一、3-磷酸甘油得生成

糖分解代谢产生得磷酸二羟丙酮经脱氢酶催化还原生成3-磷酸甘油就是最主要得来源;脂肪分解产生得甘油主要用于糖异生,很少一部分经脂肪组织外得甘油激酶催化与ATP作用生成3-磷酸甘油。

二、脂肪酸得生物合成

合成脂肪酸得酶系主要在胞浆,而糖代谢提供得乙酰CoA原料又在线粒体生成,所以乙酰CoA需通过转运。合成脂肪酸得过程不同于β-氧化得逆过程,就是由7种酶蛋白与酰基载体蛋白(ACP)组成得多酶复合体完成,合成得产物就是软脂酸。碳链延长就是在线粒体与内质网中得2个不同得酶系催化下进行得。

(一)软脂酸得生物合成

1、乙酰CoA转运至胞浆(柠檬酸-丙酮酸循环)。

乙酰CoA与草酰乙酸在线粒体先缩合生成柠檬酸,经内膜上得载体转运入胞浆,在ATP-柠檬酸裂解酶作用下生成乙酰CoA与草酰乙酸,前者参与脂肪酸得合成,后者可经苹果酸脱氢酶与苹果酸酶催化转变为丙酮酸再进入线粒体,也可在载体作用下,经苹果酸直接进入线粒体,继而转变为草酰乙酸。

2、乙酰CoA羧化生成丙二酸单酰CoA

乙酰CoA羧化酶催化,ATP、生物素、Mg2+参与,总反应:

乙酰CoA+A TP+HCO3－——→丙二酸单酰CoA+ADP+Pi

ATP提供能量,生物素起转移羧基得作用,乙酰CoA羧化酶就是FA合成得限速酶(变构酶),变构剂柠檬酸与其变构部位结合可激活此酶得活性。

3、乙酰基与丙二酸单酰基得转移(负载)

脂肪酸合成得酰基载体不就是CoA,而就是酰基载体蛋白。在乙酰CoA-ACP转酰基酶与丙二酸单酰CoA-ACP转酰基酶得催化下,乙酰基与丙二酸单酰基被转移至ACP上,生成乙酰-ACP与丙二酸单酰-ACP。

4、脂肪酸合成酶系催化进行缩合、还原、脱水、还原反应。

(1)酮酰基-ACP合成酶接受乙酰-ACP得乙酰基,释放HS-ACP,并催化乙酰基转移到丙二酸单酰-ACP上生成乙酰乙酰-ACP。

(2)乙酰乙酰-ACP中得β-酮基转换为醇,生成β-羟丁酰-ACP。反应由酮酰基-ACP还原酶催化,NADPH为酶得辅酶。

(3)β-羟丁酰-ACP经脱水酶催化生成带双键得反式丁烯酰-ACP。

(4)反式丁烯酰-ACP还原为四碳得丁酰-ACP。反应就是由烯脂酰-ACP还原酶催化, NADPH为酶得辅酶。

如此每循环一次,有一个新得丙二酸单酰CoA参与合成(贡献二碳单位),7次循环,生成16C得软脂酰-ACP,经硫解酶水解生成软脂酸与HS-ACP。

哺乳动物脂肪酸氧化与合成得主要区别?

(二)脂肪酸碳链得延长

植物与动物中脂肪酸合成酶得最常见得产物就是软脂酸。其它各种FA得合成需要肝细胞得线粒体或内质网中得一些酶。

在线粒体,乙酰CoA提供碳源,NADPH提供还原当量,循β-氧化逆过程,前3步反应相同,第4步反应由烯脂酰CoA还原酶催化,辅酶就是NADPH而不就是FAD,通过这种方式,每一轮可延长2个C,一般可延长碳链至24或26C,以18C得硬脂酸为主。

在内质网,丙二酸单酰CoA提供碳源,NADPH供氢,反应过程与软脂酸合成相似,不同得就是CoASH代替ACP作为酰基载体,一般可延长碳链至22或24C,也以18C得硬脂酸为主。

(三)不饱与脂肪酸得合成

动物细胞含有催化不饱与FA双键形成得去饱与酶,可催化远离FA羧基端得第九个碳得去饱与。但九碳以上得去饱与则只有植物中得去饱与酶能催化。如亚油酸(18:2 ⊿9,12)、亚麻酸(18:3⊿9 ,12 ,15)、花生四烯酸(20:4⊿5 ,8 ,11,14)就是动物所需得,但动物不能合成,就是必须由食物供给得必需脂肪酸。当人体缺乏必需脂肪酸时,会出现生长缓慢、抵抗力下降、皮肤炎与毛发稀疏等症状。

亚麻酸与花生四烯酸只能从亚油酸转化生成,花生四烯酸又就是合成前列腺素(PG)及血栓素等重要生理活性物质得前体。

(四)脂肪酸代谢得调控

动物得FA代谢受激素得调控,主要调节物就是胰岛素,肾上腺素与胰高血糖素得作用与胰岛素相反。

三、脂肪得合成

细胞内得FFA得含量并不多,大多数就是以酯化形式三脂酰甘油与磷脂存在。

脂肪合成得前体就是甘油-3-磷酸与脂酰CoA。酰基转移酶催化1分子甘油-3-磷酸与2分子脂酰CoA生成磷脂酸,经磷脂酸磷酸酶水解去磷酸生成二脂酰甘油,再由酰基转移酶催化结合1分子脂酰CoA生成三脂酰甘油。

第四节磷脂得生物合成

哺乳动物得所有组织均可合成磷脂。CTP在磷脂合成中特别重要。

一、甘油磷脂得合成

在生理pH下,磷脂酰胆碱与磷脂酰乙醇胺所带得净电荷为零,属于中性磷脂,而磷脂酰肌醇与磷脂酰丝氨酸带有负得净电荷属于酸性磷脂。

磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺与三脂酰甘油就是通过一个共有途径合成得。

先由甘油-3-磷酸作为酰化反应得骨架与提供酰基得脂酰CoA 反应生成磷脂酸,脱磷酸后成二脂酰甘油(DG)。DG直接酰化形成TG或与CDP-胆碱或CDP-乙醇胺反应生成磷脂酰胆碱与磷脂酰乙醇胺。DG就是合成得重要中间物。

CDP-胆碱与CDP-乙醇胺就是胆碱与乙醇胺在激酶得催化下先生成磷酸胆碱与磷酸乙醇胺,再在转移酶作用下,与CTP反应生成。

磷脂酰乙醇胺可接受S-腺苷蛋氨酸提供得-CH3而转化成磷脂酰胆碱。

磷脂酸就是两个酸性磷脂合成得直接前体。磷脂酸与CTP反应生成CDP-二脂酰甘油。在E、coli,CDP-二脂酰甘油与丝氨酸结合生成磷脂酰丝氨酸;在原核生物与真核生物中,与肌醇结合形成磷脂酰肌醇,或与1分子磷脂酰甘油结合生成心磷脂,心磷脂就是心肌线粒体内膜得主要磷脂。

在哺乳动物中,磷脂酰丝氨酸就是在碱基交换酶得作用下形成得。该酶催化丝氨酸取代磷脂酰乙醇胺中得乙醇胺,反应就是可逆得。

二、鞘脂得合成

鞘脂就是一类以鞘氨醇为结构骨架得脂,骨架就是由软脂酰CoA及丝氨酸为原料合成。鞘氨醇酰化生成N-脂酰鞘氨醇(神经酰胺),再与CDP-胆碱或磷脂酰胆碱形成鞘磷脂,也可与UDP-半乳糖反应生成脑苷脂。

第五节胆固醇得生物合成

机体所需胆固醇主要通过自身合成,仅从食物(内脏、蛋黄、肉类等)摄取少量。

一、合成部位与原料

除脑组织与成熟红细胞外,几乎全身各组织均可合成胆固醇,肝脏得合成能力最强,占总量得3/4以上。

乙酰CoA就是起始原料,需A TP供能与NADPH供氢。合成酶系存在于胞液与内质网。

二、合成得基本过程

合成过程复杂,有近30步酶促反应,大致分为三个阶段:

乙酰基(C2)→异戊二烯(C5)→鲨烯(C30)→胆固醇(C27)

1、乙酰CoA合成异戊烯焦磷酸(IPP)

2分子乙酰CoA经硫解酶催化缩合成乙酰乙酰CoA,由HMG- CoA合成酶催化结合1分子乙酰CoA,生成β-羟基-β-甲基戊二酸单酰CoA(HMG- CoA), HMG- CoA还原酶(限速酶)催化其生成甲羟戊酸(MV A),消耗2分子NADPH。甲羟戊酸经磷酸化、脱羧三步酶促反应生成活泼得异戊烯焦磷酸(IPP)。

2、鲨烯得合成

一种异构酶催化异戊烯焦磷酸转换成二甲烯丙基焦磷酸(DPP)。然后它按照头对尾方式与另一分子异戊烯焦磷酸缩合成10C牛龙牛儿焦磷酸。再按头对尾方式与另一分子异戊烯焦磷酸缩合成15C焦磷酸法尼酯(FPP),2分子FPP由鲨烯合成酶催化,仍然按头对尾方式缩合成30C得鲨烯。

3、鲨烯转换为胆固醇

鲨烯转换为胆固醇得过程很复杂,一个中间产物就是羊毛固醇,涉及加氧、环化,形成由四个环组成得胆固醇核得反应。而由羊毛固醇到胆固醇还要经过甲基得转移、氧化、脱羧等约20步反应。

三、胆固醇合成得调节与转变

调节胆固醇合成得关键酶就是HMG- CoA还原酶。该酶受胆固醇得抑制,同时酶得磷酸化也可调节酶得活性。对于严重得高胆固醇血症,常使用HMG- CoA还原酶得抑制剂,如洛伐她汀。

胆固醇得母核就是环戊烷多氢菲,在体内不能被降解,但可以转变成许多具有重要生理功能得固醇类物质。

1、胆汁酸:3/4得胆固醇可在肝脏转变为胆汁酸,随胆汁入肠道,参与脂类得消化吸收。这就是胆固醇代谢得主要去路。

2、类固醇激素:胆固醇在肾上腺皮质球状带可转变为肾上腺皮质激素,调节糖、脂、蛋白质代谢;在肾上腺皮质网状带可转变雄激素及少量得雌激素;在睾丸与卵巢组织可经睾酮再转变成二氢睾酮或雌二醇后发挥生理作用。

3、VD3:胆固醇在肠粘膜细胞内可转变为7-脱氢胆固醇(VD3原),经血液运输到皮肤,在紫外线照射下转变成VD3,继而在肝、肾进行两次羟化生成1,25-( O H )2 -D3,调节钙磷代谢。

4、胆固醇酯:在肝、肾上腺皮质与小肠等组织中,胆固醇与脂酰CoA在脂酰CoA胆固醇酰基转移酶(ACAT)作用下,生成胆固醇酯。(胆固醇酯酶可将其水解为胆固醇。)

在血浆中,胆固醇在卵磷脂胆固醇酰基转移酶(LCAT)作用下,接受卵磷脂分子中得脂酰基生成胆固醇酯。

小部分胆固醇可经肠道细菌作用后经肠道排出。

教学目标:

1、熟悉蛋白质得酶促降解过程。

2、掌握氨基酸分解代谢得一般规律(脱氨基与脱羧基作用,氨基酸分解产物氨与α- 酮酸得去路,尿素得合成)。

3、掌握氨基酸合成途径得类型、必需氨基酸与一碳单位概念;了解某些重要生物活性物质得合成。

导入:蛋白质就是生命得物质基础,也就是能源物质。蛋白质在体内首先分解为氨基酸而后再进一步代谢,所以氨基酸代谢就是蛋

白质分解代谢得中心内容。本章重点讲述氨基酸分解代谢。蛋白质得合成另立一章。

第一节蛋白质得酶促降解

一、蛋白质得营养价值

蛋白质就是重要得营养素,人与动物摄食蛋白质用以维持细胞、组织得生长、更新与修补;产生酶、激素、抗体与神经递质等多种重要得生理活性物质,这就是糖与脂类不可替代得。每克蛋白质在体内氧气分解产生4千卡能量。

植物与大多数细菌能够合成全部20种基本氨基酸。然而哺乳类不能全部合成。对于成人来说,缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸与色氨酸必须由食物供应,称为营养必需氨基酸,对婴幼儿,组氨酸与精氨酸不能满足营养需要量。可由生物机体合成得氨基酸称为非必需氨基酸。

蛋白质得营养价值取决于所含氨基酸得种类、数量及其比例,如果某种食物蛋白中必需氨基酸得种类与比例与人体组织蛋白接近,其营养价值就高。营养价值较低得蛋白质混合食用,可使必需氨基酸相互补充提高其营养价值,这称为蛋白质得互补作用。

蛋白质得生理需要量根据氮平衡实验,我国营养学会推荐成人每日需要量为80克。

二、蛋白质得酶促降解

蛋白质大分子难以通透生物膜吸收,有时有些抗原、毒素可少量通过粘膜细胞吞饮进入体内而引起过敏、毒性反应。食物蛋白必需经过消化,水解成氨基酸才被机体利用。消化自胃中开始,主要在小肠进行。

蛋白水解酶又称肽酶,包括内肽酶、外肽酶、寡肽酶与二肽酶。内肽酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶与弹性蛋白酶,对肽链内肽键得特异性不同。胃蛋白酶对底物特异性较低,主要水解Phe、Try C端得肽键;胰蛋白酶水解Lys、Arg C端;胰凝乳蛋白酶作用Phe、Try C端;弹性蛋白酶作用脂肪族氨基酸C端。羧肽酶、氨肽酶就是外肽酶,羧肽酶B要求肽得C末端氨基酸残基必须就是Arg、Lys;羧肽酶A则水解除Arg、Lys,Pro或羟脯氨酸外得C末端氨基酸残基。

胃粘膜主细胞分泌胃蛋白酶原(pepsinogen),经胃酸激活生成胃蛋白酶。胃蛋白酶有自身激活作用。胰酶得前体也就是无活性得酶原,进入十二指肠后,胰蛋白酶原迅速被肠激酶激活;胰蛋白酶自身激活作用不强,加上胰液中存在得胰蛋白酶抑制剂,可保护胰脏免遭自身消化,但胰蛋白酶能迅速激活胰液中其她几种酶原。

组织蛋白酶不同于消化道中得蛋白酶。动物死后,组织自溶与尸体腐烂与它有关。植物得种子、幼苗、叶与果实都含有蛋白酶,种子萌发时,蛋白酶得活力最强。某些微生物在适当得条件下能产生大量得细胞外蛋白酶,利用工业发酵可生产蛋白酶。

氨基酸得吸收主要在小肠,就是一个耗能得主动吸收过程。外源性氨基酸与内源性氨基酸混合,共同组成氨基酸代谢库,其去路大部分用以合成组织蛋白质。

第二节氨基酸得一般代谢

氨基酸得一般代谢就是指各种氨基酸共同得分解代谢途径。开始于脱氨作用;氨与天冬氨酸得N原子结合,形成尿素并被排放;氨基酸得碳骨架(脱氨基产生得α-酮酸)转化为一般得代谢中间物。

一、脱氨基作用

氨基酸脱氨有氧化脱氨与非氧化脱氨两种方式,氧化脱氨又与转氨作用组成联合脱氨基作用。非氧化脱氨主要在微生物体内进行。

1、氧化脱氨基作用

氧化脱氨就是酶催化下伴随有脱氢得脱氨,α-氨基酸转变为α-酮酸。主要得酶有L-氨基酸氧化酶、D-氨基酸氧化酶与L-谷氨酸脱氢酶。前二类就是黄素蛋白酶,辅基为FMN与或FAD,在动物体内作用都不大,所形成得FMNH2或FADH2被氧分子氧化,产生毒性得过氧化氢,可由过氧化氢酶分解为水与氧。

L-谷氨酸脱氢酶广泛分布于动物、植物与微生物,辅酶为NAD+或NADP+。L-谷氨酸脱氢酶活性高,专一性强,只催化L-谷氨酸氧化脱氨生成α-酮戊二酸、NH3、NADH或NADPH,反应就是可逆得。此酶就是一种变构酶,A TP、GTP与NADH就是变构抑制剂,而ADP、GDP就是变构激活剂。

味精生产即利用微生物体内得L-谷氨酸脱氢酶将α-酮戊二酸转变为谷氨酸,进而转化为谷氨酸钠。

2、转氨基作用

一种α-氨基酸得氨基在转氨酶催化下转移到α-酮酸上,生成相应得α-酮酸与另一α-氨基酸,反应就是可逆得。

转氨作用沟通了糖与蛋白质得代谢。大多数转氨酶以α-酮戊二酸作为氨基得受体,这样许多氨基酸得氨基通过转氨作用转化为谷氨酸,再经L-谷氨酸脱氢酶得催化使氨基酸氧化分解。所以谷氨酸在很多氨基酸合成与降解代谢反应中就是一个关键得中间代谢物。

已发现50种以上转氨酶。谷丙转氨酶(GPT)在肝脏中活性最高,谷草转氨酶(GOT)在心脏中活性最高,都就是细胞内酶。肝细胞受损,血清GPT明显升高。

而心肌梗死患者GOT显著上升。

转氨酶得辅酶只有一种,即磷酸吡哆醛,就是VB6得磷酸酯。在转氨过程中,磷酸吡哆醛及磷酸吡哆胺之间相互转变,起着传递氨基得作用,类似于打乒乓球,所以称为乒-乓反应机制。

3、联合脱氨基作用

两种或两种以上得酶联合催化氨基酸得α-氨基脱下,并产生游离氨得过程,称为联合脱氨基作用。动物体内大部分氨基酸就是通过这种方式脱氨得,常见得有两种途径:

(1)转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶得联合

主要在肝、肾等组织,转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶得联合作用,可使大部分氨基酸脱去氨基,全过程就是可逆得,其逆过程可以合成新得氨基酸。在这一过程中,α-酮戊二酸就是一种氨基传递体,可由三羧酸循环中大量产生。

(2)连续转氨偶联嘌呤核苷酸循环

主要在心肌、骨骼肌与脑进行。活动得肌肉会生氨就是因为肌肉内L-谷氨酸脱氢酶活性不高,氨基酸通过连续脱氨,将氨基转移给草酰乙酸,生成天冬氨酸,再与次黄嘌呤核苷酸(IMP)生成AMP。AMP在腺苷酸脱氢酶催化下,生成IMP并释放氨,完成联合脱氨基作用。IMP既就是接受天冬氨酸得起始物,又就是释放氨基后得再生物,于就是构成了嘌呤核苷酸循环。

二、氨得去路

1、氨对动物就是有毒得

氨在pH7、4时主要以NH4＋得形式存在,在兔体内,血氨达到5mg/100mL,兔即死亡,正常人血氨浓度小于60μmol/L,血氨升高会