山 西 大 同 大 学

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1 山西大同大学 生命科学学院教案 课程名称 : 生物化学教材名称 : 基础生物化学授课对象 : 生物工程专业 11 级一班授课学期 : ~ 学年第一学期讲课学时 :80 学时授课教师 : 王润梅技术职务 : 教授工作单位 : 生命科学学院编写时间 : ~ 学年第一学期审阅意见 :

2 课程单元题目 教案首页 绪论 本单元学时 2 授课方式讲授 教学目的与要求 : (1) 知道什么是生物化学 (2) 了解生物化学的研究对象及主要研究内容 (3) 了解生物化学的发展简史 (4) 了解生物化学的应用及发展前景 教案更新日期 2012 年 8 月 教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 生物学的概念及研究对象教学难点 : 生物化学的应用 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 生物化学及其主要研究内容 1 学时 (2) 生物化学的发展简史 应用及发展前景 1 学时 重要中 外文词汇 : 生物化学 (biochemistrry) 思考题 : 1 什么是生物化学? 生物化学的研究对象是什么? 2 生物化学研究的主要内容有哪些? 3 简述生物化学的应用 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

3 绪论 一 生物化学的涵义及其研究对象 1 生物化学 (Biochemistry) 是一门运用化学的原理和方法, 来探究生命现象本质的学科 2 研究对象 : 是研究生物机体包括动物 植物 微生物及人类等等的化学组成和生命过程中的化学变化 二 生物化学的研究内容 1 化学组成元素组成 :C H O N P S 等主要元素化合物 : 大分子 : 蛋白质 核酸 多糖和脂类小分子 : 氨基酸 核苷酸 脂肪酸 维生素 主要研究生物体内这些有机化合物的结构 化学性质和功能 2 化学变化新陈代谢包括物质代谢和能量代谢及其调节 新陈代谢 : 生物小分子 - 大分子合成代谢 ( 同化 ){ 需要能量释放能量分解代谢 ( 异化 ){ 生物大分子 - 小分子 代谢调控 : 生物体内的物质代谢反应几乎都是在酶的催化下完成的, 这些反应能在同一时间互不干扰 互相配合 有条不紊地在各自不同的代谢途径中进行, 并且在合成 分解速度和数量上, 都恰到好处地满足生物体的各种需要, 都是由于生物体分离度自动的调控系统 3 信息代谢遗传信息的传递 : 包括 DNA 的分解, 转录及蛋白质的合成 三 生物化学的发展简史 作为一门新兴的边缘学科, 生物化学仅有 200 年的历史 1 静态生物化学时期 (20 世纪 20 年代以前 ) 18 世纪 70 年代以后, 伴随着近代化学和生物学的发展, 生物化学逐步形成 例如 ~1774 年, 英国 J.Priesily 发现了氯气, 并指出动物消耗氧而植物产生氧 ~1786 年, 居住在瑞典的德国药剂师舍勒 (C.W.Scheele) 第一次从植物材料和动物材料中分离出了甘油 柠檬酸 苹果酸 乳酸 尿酸等 ~1796 年, 荷兰人 J.Ingenbousz 证明在光照条件下绿色植物吸收 CO2, 并释放出 O2.

4 4 1780~1789 年, 法国化学家 A.L.Lavoisier 证明动物呼吸需要氧气, 并最先测定了人的呼氧量 进入 19 世纪后, 化学 物理学 生物学都有了进一步的进展, 也推动了生物化学的进步 年,Hoppe-Seyler 首先使用 Biochemistry, 生物化学作为一门新兴学科诞生 在这个阶段, 生物化学的主要工作是从生物材料中分离和鉴定了各种氨基酸 羧酸 糖类, 发现了核酸, 开始进行酶学研究 2 动态生物化学时期 (20 世纪前半时 ) 1 ) 1926 年, 美国化学家 J.B.Smmer 首次得到脲酶结晶,30 年代, 陆续得到了胃蛋白酶 凝乳蛋白酶, 从而证明酶的化学本质是蛋白质 ; 2)1912~1933 年, 德国生化学家对生物氧化进行了卓有成效的研究 ; 英国生化学家 A.krebs 证明了尿素循环和三羧酸循环 ; 美国生化学家 F.A.lipmann 发现了 ATP 在能量传递中的作用 ; 美国人 Calvin 和 Benson 光合代谢途径等 这个阶段基本阐明了酶的化学本质和能量代谢有关的物质代谢途径 3 机能生物化学时期 (20 世纪 50 年代以后 ) 从 1950 年以来, 借助于各种理化技术, 对蛋白质 酶 核酸等生物大分子进行化学组成 序列 法相及其生物学功能的研究, 并发展到人工合成, 创立了基因工程 例如 : 1950 年,Pauling 提出了蛋白质二级结构的 α- 螺旋 1953 年,Crick 和 Watson 提出了 DNA 的双螺旋结构模型 1958 年,Crick 提出 中心法则 1953 年和 1975 年,F.Sanger 分别研究出氨基酸序列和 DNA 序列测定方法 1966 年,Nirenberg 和 Khornan 破译了遗传密码 年,Berg 等人成功进行了 DNA 体外重组,Coken 创建了分子克隆技术 1985 年,Saik 发明了聚合酶链式反应 (PCR) 2003 年, 国际基因组测序租宣布人类基因组序列图提前完成从上述生物化学的发展中, 可以看出生物化学已经建立起完整的理论和应用体系, 同时随着研究领域的不断扩大和研究工作的继续深入, 形成了许多新的分支 : 如动物生化 植物生化 微生物生化 工业生化 农业生化 食品生化 分析生化 生理生化 病理生化等, 并且也会促进与其密切相关的的分子生物学和生物工程的发展 四 生物化学的应用 随着生物化学的发展, 生化技术 生化知识 生化产品都得到了广泛的应用, 现在已经渗透到各个领域 1 生化理论和方法促进对人类动物致病机理的认识, 提高对疾病的正确诊断 从医学方面讲, 人或动物的疾病状态由于细胞中化学成分的变化, 从而引起功能紊乱 如 : * 血液中血脂含量的升高是心血管疾病的特征之一 * 血红蛋白一级结构的改变可以溶血一致命 * 许多疾病的临床诊断, 愈来愈依赖于生化指标的测定

5 2 生化理论和方法促进生化药物的研发生化药物是一些生化基本物质如氨基酸 肽 酶 蛋白质 辅酶 多肽 脂质及其降解产物, 这些物质均来自生物体, 副作用小 药效高, 易吸收, 生化药物在制药行业和医药上有重要地位 3 生化理论和方法促进农业生产高产作物新品种的培育和开发依赖于生化的基本理论和技术 ; 如何提高大田作物对太阳能利用率和二氧化碳的固定率 ; 生物固氮也利用了生物化学 4 生化理论和方法有利于推动农副产品的加工产业如家禽屠宰血 骨头 肉类和蔬菜加工的脚料都可以通过生化方法加工成药品或食品添加剂, 而我国这方面与发达国家差距较大, 如德国农产品产值与附加值之比为 1:2.3, 美国为 1:1.8, 日本为 1:2.2, 而我国仅 1:0.5, 生化理论和方法有利于推动农副产品的附加值 5 生化理论和方法是开发生物发酵工业的基础酒精是酵母的代谢产物, 氨基酸 酶 维生素 味精等也可以通过微生物发酵手段进行生产 而发酵产物的提炼和分离以及下游加工技术也必须依赖于生化技术理论 此外, 研究微生物新陈代谢过程及调节控制对于选育高品质菌株, 筛选最佳发酵理化因子及提高发酵效率具有指导意义 6 生物理论和方法对改善人类生存环境具有特殊意义高新技术产品不断涌现, 提高生活质量, 但也给人类居住的环境带来污染, 严重危害人类生存 环境净化仅靠加大投资力度 减少 三废 的排放是不够的, 还需加强利用微生物对 三废 进行处理, 这就利用到生化理论方法 除此之外, 还有航空航天事业 海洋资源的开发利用, 都离不开生化技术和生物工程技术

6 课程单元题目 教案首页 第一章蛋白质化学 本单元学时 10 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 9 月 教学目的与要求 : (1) 掌握氨基酸的分类 (2) 掌握 20 种蛋白质氨基酸的结构及其单字母和三字母缩写 (3) 了解氨基酸的氨基 羧基等所具有的化学反应性及两性解离性质 (4) 熟练掌握肽键的结构和性质 (5) 了解蛋白质的一级结构 二级结构 三级结构和四级结构的定义 特点及稳定各级结构的化学键 (6) 了解蛋白质结构与功能的关系及蛋白质的理化性质和分离纯化教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 :20 种蛋白质氨基酸的名称 缩写及基本结构特征, 与蛋白质结构有关的基本概念如肽键 肽平面 氨基酸残基 超二级结构 结构域等, 蛋白质结构与功能的关系及蛋白质的基本理化性质和分离纯化技术 教学难点 : 氨基酸的两性解离和等电点计算, 蛋白质测序的基本策略和原理 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 氨基酸的结构 分类及理化性质 4 学时 (2) 肽 2 学时 (3) 蛋白质的结构 蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的重要性质及分离纯化 4 学时重要中 外文词汇 : 蛋白质 (protein), 氨基酸 (amino acid), 等电点 (isoelectric point,pi), 肽 ( peptide ), 一级结构 ( primary structure ), 构型 ( configuration ), 构象 (conformation), 二级结构 (secondary structure), 三级结构 (tertiary structure), 超二级结构 (supersecondary structure), 结构域 (structural domain), 电泳 (electrophoresis), 透析 (dialysis), 盐析 (salting out), 变性作用 (denaturation) 复性 (renaturation) 思考题 : 1 写出组成蛋白质的 20 种氨基酸的名称及三字母和单字母缩写 2 什么是蛋白质的等电点? 其大小和什么有关系? 3 列举蛋白质主链构象的单元及它们的主要结构特征 4 蛋白质变性后, 其性质有哪些变化? 试比较蛋白质的变性作用与沉淀作用 5 举例说明蛋白质一级结构 空间结构与功能之间的关系 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

7 一 蛋白质在机体中的重要作用 第一章蛋白质化学 引言 蛋白质在生物体内占有特殊的地位, 具有非常重要的作用 1 催化作用 : 生物体内构成新陈代谢的所有化学反应, 几乎都是在酶催化下进行的, 目前已发现的酶绝大多数是蛋白质 2 运输作用 : 生命活动的需要的许多小分子物质和离子, 它们的运输均由蛋白质来完成 如血红蛋白运输 O2 3 调节作用 : 有些蛋白质具有激素的功能, 对生物体内的新陈代谢起调节作用 例如胰岛素参与血糖的代谢调节 4 运动作用 : 有些蛋白质是肌肉收缩的必要成分 如肌动蛋白 肌球蛋白 5 防御作用 : 生物体用以防御致病微生物或病毒侵害而产生的抗体, 是一类高度专一性的蛋白质 抗体也称免疫球蛋白 6 营养作用 : 蛋白质作为氨基酸的贮库, 能够为胚胎或幼儿生长发育提供原料 如卵清蛋白, 另外某些物质与蛋白质结合而被贮存, 如铁蛋白 7 结构蛋白 : 蛋白质是生物体的结构成分, 是构建机体的重要材料如 α- 角蛋白 胶原蛋白 二 蛋白质的化学组成 1 元素的组成根据蛋白质的元素分析, 蛋白质主要含有 C H O N 四种元素, 大多数蛋白质含有 S, 有些蛋白质还含有 P fe I Cu Mo Zn 等其中氮的含量在各种蛋白质中都比较接近, 平均为 16% 因此, 一般可由测定生物样品中的氮, 粗略地计算出其中蛋白质的含量 凯氏定氮法测定蛋白质含量的计算基础 2 蛋白质的基本结构单位蛋白质的基本结构是氨基酸, 多个氨基酸首尾连结形成长而不分叉的多聚物 多肽链, 多肽链在折叠卷曲, 形成蛋白质 一 氨基酸的结构 第一节氨基酸 1 氨基酸的结构通式组成蛋白质的氨基酸在结构上的共同点是与羧基相邻的 α 碳原子上都有一个氨基, 因而称为 α 氨基酸 ( 除 Pro 外 ), 结构是如下 : 不同的氨基酸在于 R 基因的不同

8 2 氨基酸的构型构型 : 是指不对称碳原子的四个取代基在空间的相对取向 不对称碳原子 : 是指与四个不同的原子或原子基因共价连接并因而失去对称性的四面体碳, 也称手性碳原子 从以上结构通式可以看出, 除 R 为氢原子 ( 即 Gly) 外, 所有 α 氨基酸分子中的 α 碳原子都为不对称性碳原子 氨基酸的 DL 构型是以 D L 甘油醛为参照物, 氨基酸在左面的为 L 构型, 氨基在右面的为 D 构型, 如下图 : 组成蛋白质的氨基酸都为 L 氨基酸 ( 除 Gly 甘氨酸外 ), 所以习惯上书写氨基酸都不标明构型 二 氨基酸的分类 组成蛋白质的氨基酸共有 20 种, 可以有多种分类方式 : 1 按 R 基的极性,20 种氨基酸可以分为两类,4 组 : 非极性氨基酸 (8 种 ) { 极性氨基酸 :1 不带电荷的极性氨基酸 (7 种 ) 2 带正电荷的极性氨基酸 (3 种 ) 3 带负电荷的极性氨基酸 (2 种 ) (1) 非极性氨基酸 : 是一组共有 8 种氨基酸 4 种带有脂肪烃侧链的氨基酸 : 丙氨酸 (Ala) 缬氨酸 (Val) 亮氨酸 (Leu) 异亮氨酸 (Ile); 2 种含芳香环氨基酸 : 苯丙氨酸 (Phe) 色氨酸 (Trp); 1 种含硫氨基酸 : 甲硫氨酸 (Met); 1 种亚氨基酸 : 脯氨酸 (Pro) (2) 不带电荷的极性氨基酸 : 这一组有 7 种氨基酸, 比非极性氨基酸易溶于水, 它们的侧链中含有不解离的极性基, 能与水形成氢键 甘氨酸 (Gly) 丝氨酸 (Ser) 苏氨酸 (Thr) 酪氨酸 (Tyr) 半胱氨酸 (Cys) 天冬酰胺 (Asn) 谷氨酰胺 (Gln) (3) 带负电荷的极性氨基酸 : 这一组是两种极性氨基酸, 都含有两个羧基, 并且第二个羧基在 PH7 左右完全解离, 因此分子带负电荷 天冬氨酸 (Asp)

9 谷氨酸 (Glu) (4) 带正电荷的极性氨基酸 : 这一组是 3 种碱性氨基酸, 在 PH7 时携带正电荷 赖氨酸 (Lys) 精氨酸 (Arg) 组氨酸 (His) 2 按 R 基的化学结构,20 种氨基酸分为三类 : (1) 脂肪族氨基酸 : 甘氨酸 (Gly) 丙氨酸 (Ala) 缬氨酸 (Val) 亮氨酸 (Leu) 异亮氨酸 (Ile) 丝氨酸 (Ser) 苏氨酸 (Thr) 半胱氨酸 (Cys) 甲硫氨酸 (Met) 天冬氨酸 (Asp) 谷氨酸 (Glu) 天冬酰胺 (Asn) 谷氨酰胺 (Gln) 赖氨酸 (Lys) 精氨酸 (Arg) (2) 芳香族氨基酸 : 苯丙氨酸 (Phe) 酪氨酸 (Tyr) 色氨酸 (Trp) (3) 杂环氨基酸 : 脯氨酸 (Pro) 组氨酸 (His) 3 按氨基酸的营养需求,20 种氨基酸可以分为两类 : (1) 非必需氨基酸 : 人类自身能合成 甘氨酸 (Gly) 丙氨酸 (Ala) 丝氨酸 (Ser) 酪氨酸 (Tyr) 半胱氨酸 (Cys) 脯氨酸 (Pro) 天冬酰胺 (Asn) 天冬氨酸 (Asp) 谷氨酰胺 (Gln) 谷氨酸 (Glu) (2) 必需氨基酸 : 人类自身不能合成或不能足量合成, 必须依赖食物供给 赖氨酸 (Lys) 精氨酸 (Arg) 组氨酸 (His) 缬氨酸 (Val) 亮氨酸 (Leu) 异亮氨酸 (Ile) 甲硫氨酸 (Met) 苯丙氨酸 (Phe) 苏氨酸 (Thr) 色氨酸 (Trp) 三 氨基酸的理化性质 1 一般物理性质 α- 氨基酸都是白色晶体 ; 熔点很高, 一般在 200 以上 ; 除脯氨酸 (Pro) 和酪氨酸 (Tyr) 外, 一般都能溶于水, 但溶解强度不同 ; 能溶于稀酸或稀碱中, 但不能溶于有机溶剂 2 光学性质 1 旋光性 : 当立即通过尼科尔棱镜时, 由于棱镜的结构只允许沿某一平面振动的光波通过, 其他光波都被阻断, 这种光称平面偏振光 但这种光通过旋光物质的溶液时, 光的偏振面全向右 ( 顺时针方向或正向,+) 或向左 ( 逆时针方向或负向, ) 旋转 旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力称旋光性或光学活性 除甘氨酸外, 其余蛋白质氨基酸都有手性碳原子, 都具有旋光性 2 紫外吸收参与蛋白质组成的 20 多种氨基酸, 在可见光区域都没有光吸收 ; 在远紫外区都有光吸收, 在近紫外区只有酪氨酸 色氨酸和苯丙氨酸具有光吸收能力 ( 由于他们含芳香环共轭双键 ) 色氨酸的最大光吸收是 279nm, 底物消耗数 5.2*1000 酪氨酸的最大光吸收是 278nm, 底物消耗数 1.1*1000 苯丙氨酸的最大光吸收是 259nm, 底物消耗数 2 * 两性解离和等电点 (1) 两性性质氨基酸既含有酸性的羧基, 又含有碱性的氨基, 羧基可以解离释放质子 ( 酸性 ), 氨基可以结合质子 ( 碱性 ), 所以氨基酸为一种两性电解质 氨基酸的氨基和羧基解离情况以及氨基酸本身携带点情况取决于他所处的酸碱环境 事实证明, 氨基酸在水溶液中主要以两性离子形式存在

10 当它处于酸性环境时, 由于羧基结合原子而使氨基酸带正电荷 ; 当它处于碱性环境时, 由于氨基酸解离而使氨基酸带负电荷 (2) 等电点当在某一 PH 值时, 氨基酸所带正电荷和负电荷相等, 即净电荷为零, 此时的 PH 值称为氨基酸的等电点, 缩写为 PI 上述情况用式子表示如下 : 由于静电荷作用, 在等电点时, 氨基酸的溶解度最小, 容易沉淀 利用这一性质可以分离制备某些氨基酸 1 氨基酸的等电点可用酸碱滴定方法测定现以甘氨酸的滴定为例来证明, 下图为甘氨酸的酸碱滴定曲线,A 是用标准盐酸滴定得到的曲线,B 是用标准氢氧化钠滴定得到的曲线 : 2 各种氨基酸的解离常熟都可通过酸碱滴定来测得, 已知解离常数, 计算氨

11 基酸的等电点 例 1: 丙氨酸为例介绍从解离常数计算等电点第一步 : 先写出氨基酸的解离方程第二步 : 根据质量作用定律第三步 : 根据等电点的条件是净电荷为零由以上推导可以看出, 氨基酸的等电点 PI 值相当于该氨基酸两性离子两边的 PK 值的算术平均值 这个结论适用于所有氨基酸的等电点的计算 下面我们再举两个例子 : 例 2: 天冬氨酸的 PI 的计算 ( 侧链带有可解离的羧基 ) 例 3: 赖氨酸的 PI 计算 ( 侧链带有可解离的氨基 ) 通过上面的推导, 可以得出结论 : 氨基酸等电点的计算 : 中性氨基酸 ( 不带电荷 ):PI=1/2(PK1+PK2) 酸性氨基酸 ( 带负电荷 ):PI=1/2(PK1+PKr) 碱性氨基酸 ( 带正电荷 ):PI=1/2(PK2+PKr) 氨基酸在电场中的移动 : PH PI 带负电荷, 移向正极 PH PI 带正电荷, 移向负极 PH=PI 不带电, 不移动 4 氨基酸的化学反应氨基酸的化学反应, 主要是指它的 α 氨基,α 羧基, 以及侧链上的基团所参与的反应 下面仅对其重要反应进行介绍 : (1) 与茚三酮的反应第一步 : 茚三酮转变为水含茚三酮 第二步 :α 氨基酸与水含茚三酮溶液一起加热, 经氧化脱氨 脱羧反应变成醛, 水含茚三酮被还原成还原型茚三酮 第三步 : 还原型茚三酮 氨和另一分子水含茚三酮反应, 缩合成蓝紫色化合物

12 (2) 与 2,4 二硝基氟苯反应这个反应首先被英国的 Sanger 用来鉴定多肽 蛋白质的 N 末端氨基酸, 所以也叫 Sanger 反应 在弱碱性溶液中, 氨基酸的 α 氨基酸很容易与 2,4 二硝基氟苯反应, 生成稳定的黄色 2,4 二硝基苯氨基酸 一 肽的定义 第二节肽 一个氨基酸的 α- 羧基与另一个氨基酸的 α- 氨基脱水缩合而成的化合物称肽 (peptide) 它们之间脱水形成的酰胺键, 称为肽键 (peptide bond): 由两个氨基酸缩合而成的称为二肽, 由三个氨基酸缩合而成的称为三肽,. 以此类推, 肽键中的氨基酸由于参加肽键的形成已经不是原来完整的分子, 因此称为氨基酸残基 (amino acid residue) 通常把含几个氨基酸残基的肽键称为寡肽 (oligopeptide), 含有十几个以上氨基酸残基的肽键称为多肽 (pologpeptide) 二 肽的结构 1 肽键是无分枝的长链 2 肽链的骨干是由 -N-C α -C- 序列重复排列而成, 称为共价主链 ; 其中 N 是酰胺氮,C α 是氨基酸残基的 α 碳,C 是羟基碳 3 各种肽的主链结构都是一样的, 但侧链 R 基的序列不同 4 肽链具有方向性, 两个末端分别为 NH 2 端 ( 氨基端或 N 端 ), 和 COOH 端 ( 羧基端或 C 端 ) 通常总是把 N 端氨基酸残基放在左边,C 端氨基酸放在右边, 除特别指明例外

13 三 肽的表示法 1. 中文表示法从肽链的 N 端开始, 对氨基酸残基统一命名, 称为某氨基酰某氨基酰 某氨基酸 例如 : 肽平面 2. 三字母表示法从肽链的 N 端开始, 用氨基酸的缩写字母表示, 中间用 - 或. 隔开 例如 : 上面三肽表示为 :Ala-Gly-Asp 3. 単字母表示法从肽链 N 端开始, 用氨基酸的単字符表示 例如 : 上面三肽表示为 :AGD 四 肽的理化性质 1 许多短肽已经得到晶体, 晶体的熔点都很高, 证明短肽的晶体是离子晶格, 在水溶液中偶数离子 ( 两性离子 ) 存在 2 具有两性解离性质肽链的一端含有游离的 α 羧基, 加上部分氨基酸可解离的 R 基团, 因而与氨基酸一样也具有两性解离的性质 它的等电点是在含有可解离的基团的静电荷为 0 时的溶液 ph 值 3 具有氨基酸中相应的基团类似的反应 NH2 末端的氨基酸残基也能与茚三酮发生定量反应, 生成显色物质 这一反应应用于肽的定性定量测定 五 主要的天然寡肽 1 谷胱甘肽(GSH) 是一个常见的三肽, 其组成为 γ- 谷氨酸 半胱氨酸 甘氨酸 注 : 谷氨酸与下一个半胱氨酸所组成肽键时用 γ- 羧基 谷光甘肽存在还原型谷胱甘肽 (GSH) 和氧化型谷胱甘肽 (GSSG) 谷光甘肽在体内的作用是某些氧化还原酶的辅酶, 另外某些含有巯基的酶具有保护作用 2 多肽基激素体内有血多激素属寡肽, 如 (1) 促甲状腺素释放因子 (TRH) 是一个特殊结构的三肽, 其 N 端的谷氨酸环化成焦谷氨酰, 组胺酰,C 端辅胺酸残基胺酰化成辅胺酰氨, 由下丘脑分泌的激素, 可促进脑垂体分泌促甲状腺激素 (2) 加压素 (ADH) 是一个九肽 ( 也称为八肽因为两个半胱氨酸一个胱氨酸 ), 是由下丘脑分泌的激素, 也叫抗利尿激素, 调节水代谢

14 另外还有一些书上介绍的激素 P37 3 某些抗菌素如短杆菌肽 ( 环 10 肽 ) 等 第三节蛋白质的分子结构 根据长期对蛋白质结构的研究, 已确认蛋白质的结构有不同的层次, 人们为了认识的方便, 通常将其分为 : 一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构 一 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构 (primary 二 蛋白质的构象和维持构象的作用力 structure) 是指蛋白质肽键中氨基酸的排列顺序 上面我们讨论了蛋白质的一级结构, 但正常情况下蛋白质并不是以完全伸展的多肽链存在的, 而是多肽链紧密折叠成具有一定功能的方向三级结构或构象 1 构象 (conformation): 是指在具有相同结构和构型的化合物中, 与碳原子相连的各原子或取代基团在单链旋转时形成不同的立体结构 如 P40 乙烷的交叉型构象和重叠型构象 构象的改变不需要共价键的断裂和重新形成 2 维持蛋白质构象的作用力多肽链主链中的 C-N C-C 等键都可以通过旋转形成无数构象, 但事实上天然蛋白质在生物体内只保持一种或几种构象, 维持天然蛋白质稳定构象的作用力主要有 : (1) 氢键 : 极性基定向形成氢键, 是稳定蛋白质二级结构的主要作用力 (2) 疏水作用 : 外构性基之间形成疏水键, 为来避开水分子, (3) 范德华力 : 主要是外构性分子或基团间形成, 偶构向德相互作用 (4) 盐键 ( 离子键 ): 离子之际形成的离子键 (5) 二硫键 : 两个半胱氨酸残基的硫基化脱氢形成

15 (6) 酯键 :OH 与 COOH 之间脱水形成 (7) 配位键 : 由单方提供电子对形成的如金属离子以配位键与蛋白质连接 三 蛋白质的二级结构 1 酰胺平面蛋白质的向结构是以它的一级结构为基础的 X 射线衍射技术研究表明, 肽链中的钛键 C N 介于单件和双键之间, 具有部分双键的性质, 不能自由旋转, 因而造成肽兼中的四个原子和它相邻的两个 α 碳原子都处于一个平面上, 形成酰胺平面的结构 N 0.153n m C α O 0.123n m C 0.132n m N C α 0.147n m 1 钛键是单键却有双键的性质, 不能自由旋转 2 钛键周边的六个原子在同意平面上, 形成酰胺平面 3 钛键是反式构型,H O 原子处于 C-N 键的两侧,C 原子在对角这样子就可以设想多肽链的主链是有许多酰胺平面组成, 平面之间以 Cα 相隔开 其中 Cα C 和 Cα H 之间是单键, 可以自由旋转绕 Cα C 键轴旋转的二面角 N C Cα N 称为 Ψ 绕 Cα N 键轴旋转的二面角 N C Cα C 称为 Φ 2 二级结构单元的种类天然蛋白质一般均含有 α 螺旋,β 折叠,β 转角和不规则卷曲等二级结构 (1)α 螺旋 α 螺旋是蛋白质中最常见, 最典型, 含量最丰富的二级结构单元是由 pauling L 和 corey 等人于 1951 年提出的 α 螺旋结构的特点 1 肽链中的酰胺平面绕 Cα 相继旋转一定角度形成 α 螺旋, 并盘绕前进, 每隔 3.6 个氨基酸残基, 螺旋上升一圈, 每圈间距 0.54nm 即每隔氨基酸残基沿螺旋中心轴上升 0.15nm, 旋转 100 o 2 螺旋体中的所有氨基酸残基侧链都伸向外侧 ; 肽链上所有的钛键都参与氢键的形成, 链中的全部 C=O 和 N H 几乎都平行于旋转轴, 氢键几乎平行于中心轴, 氢键轴每隔氨基酸残基的 N H 与前面第四个残基 C=O 形成氢键 H C

16 3α 螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种, 天然蛋白质的 α 螺旋绝多数都是右手螺旋 4 蛋白质多肽链能够形成 α 螺旋结构以及形成的螺旋体是否稳定, 与它的氨基酸残基序列直接有关如多肽链中有脯氨酸时,α 螺旋就被中断而拐弯, 因为脯氨酸时亚氨基酸, α 亚氨基上氢原子的形成钛键后, 再没有多余的氢原子形成氢键带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时, 螺旋的稳定性会降低, 由于同性电荷相斥 (2)β 折叠 β 折叠时由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联接而形成的锯齿状结构也是在 1951 年由 pauling 等人提出来的, 如图 β 折叠分平行式和反平行式两种形式平行式 : 就是所有肽链 N 端都处于同一端, 是同方向的反平行式 : 就是所有肽链 N 端不都处于同一端, 是一顺一倒排列着从能量角度来考虑, 反平行式结构更稳定维持 β 折叠结构稳定性的力 氢键, 是由一条肽链上的 C=O 核另一条肽链上的 N H 形成的, 即氢键是在链与链之间形成的 (3)β 转角 β 转角也叫 β 回折, 是近年来发现在球状蛋白质中广泛存在的一种结构 β 转角的特点肽链回折 150O, 使得氨基酸残基的 C=O 核第四个氨基酸残基的 N H 形成氢键, (4) 无规则卷曲

17 又称自由卷曲, 是指没有一定规律的松散肽链结构酶的功能部位常常处于这种构象区域, 所有受到人们的重视无规则卷曲常出现在 α 螺旋与 α 螺旋,α 螺旋与 β 折叠 β 折叠与 β 折叠之间, 它是形成蛋白质三级结构所必需的 四 蛋白质的超二级结构和结构域 近年来在研究蛋白质构象, 功能和进化中的变化时, 常常引入超二级结构和结构域的结构层次, 作为蛋白质二级机构和三级结构层次的一种过渡态构象层次 1 超二级结构超二级结构是指蛋白质中相邻的二级结构单元彼此相互作用, 形成有规则的, 在空间上能辨认的二级结构组合体 2 超二级结构现在常见的超二级结构有 αα ββ βαβ 1 αα 是由两股或三股右手螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋构象 2 ββ 是由若干个 β 折叠股反平行组合形成的, 两个 β 股向通过一个短回环连接起来 3 βαβ 是由两条平行的 β 折叠股和一段作为连接的 α 螺旋组成超二级结构在结构层次上高于二级结构, 但没有聚集成具有功能的结构域 3 结构域结构域是指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区, 它是相对独立的紧密球状结构结构域是球状蛋白质的折叠单位, 结构域有时也指功能域, 一般说, 功能域是蛋白质分子能独立存在的功能单位 功能域可以是一个结构域, 也可以是有两个结构域或两个以上结构域组成 例如酵母酶的功能域就是两个结构域组成, 并处于他们之间的交界处从功能角度看, 许多多结构域的酶, 其活性中心都位于结构域之间 这是由于结构域之间常常只有一柔性的肽链连接, 使结构域容易发生相对运动 五 蛋白质的三级结构 < 一 > 三级结构的概念蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构 超二级结构和结构域的基础上, 主链构象和侧链构象相互作用, 进一步盘曲折叠形成球状分子结构 < 二 > 球状蛋白质的三级结构特征现在已经晶体结构的蛋白质已有 300 多种, 每种球状蛋白质都有自己独特的三级结构单元, 但是他们还有很多共同特征 1 球状蛋白质分子含有多种二级结构单元 2 如溶菌酶中含有 α 螺旋,β 折叠,β 转角和不规则卷轴等二级结构, 如图为卵溶菌酶的三级结构 3 球状蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次 4 球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状 5 球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部, 亲水侧暴露在分子表面 6 球状蛋白质分子的表面有一个内陷的空隙, 它往往是蛋白质的活性中心

18 < 三 > 维持三级结构的作用力维持三级结构的作用力主要有二硫键 共价键疏水作用氢键离子键非共价键范德华力 六 蛋白质的四级结构 < 一 > 四级结构的概念蛋白质四级结构 : 是指有两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的有特定三级结构的蛋白质构象 其中每条多肽链又称蛋白质的亚基, 由两条或两条以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质 寡聚蛋白质包括很多重要的酶和转运蛋白 例如 : 血红蛋白是有四个亚基组成, 是一种寡聚蛋白质, 只有四个亚基组合在一起的血红蛋白才具有完全的转运氧及其他功能 每个亚基上含有一个血红素辅基因此血红蛋白分子上有四个氧的结合部位 < 二 > 维持四级结构的作用力主要有 : 疏水作用, 氢键, 离子键和范德华力对某些蛋白质还有亚基之间的二硫键 第四节蛋白质结构与功能的关系 蛋白质分子具有多种多样的生物功能, 并且这些功能是以它的化学组成和极其复杂的机构为基础的 一 蛋白质一级结构与功能的关系 1 一级结构的种属性差异与分子进化目前对不同集体中表现同一功能的蛋白质的氨基酸排列顺序进行了比较研究, 发现既有相同的氨基酸排列顺序又存在种属差异性例如细胞色素 C 存在于真核生物细胞的线粒体中, 是一种含有血红素辅基的单链蛋白质, 在生物氧化时, 起传递电子的作用对将近一百个生物种属的细胞色素 C 的一级结构惊醒来测定和比较, 发现具有 28 个氨基酸残基是各种生物共有的, 表明这些氨基酸残基是规定细胞色素 C 的生物功能所必需的 其中包括第 14 和 17 位的里两个半胱氨酸残基,18 位的组氨酸和 80 位的甲硫氨酸以及 48 位络氨酸和 59 位色氨酸却是不变的位置 据研究表明, 这几个氨基酸却是保证细胞色素 C 功能的关键部位 另外, 从各种生物的细胞色素 C 的一级结构分析结果知道, 亲缘关系越近, 起结构越相似, 如人与黑猩猩的细胞色素 C 都是有 104 个氨基酸残基组成, 排列顺序和三级结构也大体相同, 人和相比就有 12 处不同, 与昆虫相比有 27 处不同, 2 一级结构的变异与分子病分子病是指由于遗传基因突变导致蛋白质分子中某些氨基酸残基被更换所造成的一种遗传病如镰刀型细胞贫血症, 就是由于病人的血红蛋白与正常人的血红蛋白相比, 在 574 个氨基酸中只有一个氨基酸残基差异引起的正常人的 Hb-A 的 β 链 6 位是谷氨酸, 而病人的 Hb S 的 β 链 6 位是缬氨酸,

19 β 链 N 端氨基酸排列顺序仅仅由于这一点微细的差别, 就使患者的红细胞氧气缺乏时呈镰刀状, 易涨破发生溶血, 运氧既能降低, 引起头昏, 胸闷等贫血症状 3 一级结构与蛋白质前体的激活在体内许多具有一定功能的蛋白质如酶蛋白, 激素类蛋白等, 常以无活性的前体产生和贮存, 在一定情况下, 这些前体经特定蛋白酶水解, 切除部分肽链后, 才转变成有活性的蛋白质, 这一过程叫蛋白质前体的激活例如 : 有功能的胰岛素含有 51 个氨基酸残基, 但在胰岛 β 细胞最初合成的是含有 84 个氨基酸残基的前胰岛素原, 多出来的一肽链叫信号肽, 在需要胰岛素起作用时, 他被切掉 二 蛋白质空间结构与功能的关系 有些蛋白质只有具有一定的空间结构, 才能发挥它的生物学功能, 下面通过两个例子来介绍下 例 1 牛胰核糖核酸酶 A 是由 124 个氨基酸残基组成的单链蛋白质, 含有四个二硫键, 并通过其他次级键使多肽链折叠成一个具有三维构象的有催化能力的活性蛋白质三维构象形成对维持酶的活力是必不可少的当天然牛胰核糖核酸酶 A 在 8mol L-1 尿素存在下, 用 β 巯基乙醇处理后, 分子内的四个二硫键断裂, 整个肽链呈伸展的无规则的线形形状, 同时酶的活性丧失 当用透析方法将尿素和 β 巯基乙醇除去后, 牛胰核糖核酸酶 A 又恢复来活性, 研究表明, 高性后的产物与天然 RNase 并无差异 例 2 血红蛋白的别构现象别构现象 : 蛋白质的构象并不是固定不变的, 当有些蛋白质表现其生物功能时, 其构象发生变化, 从而改变来整个分子的性质, 这种现象就成为别构现象如血红蛋白是由两个 α 亚基和两个 β 亚基组合而成的四聚体, 具有稳定的高级结构, 和氧的亲合力很弱, 但当氧和血红蛋白分子中一个亚基血红素铁结合后, 即引起该亚基的构象发生改变, 一个亚基构象的改变又会引起另外三个亚基相继发生变化, 记过整个分子的构象发生改变, 使所有亚基血红素铁原子都重与氧结合, 从而加快来血红蛋白与氧的结合速度 第五节蛋白质的重要性质 蛋白质由氨基酸组成, 因此蛋白质的性质有些与氨基酸相似, 但也有些特殊的性质, 下面介绍它的一些重要性质 : 一 蛋白质的胶体性质 蛋白质是相对分子质量很大的生物大分子, 它的相对分子质量一般在 1 万 100 万之间, 它的分子直径在 1 100nm 之间 1 蛋白质具有胶体溶液的性质

20 如布朗运动 丁达尔现象 电泳现象 不能透过半透膜及具有吸附能力等利用蛋白质不能透过半透膜的性质, 可用羊皮纸 火棉胶 玻璃纸等来分离纯化蛋白质, 这个方法称透析法在实验室或工业生成上常用这种方法提纯蛋白质 2 蛋白质是一种比较稳定的亲水胶体这是因为在蛋白质颗粒表面带有很多极性集团和水有高度亲和性, 当蛋白质与水相遇时, 就很容易在蛋白质颗粒外面形成一层水膜水膜的存在使蛋白质颗粒相互隔开, 颗粒之间不会碰撞而聚成大颗粒, 因此蛋白质在水溶液中比较稳定而不易沉淀 二 蛋白质的两性解离及等电点 蛋白质和氨基酸一样也是两性电解质, 既能和酸反应, 也能和碱反应 蛋白质分子中可解离的基因主要是 α 氨基和 α 羧基, 另外还有就是氨基酸残基上的侧链基因, 如 氨基,β 羧基,r 羧基, 唑基, 呱基, 酚基, 巯基等在一定 PH 条件下, 这些基团能解离为带电基团而使蛋白质带电在酸性环境中, 各碱性基因与质子结合, 使蛋白质带电荷, 在碱性环境中酸性基因解离出质子, 与环境中的 OH 结合, 使蛋白质带负电荷当溶液在某一定 PH 值的环境中, 使蛋白质所带的正电荷与负电荷恰好相等, 也即净电荷为零, 在电场中既不向阳极移动, 也不向阴极移动, 这时溶液的 PH 值称作该蛋白质的等电点, 用 PI 表示 蛋白质在等电点时, 以两性离子形式存在, 净电荷为零, 由于静电作用, 极易结合成较大的聚集体, 因而沉淀析出 三 蛋白质的沉淀反应 前面我们已经说过, 蛋白质由于带有电荷和水膜, 在水溶液中比较稳定 如果在蛋白质溶液中加入适当的试剂, 破坏了蛋白质的水膜或中和了蛋白质的电荷, 叫蛋白质溶液就不稳定而出现沉淀 能使蛋白质沉淀的试剂有 : 1. 高浓度中性盐如硫酸铵, 硫酸钠, 氯化钠等可以破坏蛋白质胶体周围的水膜, 同时又中和了蛋白质分子的电荷, 因此使蛋白质产生沉淀这种加入盐使蛋白质沉淀析出的现象, 称为盐析 2. 有机溶剂如酒精 丙酮等, 可破坏蛋白质分子周围的水膜, 因而使蛋白质产生沉淀 如果蛋白质溶液的 PH 在等电点时, 加入这些有机溶剂可加速蛋白质沉淀 因此也可用于蛋白质的分离纯化 3. 重金属盐如 Hg( 氯化高汞 ) Ag( 硝酸银 ) Pb( 醋酸铅 ) 等, 与蛋白质中待负电基团形成不易溶解的盐而沉淀 4. 某些酸类

21 如苦味酸 三氯乙酸 酮酸 钨酸等, 与蛋白质中带己电荷的基团生成不溶性盐而沉淀 四 蛋白质的变性 天然蛋白质因受到某些物理或化学因素的影响, 其径向结构发生改变, 致使蛋白质的理化性质和生物学功能发生改变或丧失, 但并不导致蛋白质一级结构的改变, 这种现象称变性作用 (denaturation) 1. 蛋白质变性的因素能使蛋白质变性的因素很多物理因素有 : 加热 (70~100C) 紫外线 超声波 剧烈振荡或搅拌, 高压等化学因素有 : 强酸枪击案 脲素 胍 去污剂 重金属盐等 2. 蛋白质变性后的表现 * 蛋白质变性后首先就是失去其生物活性, 如酶失去催化能力, 血红蛋白失去运输氧的功能 胰岛素失去调节血糖的生理功能等 ; * 蛋白质变性后还表现出各种理化性质的改变, 如溶解度降低, 粘度增大, 扩散系数变小 ; * 蛋白质变性后还表现出生化性质的改变, 如肽链松散 基因位置改变 对蛋白酶敏感性增大 3. 蛋白质的复性蛋白质的变性作用, 若不过于剧烈, 是一种可逆过程 高级结构松散了的变性蛋白质通常在除去变性因素后, 可缓慢地重新自发折叠形成原来的构象, 恢复原有的理化性质和生物活性, 这种现象称为复性 例如胃蛋白酶加热至 80~90C 时, 失去溶解性, 也无笑话蛋白质的能力, 如将温度再降低到 37C 时, 它又可恢复溶解性与消化蛋白质的能力 但是对于大多数蛋白质来说, 变形后很难复性 例如蛋白质的接絮作用 ( 牛奶变质 ) 和凝固作用 ( 豆腐 ) 就是不可逆的变性 五 蛋白质的颜色反应 1. 双缩脲反应双缩脲是由两分子尿素缩合而成的化合物 双缩脲在碱性溶液中能与硫酸铜反应产生红紫色络合物, 此反应称双缩脲反应蛋白质分子中含有许多和双缩脲结构相似的肽键, 因此也能起双缩脲反应形成红紫色络合物 通常可用此反应来定性鉴定蛋白质, 也可根据反应产物的颜色深浅在 540nm 处比色, 对蛋白质进行定量测定 2. 酚试剂 (folin 试剂 ) 反应蛋白质分子中一般都含有烙氨酸, 而络氨酸中的酚基能将福林试剂中的磷气目酸及磷钨酸还原成蓝色化合物 ( 即气蓝和钨蓝的混合物 ) 这一反应常用来定量测定蛋白质含量 3. 米伦氏反应米伦试剂为硝酸汞 亚硝酸汞 硝酸和亚硝酸的混合液

22 蛋白质溶液中加入米伦试剂后即产生白色沉淀, 加热后沉淀变成红色 酚类化合物有此反应, 烙氨酸含有酚基, 所以烙氨酸和含有烙氨酸的蛋白质都有此反应 4. 茚三酮反应由于蛋白质多肽链两端有游离的 -COOH, 所以蛋白质也可以和茚三酮发生反应, 生成蓝紫色物质 5. 考马斯亮蓝反应考马斯亮蓝反应在酸性溶液中呈棕红色, 当它与蛋白质通过疏水作用结合后变为蓝色 常用来测定蛋白质含量 六 蛋白质的分离 纯化与鉴定 ( 一 ) 蛋白质的分离 纯化的过程和一般原则分离纯化某一特定蛋白质的一般程序可以分为前处理, 粗分级分离 细分级分离和结晶四步 : 1. 前处理 (pretreatment) 分离纯化某一蛋白质, 首先要求把蛋白质从原来的组织或细胞中以溶解的状态释放出来 这就要选择适当的方法, 将组织和细胞破碎 动物组织和细胞可用电动捣碎机 (waring blender) 或匀浆机 (homogenizer) 破碎或用超声波处理 (ultrasonication) 破碎 植物组织和细胞, 一般要用与石英砂或玻璃粉和适当的提取液一起研磨的方法破碎或用纤维素酶处理也能达到目的 细菌细胞的破碎比较麻烦, 常用方法有超声波振荡, 与砂研磨, 高压挤压或溶菌酶处理等 组织和细胞破碎以后, 选择适当的缓冲液把所要的蛋白质提取出来细胞碎片等不容物用离心或过滤等方法除去 2. 粗分级分离 (rough fractionation) 当蛋白质提取液获得后, 选用一套适当的方法, 将所要的蛋白质与其它杂蛋白质分离开来 一般用盐析 等电点沉淀 超滤和有机溶剂分级分离等方法 3. 细分级分离 (fine fractionation) 也就是将样品进一步纯化, 一般使用层析法包括凝胶过滤 离子交换层析 吸附层析以及亲和层析力 必要时还可选择电泳法, 包括区带电泳, 等电聚焦等作为最后的纯化步骤 4. 结晶

23 课程单元题目 教案首页 第二章核酸化学 本单元学时 6 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 教学目的与要求 : (1) 掌握 5 种最常见的碱基的化学结构及嘌呤环和嘧啶环的编号规则 (2) 掌握核酸的种类 分布 化学组成及分子结构, (3) 掌握 DNA 双螺旋结构模型的要点和稳定双螺旋结构的作用力 (4) 了解 RNA 的分子结构和功能, 掌握 trna 的二级结构和三级结构 (5) 了解核酸的一般性质 紫外吸收性质, 了解 DNA 的变性 复性及其杂交 2012 年 9 月 教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 核酸的分类 分布及各类核酸和核苷酸的功能及生物学意义, 核酸的一级结构及其主要化学键,DNA 双螺旋结构的要点,mRNA 一级结构特点,tRNA 二级结构特点, 核酸的主要理化性质教学难点 :DNA 序列与结构的关系,DNA 结构的稳定因素,DNA 双螺旋构象的多肽性 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 核酸的种类 分布和化学组成 1 学时 (2) 核酸的分子结构 4 学时 (3) 核酸的理化性质及其应用 1 学时 重要中 外文词汇 : 核酸 (nucleic acid), 核糖核酸 (ribonucleic acid,rna), 脱氧核糖核酸 (deoxy ribonucleic acid,dna), 信使 RNA(messenger RNA,mRNA), 核糖体 RNA(ribosoal RNA,rRNA), 转移 RNA(transfer RNA,tRNA), 核苷酸 (nucleotide), 核苷 (nucleoside), 碱基 (base), 核糖 (ribose), 脱氧核糖 (deoxyribose), 腺嘌呤 (adenine,a), 鸟嘌呤 (guanine,g), 胞嘧啶 (cytosine,c), 胸腺嘧啶 (thymine,t), 尿嘧啶 (uracil,u), 熔解温度 (melting temperature), 杂交 (hybridization)) 思考题 : 1 比较蛋白质 α- 螺旋中的氢键和 DNA 双螺旋中的氢键, 并指出指出氢键在稳定这两种结构中的作用 2 一般来说 DNA 稳定, 而 RNA 不稳定,DNA 稳定有什么生物学意义,RNA 不稳定又有什么意义? 3 B 型双螺旋是活细胞 DNA 内最常见的结构, 为什么? 何种核酸形成 A 型双螺旋, 而不是 B 型双螺旋? 为什么这样的结构限制非常重要? 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

24 第二章核酸的化学 引言 核酸是重要的生物大分子, 是生物化学与分子生物学研究的重要对象和领域 一 核酸的发现 早先, 人们认为遗传物质是蛋白质 1868 年, 瑞士科学家 F.Miescher 从外科绑带上脓细胞的核中分离出了一种富含磷的有机物质, 称为 核素 1872 年, 他又从莱茵河鲑鱼种得到类似物 所以 Miescher 被认为是细胞核化学的创始人和 DNA 的发现者 1889 年,R.Aliman 又从酵母和动物的细胞核中得到了不含蛋白质的核酸, 并首次使用 核酸 命名 1944 年, 美国科学家 Avery 等人, 通过细菌转化实验证明 DNA 是遗传物质, 蛋白质等其他物质不是逻辑物质 1952 年, 美国科学家 Hershey 和 Chase 用同位素 32Phe 35S 标记噬菌体 T2 的 DNA 和蛋白质, 发现进入细菌体内进行复制的是 DNA 而非蛋白质 更加证明了 DNA 是遗传物质 1953 年,jd Watson 和 Fcrick 提出了 DNA 的双螺旋结构模型, 从此核算酸的研究成了生命科学中最活跃的领域 二 核酸的种类 分布与功能 核算分为脱氧核糖核酸和核糖核酸两大类 DNA 是主要的遗传物质, 通过复制将遗传信息由亲代传给子代 RNA 与遗传信息在子代的表达有关 DNA 与 RNA 的分布和功能列表如下 : 种类分布功能 RNA DNA trna mrna 原核生物 : 核反应真核生物 :95% 在细胞核 5% 在线立体和叶绿体 原核生物 : 细胞质真核生物 :75% 在细胞质 15% 在线粒体和叶绿体 10% 在细胞核 遗传信息的载体携带 转移氨基酸肽链合成的模板 rrna 核抗体主要成分 三 核酸的化学组成 1 元素组成核酸主要由 C H O N P 五种元素组成

25 其中 P 的含量在核算中相对恒定, 在 DNA 中为 9.9%, 在 RNA 中为 9.4% 这可用于测定核酸的含量 -- 定磷法 2 核酸的基本结构单元核酸的基本结构单位是核苷酸, 也就是核酸是由许多核苷酸组成的长链 第一节核苷酸的结构 一 戊糖 RNA 和 DNA 两类核酸是因所含的戊糖不同而分类的 RNA 含 D- 核糖, 结构式 DNA 含 D-2- 脱氧核糖结构式 二 碱基 两类核酸所含的主要碱基都是 4 种 DNA 中的 4 种碱基 : 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 RNA 中的 4 种碱基 : 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 尿嘧啶他们的结构式如下

26 三 磷酸 四 核苷 1 核苷是核糖或脱氧核糖与嘌呤碱生成的糖苷糖的第一位碳通常与嘌呤碱的第九位氮原子或与嘧啶碱的第一位氮原子相连, 形成 N C 糖苷键 2 糖环中的碳原子标号右上角加撇, 而碱基中原子的标号不加撇, 以示区别 例如腺嘌呤核苷的结构式 : 3 核苷用单字符表示 : 腺嘌呤核苷 (A) 鸟嘌呤核苷 (G) 胞嘧啶核苷 (C) 尿嘧啶核苷 (U), 脱氧核苷则在单字符号前加一小写的 d 五 核苷酸 核苷酸分为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类核糖核苷的糖环上有 3 个自由羟基, 能形成 3 种不同的核苷酸脱氧核苷的糖环上有 2 个自由羟基, 能形成 2 种不同的脱氧核苷酸生物体内有力存在的核苷酸多为 5 核苷酸各种核苷酸在文献中通常用英文缩写表示 : RNA 中的核苷酸 DNA 中的核苷酸 腺甘酸 AMP 鸟苷酸 GMP 胞甘酸 CMP 尿甘酸 UMP 脱氧腺甘酸 damp 脱氧鸟苷酸 dgmp 脱氧胞甘酸 dcmp 脱氧胸甘酸 dtmp 用酶水解 DNA 或 RNA, 除得到 5 - 核苷酸外, 还可得到 3 - 核苷酸为了区别这两种核苷酸, 常用的表示法是在核苷符号的左侧加小写字用 P 表示 5- 磷酸酯, 右侧加 P 表示 3- 磷酸酯 六 细胞内的游离核苷酸及其衍生物 1 多磷酸化核苷酸生物体内的腺苷酸可与一分子磷酸结合成腺苷二磷酸 ADP, 又能与一分子磷酸结合成腺苷三磷酸 ATP 其它单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化, 产生相应的二磷酸或三磷酸化合物 各种核苷三磷酸是体内合成 RNA 的直接原料, 各种脱氧核苷三磷酸是合成 DNA 的直接原料 ATP 是生物体进行新陈代谢所需能量的直接来源, 是活细胞内的 能量货币 2 环化核苷酸核苷酸的磷酸基团即与 3 -OH 又和 5 -OH 相连, 从而形成环化的核苷酸, 叫做 3,5 - 环核苷酸 如 3,5 - 环鸟苷酸是 camp 的拮抗物, 二者共同在细胞的生长发育中起重要的调节作用 3 辅酶核苷酸核苷酸也是多种辅酶的结构成分, 有些辅酶本身就是特殊的核苷酸, 如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸, 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸, 黄素腺嘌呤二核苷酸 黄素

27 单核苷酸是多种氧化还原酶的辅基 一 DNA 的一级结构 第二节 DNA 的分子结构 1 定义 :DNA 的一级结构是指 DNA 分子中各种脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序 也就是四种脱氧核苷酸通过 3,5 - 磷酸二酯键连接起来的多核苷酸链的排列顺序 2 DNA 一级结构的特点由脱氧核糖和磷酸相隔连接构成主链, 碱基连接在主链的脱氧核糖上, 形成侧链 ; 具有方向性, 每条线形多脱氧核苷酸有一个 5 - 末端和一个 3 - 末端 在天然 DNA 中,5 - 端常为磷酸,3 - 端为游离羟基 3 一级结构的表示方法线条式 文字式 二 DNA 的二级结构 DNA 的二级结构是指 DNA 的双螺旋结构 双螺旋结构是 DNA 的两条链围着同一中心轴旋绕而成的一种空间结构 DNA 的双螺旋结构模型是由 Watson 和 crick 与 1953 年提出的 1 双螺旋结构模型提出的依据 (1)DNA 的 X 射线衍射图 1952 年,Wilkins 和 Franklin 发现不同来源的 DNA 纤维具有相似的 X 光衍射图谱 (2)DNA 的碱基组成分析 1950 年,chargaff 等应用层析法对多种生物 DNA 的碱基组成进行了分析发现 :A+G=C+T,A=T,G = C 2 双螺旋结构模型的基本特征 (1) 两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴盘绕成右手螺旋 (2) 双螺旋表面形成的两种凹槽, 较浅的叫小沟, 较深的叫大沟 (3) 由糖一磷酸相互间隔连接构成的主链处于螺旋外侧, 碱基伸向螺旋内部, 与中轴垂直 (4) 双螺旋内部的碱基配对 :A 与 T 配对, 形成两个氢键 ;C 与 G 配对, 形成三个氢键, 称为碱基互补 (5) 双螺旋直径为 2nm, 每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转 36 度, 上升 0.34nm 双螺旋每转一周有 10 个碱基对, 每转的高度为 3.4nm 3 双螺旋结构的稳定因素互补碱基之间的氢键 碱基准集力 离子键

28 4 DNA 双螺旋构象的多态性对含水量不同的天然 DNA 和人工合成的 DNA 进行 X 射线研究, 发现 DNA 结构有多种类型 在生理状态及在溶液中,DNA 一般为 B 型, 当水合的 DNA 脱水时, 转变为 A 型 表中列举了各类双螺旋 DNA 的结构常数类型旋转方向螺旋直径螺距角转碱基碱基对间碱基倾角对数目距 A-DNA 右 B-DNA 右 Z-DNA 左 总之,A 型螺旋比较粗短, 碱基倾角大, 大沟深度明显超过小沟,B 型比较适中,Z 型细长 5 三链 DNA 如果提高多聚脱氧腺苷和多聚脱氧胸苷环境中的盐浓度, 它们之间组成的 DNA 螺旋区段就容易歧化成三链结构和一条多聚脱氧核苷酸链 6 DNA 的其它螺旋结构 DNA 除了具有以上介绍的螺旋结构外, 还有回文结构, 镜像重复和三股螺旋结构 (1) 回文结构 DNA 序列中, 以某一中心区域为对称, 其两侧的碱基对顺序, 正读和反读都相同的双螺旋结构 即对称轴一侧的片段旋转 180 度后, 与另一侧片段对称重复 (2) 镜像重复指存在于同一股上的某些 DNA 区段的反向重复序列 (3) 三股螺旋多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的 DNA 螺旋区段, 其序列中有较长的镜像重复时, 形成局部三股配对 并互相盘绕的三股螺旋 其中两股的碱基按 Watson-crick 方式配对, 第三股多聚嘧啶通过 TAT 和 CGC 配对, 而处于双螺旋的大沟中 三 DNA 的三级结构 DNA 双螺旋进一步扭曲成三级结构 1 DNA 的超螺旋结构某些小病毒, 细菌质粒, 真核生物的线粒体和叶绿体中的 DNA 为双链环形, 其三级结构为麻花状的超螺旋结构 超螺旋结构分为正超螺旋和负超螺旋两种 : 正超螺旋对于右手螺旋 DNA 分子来讲, 向右捻, 使每圈螺旋碱基对数小于 10.5, 螺旋结构处于紧缠状态 ; 负超螺旋对于右手螺旋 DNA 分子来讲, 向左捻, 使每圈螺旋碱基对数大于 10.5, 螺旋结构处于松缠状态 2 真核生物染色体的超微结构真核生物染色体是由 DNA 和组蛋白组成的 第三节 RNA 的分子结构 RNA 可分为 mrna trna 和 rrna, 但不论是哪种 RNA 都有共同的结构 一 RNA 的结构特点 1 大多数天然 RNA 是单链状, 但许多区域可自身进行碱基配对, 形成回折

29 2 碱基配对规则 :A-U,G-C, 不能配对的区域形成突起 3 RNA 分子比 DNA 分子小的多, 一般含几十至几千个核苷酸, 核苷酸之间也是通过 3,5 - 磷酸二酯键连接 不同种类的 RNA 又都有各自的功能和结构特点 二 trna 分子的结构和功能 1 功能 trna 约占 RNA 总量的 15%, 由核内形成并迅速加工后进入细胞质 主要功能是转运氨基酸 每一种氨基酸可有一种以上的 trna, 细胞内一般有 50 种以上不同的 trna, 有些真核生物细胞达到 100 多种 2 结构 trna 的一级结构分子较小, 是由 7~9 个核苷酸组成的单链 trna 的二级结构是三叶草型结构 : (1) 分子中由 A-U,G-C 碱基对构成的双螺旋区称为臂, 不能配对的部分称环 (2) 在叶柄, 由 7 对碱基组成氨基酸臂 3 端都为 CCAoH, 用以接受氨基酸,5 端都为 pg (3) 左叶, 由 8~12 个核苷酸组成二氢尿嘧啶环 (4) 下叶由 7 个核苷酸组成反密码环 (5) 右叶, 由 7 个核苷酸组成的 TΨC 环, 由 5 对碱基组成 TΨC 臂 (6) 中间右侧, 由 2~18 个核苷酸组成的额外环 3 trna 的三级结构 X 射线衍射分析表明,tRNA 的三级结构很像倒写的字母 L 三 rrna 分子的结构和功能 1 功能 rrna 占细胞 RNA 总量的 80%, 是组成核糖体的主要成分 2 结构 (1)rRNA 由 120~5000 个核苷酸组成, 其种类和大小可用 s 表示 核糖体分大小两个亚基, 每个亚基又由不同的 rrna 组成, 列表如下核糖体 rrna 原核生物 70s 30s 16s 50s 23s 5s 真核生物 80s 40s 18s (2)rRNA 的二级结构可形成颈环结构 (3)rRNA 的二级结构折叠形成三级结构 60s 28s 5s 5.8s

30 四 mrna 分子的结构和功能 1 功能 mrna 约占细胞总 RNA 的 3%~5%, 代谢活跃, 寿命较短, 是蛋白质生物合成的模板 每一种蛋白质都有对应的 mrna, 种类多 2 结构原核生物和真核生物的 mrna 在结构上有所不同 (1) 原核生物的 mrna 是多顺反子的, 真核生物的 mrna 是单顺反子 (2) 原核生物 mrna5 端无帽子结构, 真核生物 mrna5 端有帽子结构 (3) 原核生物 mrna3 端无多聚腺苷酸, 真核生物 mrna3 端有一段长达 200 个腺苷酸构成的聚腺苷酸, 称为 尾巴结构 一 一般物理性质 第四节核酸的性质 1 形态 DNA 为白色纤维状固体 ;RNA 为白色粉末状固体 2 溶解性都溶于水, 不溶于一般有机溶剂, 在 70% 乙醇中形成沉淀 3 粘度在溶液中,DNA 粘度很大,RNA 粘度小的多 4 密度及沉降特性密度 :RNA> 双链 DNA 环状 DNA> 开环, 线状 DNA 单链 DNA> 双链 DNA 沉降速度 :RNA> 环状 DNA> 线状 DNA 二 两性解离 核酸既含有酸性的磷酸基因, 又含有弱碱性的碱基, 可发生两性解离 它们在不同 ph 的溶液中解离程度不同, 在一定条件下可形成两性离子 由于磷酸基因的酸性很强, 所以核酸的 pi 值较小, 整个分子相当于多元酸 利用核酸的两性解离可以通过调节核酸溶液的等电点来沉淀核酸, 也可通过电泳分离纯化核酸 三 紫外吸收 嘌呤和嘧啶具有共轭双键, 能强烈吸收紫外光 在 260nm 处有最大吸收峰 对于纯的 DNA 或 RNA, 可以通过测得 A260 来测定核酸的含量 四 变性和复性 1 核酸的变性引起核酸变性的因素有 : 加热 酸碱 尿素 甲醇等 2 增色效应核酸变性后, 在 260nm 处紫外吸收值上升, 这叫增色效应 3 熔解温度把热度过程中光吸收达到最大吸收一半时的温度称为该 DNA 的熔点或熔

31 解温度 4 复性变性 DNA 在适当条件下, 又可使两条彼此分开的链从新缔合成为双螺旋结构 5 减色效应当变性的 DNA 经复性重新形成双螺旋结构时, 其溶液的 A260 值, 这种现象称为减色效应 6 分子杂交将不同来源的 DNA 放在一起经热变性后, 慢慢冷却, 让其复性 DNA 与互补的 RNA 之间也可以发生杂交 核酸的杂交在分子生物学和分子遗传学的研究中应用极广, 许多重大的分子遗传学问题都是因分子杂交来解决的 核酸的分子杂交技术核酸的分子杂交技术在分子生物学和分子遗传学的研究中应用非常广泛 这种技术就是通过各种方法将核酸分子固定在固相支持物上, 常用的滤膜有硝酸纤维素滤膜 尼龙滤膜 或叠氮苯氧甲基纤维素滤纸和二乙胺基乙基纤维素滤膜, 然后用放射性标记的探针与固定的分子杂交, 经显影后显示出目的 DNA 或 RNA 分子的序列 根据被测定的对象, 核酸分子杂交, 基本上分为两类 : 1 southern blotting DNA 片段经电泳分离后, 从凝胶中转移到硝酸纤维素滤膜或尼龙膜上, 然后与探针杂交被检查的对象为 DNA, 探针为 DNA 或 RNA 2 northern blotting RNA 片段经电泳分离后, 从凝胶中转移到硝酸纤维素滤膜上, 然后用探针杂交被检查的对象是 RNA, 探针为 DNA 五 核酸的序列测定 1 DNA 的酶法测序 1975 年,sanger 提出了酶法测序 这个方法是利用 DNA 聚合酶以单链 DNA 作为模板, 加入适当的引物和四种脱氧核苷三磷酸, 是合成反应尽可能是随机的, 这样就可以得到各种长度的片段, 在做凝胶电泳自显影图谱, 从图谱上读出 DNA 互补序列 2 DNA 的化学法测序化学法测序是由 maxam 和 Gilbert 与 1977 年发明原理 : 用特异的化学试剂作用于 DNA 分子中不同碱基, 然后用哌啶切断反应碱基的多核苷酸链 是 DNA 分子切成不同长度的片段, 其末端都是该特异的碱基, 经聚丙烯酰胺变性胶电泳和放射自显剂得到预测图谱 4 组特异的反应 : (1) G 反应用硫酸二甲酰是鸟嘌呤上的 N3 原子甲基化, 加热了是甲基化鸟嘌呤脱落, 多核苷酸链可在该处断裂 (2)G+A 反应用甲酸使 A 和 G 嘌呤环上的 N 原子质子化, 从而使其核苷见变得不稳定, 再用哌啶是键断裂 (3)T+C 反应用肼使 T 和 C 的嘧啶环断裂, 再用哌啶除去碱基 (4)C 反应当有盐存在时, 只有 C 与肼反应, 并被哌啶除去

32 课程单元题目 教案首页 第三章酶 本单元学时 12 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 9 月 教学目的与要求 : (1) 了解酶的化学本质, 了解酶的性质及其对生化反应的重要性 (2) 掌握酶的作用机理, 知道什么是酶的活性中心 (3) 了解影响酶促反应速率的各种因素 (4) 能够推导米氏方程, 记住米氏方程成立的 3 个条件 ; 了解米氏常数的意义及测定 (5) 掌握酶的可逆抑制剂和不可逆抑制剂的类型及其抑制机制 (6) 掌握酶活性的表示方法及其测定酶活性的主要方法 (7) 了解辅酶与维生素之间的关系, 知道与各种水溶性维生素相关的辅酶的功能教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 酶的基本概念 化学本质 催化特性和基本分类, 酶的活性中心, 米氏方程的推导和米氏常数的意义, 酶活性调节的方式, 同工酶, 别构酶, 酶活性的表示方法, 与各种水溶性维生素相关的辅酶的功能 教学难点 : 酶活性中心和催化机制, 米氏方程和米氏常数的理解和应用, 酶活力 比活力和酶的活力单位的理解, 酶的别构调节方式 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 酶是生物催化剂, 酶的分类和命名 2 学时 (2) 酶的作用机理 2 学时 (3) 影响酶促反应速度的因素 2 学时 (4) 酶活性调节 酶的活力测定及分离提纯 2 学时 (5) 维生素与辅酶 2 学时重要中 外文词汇 : 酶 (enzyme), 底物 (substrate), 产物 (product), 辅酶 (coenzyme), 辅基 (prosthetic group), 国际酶学委员会 (Enzyme Commission,EC), 活性中心 (active center), 米氏方程 (Michaelis-Menten equation), 米氏常数 (Michaelis constant), 激活剂 (activator), 抑制剂 (inhibitor), 别构酶 (allosteric enzyme), 同工酶 (isoenzyme), 酶活力 (enzyme activity) 思考题 : 1 什么是米氏方程?Km 与 Vmax 代表什么意思, 如何测定某一酶的 Km 和 Vmax? 2 从 Km 上如何区分竞争性抑制与非竞争性抑制? 为什么竞争性抑制不改变 Vmax? 为什么非竞争性抑制不改变 Km? 从分子机制上说明竞争性与非竞争性抑制? 什么是 DNA 的损伤? 什么是 DNA 的修复? 细胞对 DNA 的损伤有几种修复系统? 3 是不是所有的酶都遵守米氏方程, 哪类酶不遵守? 它们的反应速度与底物浓度的曲线有什么区别? 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

33 第三章酶 第一节酶是生物催化剂 一 酶的概念 酶是由生物细胞产生的, 以蛋白质为主要成份的生物催化剂 酶作为生物催化剂, 也具有一般催化剂的特征 : 只能催化热力学上允许进行的反应 ; 有量少, 催化剂效率高 ; 对化学反应正逆两个方向的催化作用是相同的, 只能缩短平衡到达的时间, 不改变反应的平衡点 ; 催化机理都不降低反应所需的活化能 酶作为生物催化剂, 又具有一般催化剂不具有的特征 ; 二 酶的特征 具有极高的催化效率 ( 高效性 ) 同一反应, 酶催化的反应效率比非酶催化的反应效率高 ~ 倍 正因为有如此高的催化效率, 仅生物体内有极少量没就可以催化大量反应 2. 酶得催化作用具有高度专一性 ( 专一性 ) 酶作为催化剂, 只能只能作用于一些结构近似的化合物, 甚至只能作用于某一化合物发生一定的反应 既酶对底物和催化的反应都有严格的选择性 3. 酶易失活 ( 不稳定性 ) 酶主要是蛋白质, 凡是能仅蛋白质变形的因素都能使酶丧失活性 因此, 酶能催化的反应往往都是作在较温和的常温 常压和接近中性的条件下进行 4.. 酶催化活性受到调节 控制 ( 可调控性 ) 酶作为细胞蛋白质组成成分, 不断的进行自我更行和组分变化, 其催化活性极易受环境条件的影响, 所以生物体是通过多种机制和形式对酶活性进行调节和控制, 才是极其复杂的代谢活动有条不紊地进行 5. 有些酶的催化活性与辅因子有关 有些酶是复合蛋白质, 又酶蛋白和外蛋白的辅因子构成, 若除去这些辅因子, 酶就失去活性 三 酶作用的专一性 (specificity specificity) 酶对底物及它的催化的反应具有严格的选择性 其中酶对底物的专一性可分为两种情况 : 1 结构专一性各种酶对底物结构的专一性要求是不同的 : 相对专一性有些酶对底物的要求不严格, 可做用于异类结构相近的底物, 这种专一性称为 相对专一性

34 相对专一性又分为 : 1 键专一性有些酶只哎哟球作用于求作用于底物一定的键, 而对键两端的基因并无严格要求 例如酯酶催化酯键的水解, 对底物两端的 R 及基团没有严格的要求 2 基团专一性又称 族专一性, 有些酶对底物要求比较高, 不但要求一定的化学键, 而且对键的基团也有一定的要求 例如,ɚ D 葡萄糖苷酶, 不但要求 ɚ 糖苷键, 并且要求 ɚ 糖苷键的一端必须有葡萄糖残基, 对另一倒 R 基要求不严格 绝对专一性有些酶对底物的要求非常严格, 只作用于一种底物, 而不作用于任何物质 例如, 脲酶只能水解尿素, 而对尿素的各种衍生物不起作用 2 立体异构专一性几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度专一性 立体异构专一性又分为 : 旋光异构专一性当底物具有旋光异构体时, 酶只能作用于其中的一种 例如.L 氨基酸氧化酶只能催化 L 氨基酸氧化, 而对 D 氨基酸不起作用 几何异构专一性当底物具有几何异构体时, 酶只能作用于其中一种 例如, 延胡索酸水化酶, 只能催化延胡素酸 ( 即反 丁烯二酸 ) 水合生成苹果酸, 而不能催化顺 丁烯二酸 四 酶的化学本质 除少数具有催化活性的 RNA 外, 几乎所有酶都是蛋白质 ㈠按照化学组成酶分为单纯酶和混合酶单纯酶, 仅由蛋白质组成, 如尿酸, 胃蛋白酶, 核糖核酸酶混合酶, 除蛋白质组分外, 还含有非蛋白的小分子物质 酶蛋白和辅因子单独存在时, 均无催化活力, 只有二者混合成全酶才具有活性 全酶 == 酶蛋白 + 辅因子辅因子有两种 : 辅酶 : 与酶蛋白结合比较松弛, 用透析法可以除去的小分子有机物 辅基 : 与酶蛋白结合比较紧密, 用透析法不易除去的小分子物资如细胞色素氧化酶中的铁卟啉 黄素蛋白中的 FAD 等㈡根据酶蛋白分子结构上的特点, 酶可分为单体酶, 寡聚酶和多酶复合体 单体酶只有一条多肽链组成 这类酶较少, 如溶菌酶, 核糖核酸酶, 羧肽酶等

35 寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成, 这些亚基可以是相同的, 也可以是不同的亚机之间由外共价键结合 例如, 磷酸化酶 ɚ, 己糖激酶等 多酶复合体是由几个酶聚合而成的复合体 一般由在系列反应中 2~6 个功能相关的酶组成 例如, 脂肪的合成酶复合体由 7 种酶组成 ㈢核酶最早在 1981 年, 由 T.Cech 等人研究四膜生 26SRNA 时发现的 核酶泛指一类具有生物催化功能的 RNA 分子, 一般是指无需蛋白质参与或不与蛋白质结合, 就具有催化功能的 RNA 分子, 迄今已发现几十种核酶 第二节酶的分类及命名 酶学研究进展很快, 迄今发现的酶约 4000 多种, 为 ** 和使用的方面, 需要对已知的酶加以分类和命名 一 酶得分类 国际酶学委员会, 将已有的酶促反应性质分为六大类 : 氧化还原类催化氧化还原反应涉及 H 或的转移 如琥珀酸氧化酶, * 脱氢酶 转移酶类催化分子向功能基团的转移 如谷丙转氨酶, 己糖激酶等 水解酶类催化水解反应 如蛋白酶, 淀粉酶等 裂合酶类催化底物的非水 * 或非氧化的裂解, 形成一个双键的反应 如醛缩酶, 脱氢酶等 异构酶类催化同分异构体的相互转变 如葡萄糖异构酶, 果糖异构酶等 合成酶类催化一切必须与 ATP 分解相偶联, 并由两种物质合成一种物质的的反应 如天冬酰胺合成酶, 丙酮酸羧化酶等 在每一大类酶中, 又可以根据不同的原则, 分为几个亚基, 每一个亚基

36 又可分为几个亚亚基 然后再把属于某一亚基, 亚亚基的酶按顺序排好, 这样就把已知的酶分门类别的排列成一个表, 称为酶表 每一种酶在酶表中的位置可用一个统一的编号来表示 国际酶学委员会规定, 每个酶得编号都由四个数字组成 二 酶得命名 习惯命名法 1961 年以前使用的酶的名称都习惯沿用的, 称为习惯名习惯名法依据的两个原则 : 1 根据没作用的底物命名 底物明 + 酶如催化水解淀粉的酶节叫淀粉酶催化水解蛋白质的酶叫蛋白酶有时还加上来源以区别不同来源的同一类酶如胃蛋白酶, 胰蛋白酶 2 根据酶催化反应的性质及类型命名如, 水解酶, 氧化酶, 转移酶有的酶结合上述两个原则来命名如, 乳酸脱氢酶,DNA 聚合酶等这种命名法缺乏科学系统性, 易产生 一酶多名 或 一名多酶 问题 但这种命名比较简单, 应用历史较长, 现在还被人们使用 国际系统命名法国际系统命名法的原则, 是以酶所催化的整体反应为基础的, 规定每种酶的名称应当明确却标明酶得底物及催化反应的性质 即酶得名称应当包含两个部分, 前面为底物, 后面为催化反应的名称 若前面底物有两个, 则两个底物都写上, 并在两个底物之间用 : 隔开 若底物之一是水, 则将水忽略不写 如乙醇脱氢酶, 乙醇 : 氧化酶乙醇 += 乙醛 +NADH+ 谷丙转氨酶, 丙氨酸 :ɚ 酮戊二酸氨基转移酶 脂肪酶脂肪 : 水解酶 用国际系统命名发看起来科学而严谨但用起来不方便因此, 国际酶学会建议 : 每个没都给予 2 个名称, 习惯名, 系统名酶得英文名称后缀一般为 ase 第三节酶的作用机理 一 酶的催化作用与分子活化能酶为什么能催化化学反应? 在一个反应体系中, 任何反应物分子都有进行化学反应的可能性, 但并不是全部反应物分子都能进行反应 因为在反应体系中各个反应物分子所含的能量不同 1 活化分子

37 所含能量达到或超过某一限度 ( 称为能阈 ) 的分子 2 活化能活化分子处于活化态, 活化态于常态的能量差也即分子由常态转变为活化态所需的能量称为活化能 J/mol. 3 酶能降低反应分子所需的活化能 二 酶如何使反应的活化能降低? 中间分子学说 认为酶于底物通过形成中间产物使反应沿一个地活化能的途径进行 设一反应 :S P 酶在催化此反应时, 能与底物先合成一个不稳定的中间产物 ES, 然后 ES 再分解为产物和原来的酶 S+E ES E+S 在这一反应中, 由于 S 于 E 的结合, 导致底物分子中某些化学键发生变化, 呈不稳定状态, 也就是活化态, 使反应活化能降低 三 酶和底物是如何结合成中间产物的 ( 一 ) 酶的活性中心和必需基因 1 酶的活性中心 (active center)( 或酶活性部位 ) 是指酶分子中直接和底物结合, 并和酶催化作用直接有关的部位 1 酶活性中心是相对酶整个体态来说, 占据的方向很小 2 酶活性中心是一个活性空间结构在一级结构上可能相距很远的氨基酸残基经肽链折叠会靠近, 形成具有一定空间结构的区域 3 酶活性中心通常位于酶空白表面的裂缝或凹槽 4 酶活性中心有两个功能结合部位 : 有一些参与底物基因的结合组成催化部位 : 有一些参与催化反应的基因组成 2 必需基团酶活性中心的基团都属必需基团, 但必须基团还包括那些在活性中心以外的, 对维持酶得空间构象必需的基团 那么酶和底物到底如何结合成中心产物的? 为什么酶对底物具有严格的选择性? ( 二 ) 锁钥学说 1890 年 Emil Fischer 提出, 认为酶和底物的结合, 就像是锁和钥匙的关系也就是底物和进行化学反应的部位于酶分子活性中心具有紧密的互补关系 这一学说很好的解释了酶得立体异构专一性, 但不能解释酶得活性中心即适应可逆反应的底物, 又适用于产物, 也不能解释酶专一性的所有现象 ( 三 ) 诱导契合学说 1985 年, 由 D.Ekodshland 提出的, 认为酶分子活性中心的结构原来并非底物的结构互相吻合, 但酶得活性中心并不是僵硬的结构具有一定的柔性 当底物与酶相遇, 时可诱导酶活性中心的构象发生变化, 其上有关的基团达到正确的排列和定向, 因而使和底物能完全契合, 引起底物发生反应 当反应结束, 产物从酶分子上脱落下来后, 酶得活性中心又恢复成原来的构象 有 X 射线晶体衍射法分析的结果证明了这一假设

38 四 酶为什比一般催化剂具有更高的催化效率? 1 邻近效应和定向效应邻近效应 : 是指底物和酶活性部位的邻近及两底物分子之间的邻近, 大大提高了活性部位上底物的有效浓度 ; 邻近效应 : 互相靠近的底物分子之间底物分子与酶活性基团之间的定向排布, 使分子向反应进似分子内反应 这两方面的作用, 有利于底物进入活化态, 降低活化能, 增加了酶 底物结合物进入过渡态的几率 2 张力 和 变性 根据 契合诱导学说, 底物与酶分子结合, 诱导酶分子的构想发生变化, 而变化的酶分子又对底物分子的敏感键产生 张力 和 变形, 促进酶 底物结合物进入过渡期 3 酸碱催化酶活性部位上的某些基团又可以作为良好的质子提供体或受体, 对底物进行酸碱催化 如组氨酸的咪唑基既可以作为质子的受体又可以作为质子受体, 在酶促反应中发挥作用 多以咪唑既是最有效, 最活泼的一个催化功能的基团 4 共价催化某些酶可以和底物形成反应活性很高的不稳定的共价中间物, 这个中间物很容易变成过态, 使反映的活化能大大降低 5 酶活性中心是低价电区某些酶得活性中心穴内是非极性的, 酶得催化基团被低价电环境包围, 排除高极性得水分子, 有利于底物的分子的敏感键和酶催化基团之间形成反应力加速反应进行 五 胰凝乳蛋白的催化机理 胰凝乳蛋白酶是研究最早, 最彻底的一个酶 它的作用是在动物小肠中催化具有疏水基团的羧基肽键水解 1 胰凝乳蛋白酶的结构胰凝乳蛋白的酶是一个丝氨酸蛋白酶, 活性中心由 Ser195,His57 及 Asp102 组成, 其中 Ser 有非常强的反应活性 空间结构分析发现,His57,ASP102 与 Ser195 三者形成一个电荷转接系统 2 胰凝乳蛋白酶对多肽的水解过程第一阶段 : 水解反应的酰化阶段 首先是 Ser195 的氮原子由底物敏感肽键的羰基碳原子进行亲核攻击, 形成一个不稳定的四面体活化态 ( 中间物 ) 同时一个质子从 Ser195 转移到 His57, 结果对底物的敏感键段列, 形成酰基酶中间物 胺与酶的 His57 咪唑基相连 第二阶段 : 水解反应脱酰阶段 胺释放出来, 水分子进入, 水分子上的氧原子对连接在 Ser195 上的底物羰基碳原子进行亲核攻击, 形成一个不稳定的四面体过渡态 然后 His57 供出一个质子到 Ser195 的氧原子上, 底物中的酸成分从 Ser195 上释放出来

39 结果酶又恢复自由态, 再进行下一轮催化 六 酶原的激活 许多酶 ( 如与消化有关的酶 ) 刚合成时是没有活性的酶的前体形成, 称为 酶原 酶原在一定条件下被打断一个或几个特殊的肽键, 仅酶构想发生一定的变化形成具有活性的三维结构的构成, 叫 酶原激活 例如, 胰凝乳蛋白的酶原由一条肽链组成, 含 245 个氨基酸的残基及 5 个 S S 键 激活过程中, 胰您如蛋白酶原在 Arg15,Ile16, 和 149Asn148 断裂, 去掉 Ser14 Arg15 和 Thr147 Asn148 两个二肽, 仅一条肽链形成三条肽键互相靠近二硫键连接 仅在激活过程中由于肽链断裂, 引起酶分子的构象的变化, 使组成活性中心的 Ser195,His57,Asn102 三个氨基酸残基在空间上彼此靠近, 发挥催化作用 第四节影响酶促反应速度的因素 酶促反应动力学主要研究酶促反应的速度影响因素 这些因素包括酶浓度, 底物浓度,PH, 温度, 激活剂, 抑制剂 一 酶促反应的速度测定 测定酶促反应的速度有两种方法 : 测定单位时间内第五的消耗量或产物的生成量 通常以测定产物生成量为标准 若以产物的生成量对时间作图, 即可得到反应过程曲线 不同产物的反应速度就是时间为不同值时曲线的斜率 酶促反应初速度就是由原点作曲线的斜率 : V= 二 酶浓度对酶作用的影响 在底物足量二而其他条件固定不变, 又没有干扰因素时, 酶促反应速度和酶浓度成正比, 即 V=k E 三 底物浓度对酶作用的影响 1 底物浓度与酶促反应速度的关系在酶浓度,PH, 温度等条件固定不变的情况下, 底物浓度与酶促反应速度有如下关系 : (1) 当底物浓度较低时, 反应速度随底物浓度增加而升高, 反应速度与底物浓度关系成正比, 符合一级反应特征 ; (2) 当底物浓度较高时, 随着底物浓度的增加, 反应速度也随着升高, 但不显著, 此时符合混合级反应 ; (3) 当底物浓度继续增大, 达到某一定定值时, 再增加底物浓度, 反应速度不再升高, 趋于定值, 符合零级反应特征 此时的速度为最大速度 Vmax, 底物浓度出现饱和现象 为了解释这个现象, 并说明酶促反应速度与底物浓度影响的关系 1913 年 Michealis 和 Menten 根据中间产物学说, 推出了能够表示整个反应中底物浓度和反应速度关系公式, 称为米氏方程

40 2 米氏方程 1925 年 Brigg 和 Haldane 又对 Miehealis Menten equation 的基本原理进行补充和发展们提出 稳态假说 : 1 测定的速度为反应初速度 2 底物的浓度显著的超过酶的浓度, 即 s >> E 3 反应体系处于稳态, 即 ES 络合物生成的速度 =ES 络合物分解的速度, 在这三个假设的基础上对米氏方程进行推导 : (1) 米氏方程的推导根据中间产物学说, 酶促反应分两步进行 : E + S = ES > E + p [Et]-[Es] [S] [ES] 其中 [Et] 为酶总浓度,[Et]-[Es] 为游离酶浓度,[Es] 为美底物中间络合物浓度, [S] 为底物浓度,k1,k-1,k2 各个反应的速度常数 假说 1 测定的速度为反应得出初速度, 酶与底物络合物的速度 V1=k1 ([Et]-[Es])[S] ES 络合物分解的速度,V2=K-1[ES]+k2[ES] 假说 3 反应体系处于稳态, 即 Es 生成的速度等于 ES 的分解速度 V1=V2 K1([Et]-[ES])(S)=k-1[ES]+k2[ES]=(k-1+k2)[ES] = 设 = 则 = 整理得 [ES]= 因为酶促反应的速度取决于 ES 转换为 E+P 的速度即 V=[ES] =>[ES]= 代入上式得 ==>V=k2 假说 2[s]»[E]. 这时所有的酶都以中间络合物 ES 的形式存在, 即 [Et]=[Es], 此时的反应速度也达到最大, 所以 =k2[et] 将此式代入上式 V= 或 V= 这就是米氏方程, 为米氏常数如果知道和, 就能确定酶促反应速度与第五浓度之间的定量关系 (2) 米氏常数的意义当反应速度 v 等于最大反应速度一半时,v=Vmax 带入米氏方程得 ==>=[S] 由此看出值得物理意义, 它是反应速度为最大速度一半时的底物浓度 单位为浓度单位, 一般用 mol. 或 mmol. 表示 米氏常数酶学说研究非常重要的数据, 表现在一下方面 : 1 是酶的特征物理常数 一个酶在一定条件下, 对某一底物的为一定值, 所以可以通过测定的数值, 鉴定酶 2 是酶对底物亲和力的程度 大表示酶对底物的亲和力低, 小表示酶对底物的亲和力大 (3) 米氏常数的测定测定一个酶促反应的和方法很多, 最常用的是 Lineweaver burk 作图法, 也叫双倒数作图法 取米氏常数的倒数形式,=+ 若以对作图, 既可以得到一条直线, 如图此直线, 在纵轴上截距为在横轴上截距为

41 斜率为 做出图后, 量取直线在两坐标轴上的截距, 或量取直线在任意坐标轴上的截距和斜率数值, 可以很方便的求出 四 ph 对酶作用力的影响 1 大多数酶得活性收 ph 的影响较大每一种酶只能在一定 ph 下才表现酶的最大速率, 通常此 ph 为酶反应的最适 ph 典型的最适 ph 曲线是钟罩型曲线如图各种美的最适 ph 值不同, 一般酶在 4~8 之间植物和微生物体内的酶最适 ph 在 5.5~6.5 动物酶在 6.5~8.0 但也有例外, 如胃蛋白酶再是 ph 为 1.9, 胰蛋白酶为 8.1, 肝精氨酸为 9.7 酶的最适 ph 不是固定不变的, 其数值收酶的活性, 底物的种类和浓度, 缓冲溶液的种类和浓度等的影响 2 ph 对酶作用影响的原因 1 极值 ph( 过酸或过碱 ) 影响酶蛋白构象, 是不变性失活 2pH 影响底物分子的解离状态因为底物分子上某些基团只有在一定的解离状态才适于与酶结合发生反应 3pH 影响酶分子基团解离因为有些酶分子上的基团必须处于一定解离状态才能很好的与底物结合 五 温度对酶作用的影响 温度对酶促反应速度有影响, 反应速度最大的时的温度为最适温度 各种酶在一定条件下都有其一定的最适温度 温度对酶作用的影响有两方面 : 1 在达到最适温度之前, 反应速速随温度的升高而加快 通常把温度提高 10 度时, 反应速度与原来反应速度相比称为反应的温度系数, 用表示 大多数的酶温度系数为 1~2 2 随温度的升高, 酶蛋白变性的速度也加快由于这两种相反作用的结果, 在低于最适温度时, 前一种反应为主 ; 在高于最适温度时, 后一种反应为主, 反应速度也迅速下降 酶的最适温度也不是一个固定不变的常数, 其数值受底物种类 作用时间等因素的影响 酶在干燥状态下比在潮湿状态下对温度的耐受力要高 六 激活剂对酶作用的影响 凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂 (activator) 主要的激活剂有以下两类 : 1 无机离子

42 (1) 金属离子 :K Na Mg Zn Fe Mn Co 等 这是主要的激活剂, 因为它们有的本身就是酶的辅助因子 例如 Mg 是多种激酶及合成酶的激活剂 (2) 阴离子 :Cl Br 例如动物唾液 α 淀粉酶受 Cl 激活 (3) 氢离子 2 有机分子 (1) 还原剂 : 如半胱氨酸 抗坏血酸 (Vc) 和谷胱甘肽等使氧化了的巯基还原, 以恢复酶活力 (2) 金属螯合剂 : 如 EDTA( 乙二胺四乙酸 ), 能除去酶中重金属杂质, 从而解除重金属离子对酶的抑制作用 七 抑制剂对酶作用的影响 抑制剂 (inhibitor,i): 凡是使酶的必需基因或酶的活性部位中的基因的化学性质改变而降低酶的活性, 甚至使酶完全丧失活性的物质, 叫酶的抑制剂 抑制作用 : 凡是使酶的活性下降, 但并不引起酶蛋白变性的作用 抑制作用一般可分为 : 不可逆抑制作用可逆抑制作用竞争性抑制作用非竞争性抑制作用 1 不可逆抑制作用(irreversible inhibitor) 抑制剂与酶的结合是不可逆反应, 抑制剂与酶结合后不能用透析等方法除去, 这种抑制作用叫作不可逆抑制作用 如有机磷化合物, 可以使 -OH 磷酶化, 所以它是活性中心有 Ser 残基的酶的抑制剂 常见的有机磷杀虫剂, 如 1605 敌百虫等, 它们杀灭昆虫的机理是可抑制乙酰胆碱酯酶的活性, 该酶的作用是将神经递质乙酰胆碱水解, 若它被抑制, 会导致乙酰胆碱的积累, 使神经过度兴奋, 引起昆虫神经系统功能失调而中毒死亡 又如碘乙酸 典乙酰酶 对 - 氯汞苯甲酸等, 可以使 -SH 烷化, 所以它们是羟基酶的抑制剂 加入过量的巯基化合物, 如半胱氨酸等可解除这种抑制 2 可逆抑制作用 (reversible inhibition) 抑制剂与酶的结合为可逆反应, 用透析等方法除去抑制剂后, 酶活力可恢复, 这种抑制作用交可逆抑制作用 可逆抑制作用又可分为竞争性抑制作用和非竞争性抑制作用两种类型 (1) 竞争性抑制作用 (compecitive inhibition) 1) 定义 ; 有些抑制剂和底物结构相似, 可和底物竞争与酶的结合, 当抑制剂与酶结合后, 就妨碍了底物与酶的结合, 减少了酶作用的机会, 因而降低了酶的活力 2) 特征 ; 当加大底物的浓度时, 底物和酶结合的几率增大, 减少了抑制剂与

43 酶的结合, 抑制作用便会减弱 3) 实例 ; 磺胺药物的作用机理磺胺药物的主要成分为对一氨基苯磺酰胺与对一氨基苯甲酸结构相似, 而对一氨基苯甲酸是叶酸的一部分, 叶酸又是四氢叶酸的前身, 如果缺少四氢叶酸, 细菌生长繁殖便会受到影响 磺胺药物是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂, 影响二氢叶酸的合成 4) 米氏方程 (2) 非竞争性抑制作用 (noncompecitive inhibition) 1) 定义 ; 有些抑制剂和底物可同时结合在酶的不同部位上, 即抑制剂与酶结合后, 不妨碍再与底物结合, 但它形成的酶 - 底物 - 抑制剂三元复合物不嫩发生反应 这种抑制作用不能用增加底物的浓度来消除 2) 实例 : 金属络合剂 EDTA F CN N3 等可与金属酶中的金属离子络合, 使酶活性受到抑制 3) 米氏方程非竞争性抑制剂作用可用下式表示 : 米氏方程 : 倒数公式 : 从图中可以看出, 非竞争性抑制剂存在时, 最大反应速度变小, 二 Km 值不变 总结 : 列表比较竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂的动力学区别 : 见图 各种抑制剂的比较 : 见图 第五节酶的活性调节 前面我们讲到的酶原激活实际上是酶活性调节的一种方式 除此之外, 还经常会遇到其它酶活性调节方式 别构酶 同工酶就是在代谢中起重要调节作用的酶 一 别构酶 也叫变构酶 (allosteric enzyme), 是一类重要的调节酶 1 特点 ( 二 ) 已知的别构酶都是寡聚酶, 含有两个或两个以上亚基 在酶分子上除了有和底物结合的活性部位外, 还有和调节物 ( 或效应物 ) 结合的调节部位 这两种亚基同处在不同亚基或同一亚基的不同部位上 ( 三 ) 具有别构效应 : 当底物或效应物和酶分子上的相应部位结合后, 会引起酶分子构向改变从而影响酶的催化活性, 这种效应 凡是使酶活性增强的效应物称为别构激活剂

44 凡是使酶活性降低的效应物称为别构抑制剂 ( 四 ) 别构酶的反应初速度 (v) 对底物浓度 (s) 作图不遵循米氏方程, 而呈 S 形曲线 ( 五 ) 别构酶常常是变构反应酶系统的第一个酶, 或处于代谢途径分支上的酶 ( 六 ) 别构酶一般分子量较大, 结构复杂, 旺旺表现出一些与一般酶不同的性质 3 实例: 大肠杆菌的天冬氨酸转氨甲酰酶是第一个得比较透彻的别构酶 ⑴ 结构 ATcase 相对分子质量是 310,0000 由 12 条肽链组成其中 6 条多肽链 C 形成两个三聚体为催化亚基另外 6 条多肽链 R 形成三个二具体为调节亚基 每个催化亚基有 3 个天冬氨酸底物结合部位每个调节亚基有 2 个别构剂的结合部位 ⑵ 催化反应 : 这是嘧啶核苷酸合成系列反应的第一个反应反应终产物 CTP 是 ATCASE 的别构抑制剂而 ATP 是它的别构激活剂 ⑶ 反应动力学曲线当只有底物天冬氨酸和氨甲酰磷酸存在时,ATcase 的反应动力学曲线 1, 为 S 型曲线如果其他条件不变, 但反应为一就有 CTP 存在,CTP 与 ATcase 调节亚基结合使酶分子构象变化, 与底物亲和力降低, 使反应速度下降,S 型曲线右移 2 曲线 如果在反应系统加入 ATP 二不是 CTP,ATP 与 ATcase 调节亚基结合后, 使酶分子构象变化, 与底物亲和力增强, 反应速度加快,S 型曲线左移, 曲线 3 随着 ATP 浓度增高, 曲线的 S 型愈不明显, 当 ATP 的浓度使酶饱和时, 曲线呈双曲线, 曲线 4, 这是别构效应消失 综上所述, 对于 ATcase 来说, 底物,CTP ATP 对偶式它的别构效应剂, 可以通过别构效应影响酶的催化活性, 从而有效地调节内嘧啶核苷酸的生物合成 二 同工酶 1 定义 : 具有不同分子形式但却催化相同反应的酶, 同工酶的分子组成和结构不同同工酶的理化性质免疫学性质也不同 同工酶的或写部位在结构上相同或非常相似 2 实例例 1 乳酸脱氢酶是 1959 年发现的第一个同工酶 ⑴ 结构 : 由 4 个亚基组成, 寡聚酶亚基分为 M 型和 H 型, 是在不同基因型下产

45 生, 这两种亚基可以装配成 : ⑵ 在不同组织中, 乳酸脱氢酶种类不同脊椎动物的心脏中主要是 LDH1 骨骼基主要是 LDH5 哺乳动物肝中有高难度的 LDH5 等 ⑶ 底物 : 由于每种组织中 LDH 同工酶具有特点的相对百分率如果某一组织发生病变, 必将释放其中 LDH 同工酶到血液中导致血清酶谱的变化, 根据酶谱的变化, 诊断各种疾病 例 2 乙酸脱氢酶在玉米粒中存在几种同工酶 P96 3 意义同工酶的研究是研究代谢调节, 个体发育, 细胞分化, 分子是使糖面有力工具, 是不必要蛋白质结构和功能的好材料在临床医学农业遗传育种 病理分析有应用价值 第六节酶的活力测定及分离纯化 一 酶活力的测定 酶活力页称酶活性, 是指酶催化一定化学反应的能力酶活力是研究酶的特性, 进行酶制剂的生产及应用的一项重要指标 1 酶活力与酶反应速度在一定条件下酶催化的化学反应速度可以反映酶活力酶促反应速度愈大, 酶的活力就越强酶促反应速度愈慢, 酶的活力就越低所以测定没得活力 ( 即含量 ), 就是测定酶促反应的速度 2 酶反应速度可用单位时间内, 单位体积中底物的生产量或底物的增加量来表示一般以产物的增加量来表示, 测定产物增加量的方法很多, 常用的有化学滴定, 比色, 比旋度, 测定紫外吸收, 电化学法, 气体测定等 3 酶的活力单位 (V) 酶的活力大小, 也就是酶量的多少, 用更美的活力单位来度量 1961 年国际生化协会酶学委员会规定一个酶活力单位 U 是指在特定条件下,1min 内能转化 1umol 底物的酶量, 或是转化底物中 1 umol 有关基因的酶量,1972 年多久生化协会酶学委员会推荐了一个新单位 katal 一个 katal 单位, 是指在一定条件下,1S 内转化 1mol 底物所需要的酶量 Kat 和 U 的换算关系如下 :1Kat= U 或 1U=16.67nkat 4 酶的比活力是指单位质量样品中的酶活力即每单毫克蛋白质中所含的 U 数或每千克蛋白质中所含的 Kat 数比活力是酶制剂纯度的常用指标 比活力越大, 表示酶越纯

46 5 酶的转化数转化数为每个酶分子转化底物的微摩尔数 二 酶的分离提纯 酶的分离提纯是酶学研究的基础研究酶的理化特性, 对酶进行鉴定 制取生化试剂及用作药物的酶都需要高度纯化的酶生物体内的酶分为胞内酶和胞外酶 胞内酶 : 在细胞内往往与细胞器结合, 数量较多, 难于分离 胞外酶 : 大多是水解酶, 直接用体液进行分离纯化一般酶的分离纯化通过几个步骤 : 1 选材提取某一酶时, 首先根据需要, 选择含此酶最丰富的材料 2 破碎特别对于胞内酶, 先用研磨, 捣碎, 超声波, 酶解等方法将细胞壁破坏, 制成组织匀浆 3 抽取在低温下, 用适当的外溶液或缓冲液, 从组织匀浆中抽提酶, 得到酶的粗提液 4 分离纯化因为酶是蛋白质, 所有可以用分离蛋白质的方法如盐析, 等电点沉淀, 右击溶剂分离, 热变性等方法从酶的粗提液中初步分离酶然后采用媳妇层析, 离子交换层析, 凝胶过滤, 亲和层析等方法, 进一步纯化酶, 其中亲和层析在酶的纯化中占有越来越重要的地位, 因为酶与底物, 辅助因子, 某些抑制剂分子之间可以转移可逆的结合, 所以可以将酶的底物, 辅助因子, 可逆制剂座位配基做成亲和柱 这样可以将不具有相应亲和性的所有杂质蛋白去除, 得到纯化的酶 5 纯度鉴定常用聚丙烯酰胺凝胶电泳来鉴定酶的纯度, 纯度搞的应呈现单点 6 保存 : 通常将单纯化后的酶溶液经过透析除盐后冰冻干燥得到酶, 低温保存 第七节酶工程简介 酶工程是围绕在酶特有的生物催化性能使其在工农业, 医学及其它方面发挥作用的一门应用技术根据研究问题和决绝问题的手段不同可将酶工程分为两类 一 化学酶工程 也叫初级酶工程, 主要通过化学修饰, 固定化处理, 甚至通过化学合成的手段, 改善酶的性质以提高每催化效率及降低成本 它包括天然美 化学修饰酶 固定化酶及化学人工酶的研究和应用天然酶 常用于食品 制药 酿造及纺织等成产

47 化学修饰酶 : 对美进行化学修饰以改善其性能常用于酶学研究和临床医学固定化酶 : 将酶通过吸附 偶联 交联 和包埋等物理或化学方法处理, 固定在支持物上而成为不溶于水, 但仍具有酶催化活性, 装入适当容器中形成反应器优点, 可直接用于化学工业, 优点 : 1 可以用离心或过滤法将酶与反应液分离而来 2 可以反复使用 3 稳定性能好 化学人工酶 : 是模拟酶的生物催化功能, 用化学半合成法 ( 小分子化合物十元活性蛋白 ) 或全合成法 ( 小分子有机物 ) 合成的有催化活性的人工酶 二 生物酶工程 是从基因水平改造或设计新梅 1 用 DNA 重组技术大量生产煤 2 对酶基因进行修饰, 生产遗传修饰酶 3 设计新的酶基因, 合成自然界不曾有过的, 性能稳定, 催化效率高的新酶 第八节维生素与辅酶 维生素是维持机体正常生命活动不可缺少的一类小分子有机物它既不是机体的结构物质, 又不是营养物质, 但却是代谢过程中所必须的, 维生素的种类很多, 他们的化学结构差别很大, 常常氨溶解性将其分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类脂溶性维生素 :VA VD VE VK 水溶性维生素两大类 : VB VB1 VB2 PP VB6 维生素叶酸及 VB12 VC 一 水溶性维生素 水溶性维生素包括维生素 B1 B2 PP 泛酸生物素叶酸及 B12 维生素 B 族和维生素 C < 一 > 维生素 B 及脱羧辅酶维生素 B1 又称硫胺素, 在体内经硫胺素液酶催化, 可与 ATP 作用, 转变为焦磷酸安素 (TPP), 在体内主要参与 α- 酮酸的脱羧, 也称脱羧辅酶 < 二 > 维生素 B2 及黄素辅酶维生素 B 又称核黄素, 在生物体内以黄素单核苷酸 (FMV) 黄素嘌呤二核苷酸 (FAD) 形式存在 作用机理 : 在生物氧化过程中,FMN 和 FAD 通过第一位和第十位氧原子加氢和脱氢, 把氢从底物传递给受体

48 < 三 > 泛酸和辅酶 A 泛酸广泛存在于生物界, 辅酶 A 是含繁琐的复合核苷酸, 简写为 COA, 主要起传递酰基的作用, 是各种酰化反应的辅酶 < 四 > 维生素 PP 和辅酶 Ⅰ 辅酶 Ⅱ 维生素 PP 包括烟酸和烟酰胺两种物质在体内烟酰胺与核糖, 磷酸 腺嘌呤, 组成脱氢酶的辅酶主要有烟酰胺嘌呤二核苷酸 (NAD+ 辅酶 Ⅰ) 烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP+ 辅酶 Ⅱ) < 五 > 维生素 B6 和磷酸吡哆醛维生素 B6 包括来 3 种物质 : 吡哆醇吡哆醛和吡哆胺维生素 B6 在体内已磷酸酯形式存在, 参加代谢作用的主要磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺, 磷酸吡哆醛是氨基酸代谢中多种酶的辅酶参与氨基酸的转氨 脱羧和消旋 < 六 > 生物素生物素与酶蛋白结合催化体内 CO2 的固定及羧化反应, 是多种羧化酶的辅酶 < 七 > 叶酸和叶酸辅酶叶酸是一个在自然界广泛存在的维生素, 因为在绿叶中含量丰富, 故称叶酸, 叶酸加氢还原 四氢叶酸 (THFA), 它是转移一碳基团酶系的辅酶, 它是甲基, 亚甲基, 甲酰基, 甲川基德载体 < 八 > 维生素 B12 及 B12 辅酶维生素 B12 分子中含有金属元素钴, 维生素 B12 参与体内一碳单位的代谢, 因为维生素 B12 与叶酸的作用常常互相关联 < 九 > 维生素 C 维生素 C 能防止坏血病, 所以又称抗坏血症, 是脯氨酸羧基化酶的辅酶维生素 C 还能是含巯基的没处于还原态, 从而发挥催化作用 < 十 > 硫辛酸硫辛酸在体内已闭环二硫化物形式和 H 链还原形式两种结构混合存在硫辛酸是一种酰基载体, 存在于丙酮酸脱氢酶和 α- 酮戊二酸脱氢酶中式设计糖代谢的两种多酶复合体 二 脂溶性维生素 维生素 A D E K 等 < 一 > 维生素 A 维生素 A 又叫视黄醇, 在体内可被氧化成视黄醛, 是构成视觉细胞内感觉物质的成分, 因此, 当缺乏维生素 A 时, 视紫红质合成受阻, 使视网膜不能很好地感受光, 引起夜盲症 < 二 > 维生素 D 维生素 D 是有抗佝偻病作用, 故又称抗佝偻病维生素维生素 D 有几种, 其中以 D2 D3( 胆钙化醇 ) 较为重要维生素 D 的主要功能是调节钙 磷代谢 维持血液中钙 磷浓度正常 促使骨骼正常发育 < 三 > 维生素 E 维生素 E 与动物生育有关, 又称生育酚

49 天然生育酚共有 8 种, 其中 4 种 (α β r ) 较为重要,α 生育酚价格最高维生素 E 极易氧化而保护其他物质不被氧化, 是动物和人体中最有效的抗氧化剂 < 三 > 维生素 K 维生素 K 具有粗军凝血的功能, 故又称凝血维生素天然的维生素 K 有两种维生素 K1 和 K2 维生素 K1 在绿叶植物及动物肝中含量较丰富,K2 是人体肠道细菌的代谢产物维生素 K 的主要生理功能是促进肝脏合成凝血酶原, 调节凝血因子 Ⅶ ⅨⅩ 的合成因而促进血液凝固 教案首页

50 课程单元题目 第四章脂类与生物膜 本单元学时 4 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 教学目的与要求 : (1) 了解脂的性质 分类和命名 (2) 记住两种必需脂肪酸的名称 ; 能够正确判断一种脂是否属于两性分子 (3) 能够预测除不同的脂肪酸和脂肪的相对熔点 (4) 能够区分甘油磷脂 鞘磷脂和糖脂的头部基团和尾部基团 (5) 了解几种常见的磷脂的结构和功能, 掌握胆固醇对动物细胞膜的重要性 (6) 了解生物膜的流动镶嵌模型, 掌握膜的流动性和不对称性对膜功能的影响 (7) 掌握生物膜的主要功能, 了解物质跨膜运输的几种机制教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 生物膜的功能教学难点 : 生物膜的功能 2009 年 9 月 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 生物体内的脂类 2 学时 (2) 生物膜的结构与功能 2 学时 重要中 外文词汇 : 脂类 (lipids), 生物膜 (biomembrane), 脂肪酸 (fatty acids) 脂肪 (fats), 三酰甘油 (triglyceride), 磷脂 (glycerol phospholipids), 鞘磷脂 (sphingomyelins), 神经酰胺 (ceramide), 鞘糖脂 (glycosphingolipids), 胆固醇 (cholesterol), 流动镶嵌模型 (fluid mosaic model), 思考题 : 1 试述生物膜的结构 流动镶嵌模型 2 什么是脂肪 脂肪酸和蜡? 3 细胞的跨膜转运有哪些主要类型? 各有什么特点? 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005. 第四章脂类与生物膜

51 第一节生物体内的脂类 脂类 (lipids) 是生物体内一大类重要的有机化合物 它们的共同特征是不溶于水, 而溶于非极性有机溶剂 生物体内的脂类, 按化学组成可分为三类 : 1 单纯脂 : 是脂肪酸和醇类所形成的酯 又分为脂肪和蜡 2 复合脂 : 是单纯脂的衍生物, 除含有脂肪酸和醇外, 还会有其他非脂性物质 根据非脂物 质的不同, 又分为磷脂和糖脂等 3 非皂化脂 : 不含脂肪酸, 不能进行皂化 又分为萜类 甾醇和前列腺素等 下面我们分别介绍它们中有代表性物质的结构和性质 一 脂肪酸 脂肪和蜡 1 脂肪酸 (fatty acid) (1) 结构 : 是由一条长的烃链和一个末端羧基组成的羧酸 烃链不含双键的为饱和脂肪酸, 含有一个或多个双键的称为不饱和脂肪酸 只含单个双键的为单不饱和脂肪酸, 含有两个或两个以上双键的为多不饱和脂肪酸 (2) 脂肪酸简写法原则 : 脂肪的常用简写法表示, 一般先写出碳原子的数目, 再写出双键的数目, 最后表明双键的位置 如 : 脂肪酸可写成 16:0, 表明软脂酸为具有 16 个碳原子的饱和脂肪酸 油酸可写成 18:1(9) 或 18:1 9, 表明油酸具有 18 个碳原子, 并在第 9 位和第 10 位碳原子之间有一个双键 20:2 n>12 则表示一个含有 20 个碳原子的脂肪酸, 并在第 9-10,12-13 位碳原子之间各有一个双键 生物体内的脂肪酸大部分以复合脂形式存在, 以游离形式存在的很少, 从动物, 植物, 微生物中分离出的脂肪酸已达数百种, 常见见表 4-1p111 油酸是哺乳动物中常见的单不饱和脂肪酸 哺乳动物本身不能合成亚油酸和亚麻酸, 必须从食物中获得, 所以它们为 必需脂肪酸 2 脂肪 (fatts) 脂肪是脂肪酸的甘油三元酯, 称三酰甘油 (triglyceride) 或中性脂肪 (neutral fats) 化学结构通式如下 : 式中 R1 R2 R3 为各种脂肪酸的烃基若 R1 R2 R3 相同, 称为单纯甘油脂 (simple triacylglycerols) 若 R1 R2 R3 有两个或三个不同, 称为混合甘油脂 (mixed triacylglycerols) 多数天然存在的三酰甘油是混合型的

52 大多数植物脂肪中不饱和脂肪酸含量多, 凝固点较低, 常温时为液态, 称油 而动物脂肪中不饱和脂肪酸含量少, 凝固点较高, 常温时呈固态, 称脂 含脂肪较丰富的食物长时间暴露在空气中时, 会腐败发臭, 是因为不饱和脂肪酸的双键氧化断裂成含有短链的醛和羧酸, 挥发性变强 3 蜡 (waxes) 蜡是高级脂肪酸与脂肪醇或醇所形成的酯 常温下, 蜡是固体, 能溶于醚, 苯, 三氯甲烷等有机溶剂 蜡既不被脂肪酸所水解, 也不易皂化 天然蜡按来源可分为动物蜡 : 常见的有蜂蜡 ( 蜜蜂的分泌物, 用以建筑蜂巢 ) 和鲸蜡 ( 鲸鱼头部含有鲸蜡, 是重要的工业原料, 由于对其过度捕杀使其成为濒临灭绝动物 ) 植物蜡 : 植物的许多器官表面都有薄薄的蜡质层 如冬青, 石楠, 有青长春滕及许多其它热带植物叶片表面覆有厚厚的一层蜡, 防止水分过度蒸发及抵御寄生虫 二 磷脂 鞘磷脂 鞘糖脂 1 磷脂 (glycerol phospholipids) 又叫磷酸甘油脂 是细胞膜结构的重要组份之一, 在动物的脑, 心, 肾, 肝, 骨髓, 卵及植物的种子和果实中含量较丰富 磷脂是由甘油, 脂肪酸, 磷酸及含氮碱性化合物或其他成分组成 结构通式 : 其中 R1 通常为饱和脂酰基,R2 为不饱和脂酰基,X 为胆碱, 胆胺 ( 乙醇胺 ), 丝氨酸, 肌醇等 从结构可以看出, 甘油分子中两个碳原子羟基被脂肪酸基酯化, 成为疏水性的非极性尾 (nonpolar tail); 第三个碳原子上羟基被磷酸酯化, 并带有一个亲水性的基团, 因此称为亲水性的极性头 (polar head). 这种分子称为亲水脂类, 它们都是根据它们的极性头而来命名的, 再加上前缀磷脂酰 2 鞘脂 (sphingolipid) 也是细胞膜的组成成分, 也有一个极性头部和两个非极性尾部 鞘脂是由一分子长链鞘氨醇或其衍生物, 和一分子长链脂肪酸和一个极性头部基团组成

53 (1) 鞘磷脂 (sphingomyelins) 或神经鞘磷脂在极性头部含有磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇胺 在高等动物组织中含量较丰富, 主要存在质膜, 在髓鞘质中也较丰富 (2) 鞘糖脂 (glycosphingolipids) 在极性头部含有一个或多个糖 极性头部含有一个单糖的称为脑苷脂和神经节苷脂 如果在半乳糖脑苷脂中半乳糖的 C-3 位上与硫酸分子以硫酯键相连 脑硫脂 如果在极性头部除了含糖分子外, 还含有一个或多个分子 N- 乙酰神经氨酸即唾液酸, 称为神经节苷脂 鞘糖脂是动物细胞膜的组成成分, 而神经节苷脂在神经末梢含量较丰富 三 胆固醇和萜类 1 胆固醇 (cholesterol) 胆固醇是甾醇族中最重要的一类固醇类化合物 存在与动物细胞膜及少数微生物中 胆固醇也属于两性分子, 有一个极性头部 ( 亲水性 ) 和一个非极性尾部 ( 疏水性 ) 生物体中的胆固醇有的以游离形式存在, 也有的与脂肪酸结合而以胆固醇酯的形式存在 胆固醇酯是血浆蛋白和细胞外膜的重要组分 2 萜类 (terpenes) 萜类是异戊二烯的衍生物 根据异戊二烯的数目, 可将萜类化合物分为单萜, 倍半萜, 二萜, 三萜, 四萜等 多数直链萜类的双键都是反式的, 但 11- 顺 - 视黄醛第 11 位上的双键为顺式 11- 顺 - 视黄醛是脊椎动物视网膜上发现的一种维生素 A 的衍生物

54 在高等植物叶片中存在着一种二萜化合物 叶绿醇, 是叶绿素的组成成分 胡萝卜是四萜化合物, 还有维生素 A,E,K 等都属于萜类 一 生物膜的化学组成 第二节生物膜的结构与功能 生物膜虽有不同的生物功能, 但在组成和结构上具有共同之处 它的化学组成主要是蛋白质和脂类 1 膜脂 (membrane lipids) 是生物膜的基本组成成分 生物膜的脂类主要包括磷脂 糖脂和胆固醇 (1) 其中磷脂含量最高, 约占整个膜脂的 50% 以上 分为甘油磷脂 : 磷脂酰胆碱, 磷脂酰丝氨酸, 磷脂酰乙醇胺, 磷脂酰肌醇, 磷脂酸, 磷脂酰甘油和心磷脂 鞘磷脂组成生物膜的磷脂分子的主要特征 : 1 具有一个极性头和两个非极性尾 ( 脂肪酸链 ) 2 脂肪酸碳链为偶数, 多数碳链由 16,18 或 20 个碳原子组成 3 除饱和脂肪酸外 ( 硬脂酸和软脂酸 ) 通常含有不饱和脂肪酸 ( 如油酸, 亚油酸和亚麻酸 ) 耐寒性强的植物, 其膜脂中不饱和脂肪酸含量较多, 且双键数目较多, 有利于膜在低温下的流动性, 以抗御冷冻 ; 抗热性强的植物, 其饱和脂肪酸含量较高, 有利于膜在高温下的稳定性 (2) 除磷脂外糖脂的含量约占膜脂总量的 5% 以上在神经细胞质膜上糖含量较高, 约占 5%-10% (3) 固醇的含量不等, 植物细胞膜中含量较低, 主要是谷甾醇和豆甾醇 动物细胞膜中含量相对较高, 主要是胆固醇 细菌质膜中不含胆固醇 胆固醇在调节膜的流动性, 增加膜的稳定性及降低水浮性物质的通透性方面都起着重要作用 2 膜蛋白 (membrane protein) 根据膜蛋白与脂质分子的结合方式和分离的难易程度可将其分为膜外周蛋白占膜蛋白总量的 20% 到 30%, 通常以共价结合的方式连在脂质上, 只要提高溶液的离子强度,PH 或温度就可以将其分离下来 膜内在蛋白占膜蛋白总量的 70%-80% 多数是跨膜蛋白, 也由的插入或整合在脂质双分子层中, 与膜脂的疏水部分结合得十分牢固, 只有用较剧烈的条件下如加去垢剂, 有机溶剂, 超声波等处理才能将它们溶解下来 二 生物膜的结构 流动镶嵌模型 流动镶嵌模型是由 S.Jonnathan Singer 和 Garth Nicholson 于 1972 年提出的 他们认为, 流动的脂质双分子层是构成膜的主体, 蛋白质分子像 冰山 一样分布在脂质双分子的 海洋 中

55 要点 : (1) 膜的不对称性主要表现为膜脂, 膜蛋白和膜糖分布的不对称性脂质双分子层 : 外半层以磷脂酰胆碱为主, 内半层以磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺为主, 同时不饱和脂肪酸主要存在于外半层 膜蛋白 : 膜脂内外两半层所含外周蛋白与内在蛋白的种类及数量不同 糖蛋白与糖脂 : 只存在膜的外半层, 而且糖基暴露于膜外, 分布上的绝对不对称. 膜的不对称性在实践和空间上确保了各项生理功能有序地进行 (2) 膜的流动性主要是指脂质分子的侧向运动, 还有膜脂分子围绕轴心作自旋运动, 尾部摆动及双层脂分子之间的翻转运动 膜脂的流动性依赖于脂质的组成和温度 一般来说, 脂肪酸链越短, 不饱和的程度越高, 膜脂的流动性越大 ; 高于相变温度, 膜的流动性增大, 各种脂膜都具有不同的相变温度 每种膜的相变温度取决于其脂质组成 膜脂的流动会带动膜蛋白的运动, 膜蛋白能围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动 三 生物膜的功能 生物膜有多种功能, 主要介绍以下几种 : 1 物质运输细胞膜是细胞内外物质交换的必经之路, 它对物质的进出有严格的选择和精确的控制 小分子物质进入细胞主要通过被动运输 ( 简单扩散, 协助扩散 ), 主动运输和基团转移方式 大分子物质和颗粒性物质主要通过内吞作用和外排作用进出细胞 (1) 简单扩散 (simple diffusion) 是指没有电荷或水溶性的小分子以自由扩散的方式从膜的一侧通过细胞质膜进入膜的另一侧的过程 结果是分子由浓度高的一侧向浓度低的一侧转运 不需要细胞提供能量, 也没有膜蛋白的协助 不同分子的通透性差异很大, 一般小分子比大分子容易穿过膜, 非极性分子比极性分子容易穿过膜

56 (2) 协助扩散 (facilitated diffusion) 是小分子和离子沿浓度梯度或电化学梯度减小方向的跨膜运动, 不需要能量, 但需要特异的膜蛋白 协助 转运 在膜上存在两类转运蛋白 : 载体蛋白 (carrier proteins): 相当于结合在细胞膜上的蛋白, 能与特定分子结合, 使这些分子通过膜 通道蛋白 (channel proteins): 在膜上可形成亲水通道, 允许一定大小和一定电荷的离子通过 因为通道蛋白几乎都与离子的转运有关, 称为离子通道 离子通道对被转运离子的大小和电荷由高度的选择性, 而且转运速度高, 可达每秒 10E6 个离子, 为载体蛋白的 100 倍以上 (3) 主动运输 (active transport) 是物质逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜转运, 需要能量 主动运输一方面需要膜上有特殊的载体蛋白 ( 或泵 ) 存在, 另一方面还需要和一个自发的放能反应相偶联 根据物质在跨膜运输过程中能量利用的方式将主动运输分为以下两种 : 1 由 ATP 直接提供能量的主动运输在多细胞动物中, 细胞内是高 K+ 低 Na+, 而外环境是低 K+ 高 Na+ 这种明显的离子梯度是离子逆浓度梯度主动运输的结果 执行这种运输功能的体系称为离子泵或 Na+- K+ 泵 Na+- K+ 泵是由 à 和 ß 二个亚基组成 : À 亚基较大, 是一个跨膜多次的整合膜蛋白, 具有 ATP 的活性 ß 亚基较小, 是具有组织特异性的糖蛋白 Na+- K+ 泵工作原理 : 在旧肌内倒 à 亚基与 Na+ 相结合促进 ATP 水解,à 亚基上的一个天冬氨酸残基磷酸化引起 à 亚基构系发生变化, 将 Na+ 运出细胞 ; 同时细胞外的 K+ 与 à 亚基的另一个位点结合, 使其去磷酸化,à 亚基构系再发生变化, 将 K+ 输入细胞, 完成整个循环 每个循环消耗一个 ATP, 转运 3 个 Na+ 和 2 个 K+ 除了 Na+- K+ 泵外还有 Ca2+ 泵和原子泵 Ca2+ 泵又称 Ca2+--ATP 酶, 主要存在于细胞质膜和内质网膜上, 它将 Ca2 + 输出细胞或泵入内质网腔中贮存起来, 以维持细胞内低浓度的 Ca2+ Ca2+ 泵也与 ATP 的水解相偶联, 每消耗一个 ATP 分子转运出两个 Ca2+ 2 协同运输 (cotransport) 是一个靠向接提供能量的完成的主动运输方式 物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子浓度梯度 动物细胞中常利用膜两侧的 Na+ 浓度梯度来驱动 植物细胞和细菌常利用 H+ 浓度梯度来驱动 (4) 内吞作用和外排作用大部分化合物进出真核细胞是通过内吞和外排作用进行的 : 内吞作用 (endocytosis): 是指细胞从外界摄入的大分子或颗粒逐渐被质膜的一小部分内陷而包围, 随后从质膜上脱落下来, 形成含有摄入物质的细胞内囊泡的过程若内容物是固体的称吞噬作用 (phagocytosis) 液态的称为胞饮作用

57 (pinocytosis) 外排作用 (exocytosis): 是指有些物质在细胞内被一层膜包围, 形成小泡, 逐渐移至细胞表面, 最后与质膜融合, 并向外排出 (5) 基团转移 (group translocation) 最早发现于某些细菌中, 它是细菌吸收营养物质时采用的一种物质跨膜运输的方式 例如细菌磷酸基团转移体外, 完成某种特异的糖向细胞内转运 书 P125 图 4-12 细菌以磷酸基团转移体外吸收乳糖 (6) 蛋白质的跨膜转运这个过程比较复杂, 了解就行, 分子生物学将介绍转运机制 2 能量转换生物膜在参与代谢能与光能的转变中起着重要的作用植物体内合成 ATP 的方式主要是通过光合磷酸化和氧化磷酸化反应 1 光合磷酸化反应的部位在叶绿体的囊体膜上, 上面有序地分布着光合色素系统电子传递系统和光合磷酸化的酶系, 结果将光反应吸收的光能转变为 NADPH 和 ATP 中飞化学能 2 线粒体的内膜与嵴上, 有序地分布着电子传递载体和氧化磷酸化的酶系, 使生物氧化产生的电子能转变为 ATP 中的化学能 3 信号传递 (signaling) 在多细胞生物体内, 协调机体生长和代谢一般都是通过细胞间的信号传递来实现的 细胞膜控制着信号的发生和传递 细胞的信号传递又称细胞通讯 一般指一个细胞发出的信号分子通过介质传递到另一个细胞并产生相应的反应 4 细胞识别 (cell recognition) 是细胞信号传递的一个重要环节, 是指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子选择性地相互作用, 从而导致胞内一系列生理生化变化, 最终表现为细胞整体的生物学效应的过程 质膜外表面的糖蛋白和糖脂是细胞识别的物质基础 它们外露的糖残基像 触角 伸到细胞外, 好像细胞与细胞之间联络的天线

58 课程单元题目 教案首页 第五章糖类的分解代谢 本单元学时 6 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2009 年 10 月 教学目的与要求 : (1) 了解糖酵解的全部反应, 能记住总反应以及三步补可逆反应 (2) 了解乳酸发酵和乙醇发酵涉及的反应及其生理意义 (3) 掌握糖酵解的生理意义 (4) 了解丙酮酸脱氢酶系的结构与功能 (5) 了解三羧酸循环的全部反应, 能记住循环的总反应式和所有中间物的名称 (6) 掌握三羧酸循环的生物学意义 (7) 掌握磷酸戊糖途径氧化阶段的反应, 能够区分转酮酶和转醛酶教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 糖酵解和三羧酸循环的反应历程 能量计算和生物学意义, 磷酸戊糖途径的特点和生物学意义, 糖酵解和三羧酸循环的调节, 草酰乙酸的回补反应 教学难点 : 糖酵解和三羧酸循环途径中酶的调节机制, 三羧酸循环的维持 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 新陈代谢概述, 生物体内的糖类, 双糖和多糖的酶促降解 1.5 学时 (2) 糖酵解 2 学时 (3) 三羧酸循环 2 学时 (4) 磷酸戊糖途径 0.5 学时 重要中 外文词汇 : 新陈代谢 (metabolism), 寡糖 (oligosaccharide), 淀粉 (starch), 糖原 (glucogen) 糖酵解 ( glycolysis ), EMP 途径 ( Embden-Meyerhof-Parnas ), 三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle,tca), 磷酸戊糖途径 (pentose phosphate pathway,ppp), 己糖磷酸支路 (ceramidehexose-monophosphate). 思考题 : 1 糖酵解与发酵的区别 / 2 为什么说三羧酸循环是糖 脂和蛋白质三大物质的共同通路? 3 为什么说 6- 磷酸葡萄糖是各个糖代谢途径的交叉点? 4 简述磷酸戊糖途径的生理意义 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

59 第五章糖类的分解代谢 第一节生物体内的糖类 糖类化合物在自然界分布广泛, 数量最多的有机化合物 从细菌到高等动植物都含有糖类化合物, 植物中含量较丰富, 约占干中的 85%~90% 一 糖类的元素组成及化学本质 1 元素组成大多数糖类物质仅有 CHO 三种元素组成所以用通式来表示, 统称为碳水化合物, 后来发现, 有些化合物不符合此通式, 但由于此名称沿用已久, 至今仍使用碳水化合物表示糖类 2 化学本质从化学角度看, 是多羟基的醛或多羟基的铜及其衍生物 二 糖的分类 常按其组成分为单糖 寡糖和多糖 ( 一 ) 单糖是指不能被水解成小分子糖的糖类, 时多羟基的醛或铜根据其结合碳原子数目分为丙糖 丁糖 戊糖等根据其结构特点由分为醛糖和酮糖 1 醛糖系列最简单的醛糖时甘油醛, 团 5-1 给出了在 D- 甘油醛基础上形成的丁糖 戊糖和己糖 D- 构型系列醛糖的结构碳原子的编号从醛基碳开始的按照规定,D- 构型的糖是指具有最高编号的手性碳原子, 即离羟基碳最远的手性碳上连接的 -OH 在 FISHER 投影式中朝向右的糖 2 酮糖系列最简单的酮糖是二羟丙糖, 图 5-2 给出与二羟丙酮相关的 D- 构型的长链酮糖系列 酮糖中含的手型碳原子比相同碳原子的醛糖少 例如 : 酮丁糖只有两个立体异构体, 而醛糖有 4 个立体异构体 如果糖分子之间只是在几个手性碳原子的一个碳上的构型不同, 这样的一对糖分子成为差向异构体 3 环状结构以上我们介绍的是单糖的链状结构, 这些链状结构不能完全解释单糖的某些物理性质 : 如葡萄糖分子的变旋性不如一般醛类化合物活泼等根据这种情况,1893 年 Fischer( 费歇尔 ) 提出了单糖的环状结构 : 单糖分子中醛基或酮基和其他碳原子上羟基发生成环反应生成半缩醛如果醛基或酮基与分子粒端或与其相邻的碳原子撒谎那个的醛基形成六元环叫吡喃糖 ; 形成五元环叫呋喃糖

60 单糖环状结构的书写方式遵循 W H Haworth 提出的规定 : (1) 吡喃糖式写成六角平面姓, 呋喃糖式写成五角平面形 (2) 链式结构中左边的各个基团写在换的平面上, 右边的各个基团写在不安的平面下 左上右下 (3) 羟甲基在环平面上的为 D 型糖, 在环平面下的为 L 型糖 D 上 L 下 (4) 半缩醛或半缩酮碳原子上的 -OH 在环平面下的为 α 型, 在环平面上的为 β 型, α 下 β 上 ( 二 ) 寡糖是由 2~10 个单糖分在通过糖苷键连接形成的单糖聚合物, 水解后产生单糖自然界中常见的寡糖见表 5-2P136 常见的双糖有三种 : 蔗糖 麦芽糖 乳糖 1 蔗糖是由一份子葡萄糖和一份子果糖脱水素和而成的即 葡萄糖上的羟基与 果糖 ( 呋喃糖 ) 上的羟基缩合形成 1,2- 糖苷键 2 麦芽糖是由两分子葡萄糖脱水缩合而成即一份子 D 葡萄糖上的羟基与另一份子 D 葡萄糖上的羟基缩合而成 2 乳糖是由一份子葡萄糖予以分子半乳糖突水缩合而成即 D 半乳糖上的羟基与 D- 葡萄糖上的羟基缩合而成 1,4- 糖苷键 ( 三 ) 多糖是由多个单糖基以糖苷键连接而成的高聚物包括 : 同多糖 : 由一种类型的糖基组成 如淀粉 糖原 果胶 纤维蛋白杂多糖 : 含有一种以上的糖及其衍生物残基 如各种形式的糖与糖 : 透明压酸 硫酸软骨素等常见的多糖有 : 淀粉 糖原 纤维素 1 淀粉在植物细胞中, 淀粉是以直链淀粉和支链淀粉的混合物形式储存 (1) 直链淀粉是由 D- 葡萄糖通过 -1,4- 糖苷键连接而成的大分子, 没有分支 (2) 支链淀粉是直链淀粉上带有分支的淀粉主链是由 -D- 葡萄糖通过 1,4- 糖苷键连接, 分支与主链以 -1,6- 糖苷键连接 2 糖原糖原是在动物和细菌中发现的储存多糖, 长称之为动物淀粉糖原的结构类似于支链淀粉 但糖原中分支出现的频率更高, 大约每隔 8~10 个葡萄糖残基就出现一个分支分支多有利于糖原快速降解, 提供能量 在哺乳动物中, 糖原主要贮存在肝脏和肌肉中 3 纤维素是植物细胞壁的主要成分像直链淀粉一样, 纤维素是葡萄糖残基连成的线性同多糖, 但纤维素是由 D- 葡萄糖分子以 1,4- 糖苷键连接而成的大分子纤维素大约由 40 条平行的葡萄糖链组成, 角条链大约含 个葡萄糖残基

61 棉花纤维几乎都是纤维素, 而木材纤维有一半是纤维素 第二节双糖和多糖的酶促降解 一 蔗糖 乳糖 麦芽糖的酶促降解 < 一 > 蔗糖的水解蔗糖的水解主要通过两种酶 : 1 蔗糖合成酶 : 催化蔗糖与尿苷二磷酸 (UDP) 仅在生成果糖和尿苷二磷酸葡萄糖 (UDPG) 2 蔗糖酶催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖 < 二 > 麦芽糖的水解 < 三 > 乳糖的水解食物中的糖类经肠道消化为葡萄糖 果糖 半乳糖等单糖, 被肠粘膜细胞吸收进入血液, 运经全身各组织细胞, 在组织细胞中分别进行合成与分解代谢 二 淀粉 ( 糖原 ) 的酶促降解 淀粉在细胞内和细胞外的降解方式不同 : 细胞外的降解 ( 如动物消化道的消化, 微生物的细胞外酶作用 ) 是一种水解的过程, 最后产生葡萄糖细胞内的降解却是磷酸解的方式 ( 加磷酸分解 ), 最后产生磷酸葡萄糖 < 一 > 淀粉的酶促水解参与淀粉水解的酶主要有三种 : 淀粉酶 脱支酶 麦芽糖酶 1 淀粉酶淀粉酶是指参与淀粉 -1,4- 糖苷键水解的酶有 α- 淀粉酶和 β- 淀粉酶两种 (1)α- 淀粉酶 ( 为淀粉内切酶 ) 可水解淀粉分子内任何部位上的 -1,4- 糖苷键其产物为 : 若直链淀粉 葡萄糖 + 麦芽糖 + 麦芽三塘若支链淀粉 葡萄糖 + 麦芽糖 + 麦芽三塘 + - 极限糊精 (2)β- 淀粉酶 ( 为淀粉外切酶 ) 也水解 -1,4- 糖苷键, 但须从外还原末端开始切, 每次切下两个葡萄糖单位, 产物为麦芽糖 所以也叫外切淀粉酶其产物为 : 若直链淀粉 麦芽糖若支链淀粉 麦芽糖 + - 极限糊精 2 脱支酶 ( 由称 R 酶 ) 是专一水解 -1,6 糖苷键连接的葡萄糖, 再在 - 淀粉酶和 - 淀粉酶作用下彻底水解 3 麦芽糖酶水解由淀粉酶解产物麦芽糖, 最终产物为葡萄糖 麦芽糖酶常与淀粉酶同时存在 < 二 > 淀粉的磷酸解参与淀粉磷酸解的酶主要是淀粉磷酸化酶淀粉磷酸化酶从淀粉的非还原端开始, 一个一个的磷酸解

62 < 三 > 糖原的磷酸解糖原的降解主要是糖原的磷酸解糖原磷酸化酶有两种形式 : 活化态的糖原磷酸化酶 a 非活化态的糖原磷酸化酶 b 两者在一定条件下可以相互转变糖原磷酸解时, 在酶 a 的作用下, 从糖原非还原端逐个磷酸解下葡萄糖残基, 生成 1- 磷酸葡萄糖 直到距分支带你 4 个葡萄糖残基为止然后在转移酶作用下, 切下分支点上的麦芽三糖, 同时将他专一支另一联的非还原端是其延长, 而在分至点处还留下一个 1,6 一键葡萄糖残基 最后由脱支酶水解脱下 -1,6- 糖苷键残基 糖原磷酸化酶主要存在于动物肝脏中, 通过糖原分解直接补充血糖 三 细胞壁多糖的酶促降解. 植物细胞壁与糖主要是纤维素和果胶物质 < 一 > 纤维素的降解 : 纤维素是植物细胞壁结构物质中的主要成分纤维素是由 -D- 葡萄糖分子以 -1,4- 糖苷键连接起来的没有分支的长链天然纤维素可用无机酸水解成葡萄糖食草动物胃肠的细菌能分泌纤维素酶, 可将入食纤维素降解为葡萄糖, 另外, 自然界中也存在能分解纤维素的许多细菌 : 入青霉素 枯草杆菌 以及默写真菌, 他们能合成和分泌纤维素酶, 分解和利用草类和木材中的纤维素作为碳源 入木耳 香菇等食用菌的栽培 < 二 > 果胶物质的将解果胶物质一般存在于细胞中胶质和出生细胞壁中果胶物质分为 3 类 : 原果胶 果胶和果胶酸 1 原果胶 : 主要存在于初生壁中, 特别是薄壁细胞及分省细胞的细胞壁中 不溶于水, 在稀酸或原果胶酶的作用下可转变为可溶性果胶 2 果胶 : 果胶是半乳糖醛酸甲酯及少量半乳糖醛酸通过 -1,4- 糖苷键连接而成的长键高分子化合物果胶溶于水, 在稀酸或果胶酶作用下, 多聚半乳糖醛酸的甲酯部分水解成果胶酸和甲醇 3 果胶酸果胶酸的主要成分为 -1,4 多聚半乳糖醛酸 植物细胞中胶层中含有果胶酸的钙盐和镁盐的混合物他是细胞与细胞之间的粘合物植物体内的果胶酸在水解酶和裂解酶的作用下, 仅多聚半乳糖醛酸的 -1,4 糖苷键断裂生成版乳糖醛酸的单体 二聚体 三聚体或其混合物果胶酶和果胶酸酶存在于细菌和真菌中, 细菌利用这些没分解植物细胞壁, 以便使病原菌入侵植物体内高等植物体内可合成和分泌分解果胶物质的多种酶类, 导致植物的器官 ( 花 果实 种子和叶片 ) 的脱落 第三节糖酵解 前面我们学习了合成生物体的大分子物质 : 蛋白质 核酸 多糖和脂类的化学组成 结构 性质和功能 从这一节开始, 将进入色彩缤纷的代谢世界 可以

63 说代谢世界既精彩, 又无奈 精彩之处在于只有深入到代谢世界之中才能真正把握住生命的本质 无奈之处在于如何记住那些枯燥的代谢反应, 又如何掌握那些限速酶的调控机制 一 糖酵解的概念 糖酵解 (glycolylsis) 是将葡萄糖降解为丙酮酸, 并伴随着 ATP 生成的一系列反应 是生物有机体中普遍存在的葡萄糖降解的途径 对酵解的研究贡献最多的是德国的生化学家 Embden Meyerhof 和波兰生化学家 Parnas 等人, 所以糖酵解又叫做 EMP(Embden-Meyerhof-Parnas) 途径 二 糖酵解的化学历程 糖酵解是在细胞质中进行的, 可划分为三个阶段 : < 一 > 己糖的磷酸化这一阶段有三步反应 : 1 葡萄糖的磷酸化葡萄糖进入细胞后, 在细胞质中被 ATP 磷酸化, 生成 6- 磷酸葡萄糖 2 6- 磷酸果糖的生成 3 1,6- 二磷酸果糖的生成 小结 : 在这一阶段, 碳链不变, 但两头接上了磷酸基团, 为分子裂解做好了准备, 消耗了 2 个 ATP < 二 > 磷酸己糖的裂解这一阶段有两步反应 : 4 1,6- 二磷酸果糖的裂解

64 5 磷酸丙糖的同分异构化 小结 : 在这一阶段, 一分子六碳糖裂解为两分子三碳糖, 最后都转变为 3- 磷酸甘油醛 在第一 第二阶段, 五步反应结果,1 分子葡萄糖转变为 2 分子 3- 磷酸甘油醛, 共投入 2 分子 ATP < 三 >3- 磷酸甘油醛生成丙酮酸这一阶段有五步反应 : 6 3- 磷酸甘油醛氧化为 1,3- 二磷酸甘油酸 该反应同时进行脱氢和磷酸化反应, 脱氢能释放的能量贮存在高能羧 - 磷酸酐键中, 并生成高能化合物 1,3- 二磷酸甘油酸 该酶的活性中有半胱氨酸, 为巯基酶, 它可以被烷化剂如碘乙酸不可逆的抑制 7 3- 磷酸甘油酸和 ATP 的生成

65 磷酸甘油酸激酶以反向反应命名 它催化的不可逆反应 这是糖酵解过程中的第一次产生 ATP 并且是通过底物氧化形成的高能磷酸化合物直接将磷酸基团转移给 ADP 偶联生成 ATP, 这种 ATP 生成的方式叫底物水平磷酸化 (substrate-level phosphorylation) 8 3- 磷酸甘油酸异构为 2- 磷酸甘油酸 变位酶是指一类将功能基因从同一个分子的一个位置转移到另一个位置的酶 属于异构酶 (isomerase) 类 异构酶是转化立体异构体或者结构异构体或者位置异构体酶类总称 9 磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP) 的生成 10 丙酮酸和 ATP 的生成 这是糖酵解过程中第二次产生 ATP, 也是通过底物水平磷酸化生成的 反应基本上属于不可逆反应 小结 : 在这一阶段,2 分子 3- 磷酸甘油醛转化为 2 分子丙酮酸, 产生 4 分子 ATP 糖酵解的全过程如下 :

66 山西大同大学生命科学学院 糖酵解的要点 1 场所 细胞质 2 全过程分 10 步反应 需要 10 种酶 激 够激 全够脱 了 激 变化激 己糖激酶 磷酸己糖激酶 磷酸果糖激酶 醛缩酶 磷酸丙糖异构酶 3-磷酸甘 油醛脱氢酶 磷酸甘油酸激酶 磷酸甘油酸变位酶 烯醇化酶 丙酮酸激酶 3 糖酵解的化学计量 从葡萄糖转变成丙酮酸的净反应如下

67 从反应式可以看出,1 分子葡萄糖转化为 2 分子丙酮酸, 净生成 2 分子 ATP 4 糖酵解的生物学意义 1 是葡萄糖代谢的重要途径, 在无氧以及有氧的条件下都能进行 2 为生物体提供一定的能量 3 糖酵解过程中形成的许多中间产物可以作为合成其他物质的原料 如磷酸二羟丙酮可转变为甘油, 丙酮酸可转变为丙氨酸或乙酰 CoA, 使糖酵解与其他代谢途径联系起来 三 丙酮酸的去路 糖酵解产生的终产物丙酮酸如何进一步分解代谢, 关键在于有没有氧 1 转变为乙酰 CoA 在有氧条件下, 进入线粒体转变为乙酰 CoA, 乙酰 CoA 再经三羧酸循环和电子传递链彻底氧化成 CO2 和 H2O 2 生成乳酸对于乳酸杆菌或骨骼肌由于剧烈运动而暂时缺氧时, 丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下形成乳酸 在无氧的条件下, 由葡萄糖转化为乳酸的过程成为乳酸发酵 乳酸发酵可用于生产奶酪 酸奶 食用泡菜及饲料等 3 生成乙醇对于乳酸菌或其他微生物, 在缺氧或无氧的条件下, 丙酮酸脱氢酶催化丙酮酸脱羧转变为乙醛, 乙醛在醇脱氢酶的作用下生成乙醇 在厌氧条件下, 由葡萄糖转化为乙醇的过程, 称为乙醇发酵或酒精发酵 乙醇发酵可用于酿造啤酒 制作面包等 在啤酒厂, 当丙酮酸转化为乙醇时, 产生许多 CO2 气体,CO2 气体可罐装于啤酒中用于产生气泡, 在烤面包时,CO2 可以使生面团膨胀 四 糖酵解的调控 糖酵解过程存在 3 个主要调控部位, 分别是己酸激酶 磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应 这三个反应都是不可逆反应 1 磷酸果糖激酶是糖酵解过程中最重要的调节酶, 糖酵解速度主要决定于该酶活性, 因此这是一个限速酶 磷酸果糖激酶受到复杂的别构调节 : 1AMP 是磷酸果糖激酶的别构激活剂, 而 ATP 是该酶的别构抑制剂 ATP 既是该酶的底物, 又是别构抑制剂 当 ATP 浓度低时,ATP 和酶的活性中心结合为底物, 酶发挥正常的催化功能 ; 当 ATP 浓度高时,ATP 可被酶的别构中心结合, 引起酶构型改变而失活,ATP 是制构抑制剂 2 柠檬酸 脂肪酸 磷酸果糖激酶的别构抑制剂 柠檬酸是柠檬酸结环成三羧酸之后的中间产物, 高浓度的柠檬酸可以增加 ATP 的抑制效果, 反馈抑制葡萄糖再进入糖酵解 3 果糖 -2,6- 二磷酸也是磷酸果糖激酶的别构激活剂, 能强烈的激活该酶果糖 -2,6- 二磷酸是果糖 -2,6- 二磷酸激酶 (FBPase)2 催化下, 由果糖 -6- 磷酸磷酸化而生成的

68 而果糖 -2,6- 二磷酸在果糖 -2,6- 二磷酸酯酶的催化下去磷酸形成果糖 -6- 磷酸 果糖 -6- 磷酸能激活果糖 -2,6- 二磷酸激酶而抑制果糖 -2,6- 二磷酸酯酶 (FBPase) 活性, 而果糖 -2,6- 二磷酸强烈激活磷酸果糖激酶 (PFK) 所以果糖 -6- 磷酸浓度高时, 能促进糖酵解的进行 胰高血糖素会影响 PFK2/FBPase 的活性 4H+ 离子浓度会影响磷酸果糖激酶活性当 PH 明显下降时,H+ 会抑制该酶的活性, 使糖酵解速率降低 这可以防止在缺氧条件下, 形成过量的乳酸而导致酸中毒 2 己糖激酶也是一种别构酶, 它的别构物抑制剂是 6- 磷酸葡萄糖, 是它的产物 当磷酸果糖激酶的活性被抑制时, 该酶的底物 6- 磷酸果糖积累, 进而使 6- 磷酸葡萄糖的浓度升高, 从而引起己糖激酶的活性下降 3 丙酮酸激酶是一种别构酶 果糖 -1,6- 二磷酸是它的别构激活剂 ATP 丙氨酸, 乙酰 CoA 等是它的别构物抑制剂 五 糖酵解的其他底物 葡萄糖不是糖酵解的唯一底物, 细胞中的许多其他糖类通过转变也可以成为糖酵解的底物或中间产物进入酵解途径 P149, 图 果糖果糖和含有果糖的二糖蔗糖, 是许多食物和饮料的调味剂, 是人们饮食中糖类来源的一部分, 吸收的果糖几乎都是通过肝脏代谢的 在肝脏中, 特异的果糖激酶催化果糖磷酸化, 生成 1- 磷酸果糖 在肌肉和肾中, 果糖在己糖激酶的催化下磷酸化成 6- 磷酸果糖 2 半乳糖双糖乳糖, 主要存在于奶中, 它是包括人在内的哺乳动物婴幼儿的主要能源 乳糖在小肠乳糖酶的作用下, 分解为一份子葡萄糖和一分子半乳糖 这两种糖都可以被小肠吸收, 并通过血液循环进行转变在肝脏中, 半乳糖在半乳糖激酶的作用下磷酸化, 生成 1- 磷酸半乳糖人类有一种遗传病 半乳糖血症 (galactosemia), 不能正常代谢半乳糖, 因为缺乏 1- 磷酸半乳糖尿苷酰转移酶 由于这种酶的缺乏, 会造成细胞内 1- 磷酸半乳糖的堆积, 有可能损害肝脏功能 另外还可以损伤中枢神经系统 3 甘露糖甘露糖主要来自糖蛋白和某些多糖, 甘露糖在己糖激酶的作用下, 转化为 6-

69 山西大同大学生命科学学院 磷酸甘露糖 4 糖原或淀粉 糖原或淀粉在细胞内最终磷酸化为 1-磷酸葡萄糖 第四节 三羧酸循环 葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸 丙酮酸在无氧条件下 经乙醇发酵 生成乙醇 经乳酸发酵 生成乳酸 而在有氧条件下 丙酮酸彻底氧化为 CO2 和水 这个 过程是在线粒体中进行的 可分为两个阶段 一 丙酮酸氧化为乙酰 CoA 丙酮酸氧化脱羧 形成乙酰 CoA 是在丙酮酸脱氢酶的催化下 丙酮酸脱氢酶是一个多酶复合体 位于线粒体内膜上 组成酶共有 3 种酶 丙酮酸脱氢酶 pyruvate dehydrogenase,e1 二氢硫辛酰转乙酰基酶(dihydrolipoyl transacetylase,e2) 二氢硫辛酰酸脱氢酶 dihydrolipoyl dehydrogenase,e3 6 种辅助因子 焦磷酸硫胺素 TPP 硫辛酸 FAD NAD CoA 和 Mg2+ 丙酮酸脱氢酶催化的反应分五步进行 1 丙酮酸与丙酮酸脱氢酶 E1 的辅基焦磷酸硫胺素 TPP 反应 脱羧生成 羟乙基-TPP 2 羟乙基氧化转变为乙酰基同时转移到二氢硫辛酰转乙酰基酶 E2 的辅基硫 辛酰胺上 硫辛酰酶是由硫辛酸通过酰胺键与 E2 中的转氨酸残基共价化合形成 的 3 辅酶 A 与乙酰-二氢硫辛酰胺中的乙酰基反应生成乙酰 CoA 4 二氢硫辛酰脱氢酶 E3 将 E2 中的还原型硫辛酰胺氧化成氧化型硫辛酰胺 把两个氢原子转移给 E3 的辅基 FAD 5 E3 的 FADH2 将氢原子转移给 NAD+ 生成 NADH 再进行下一轮的循环

70 山西大同大学生命科学学院 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰 CoA 是一个重要的步骤 处于代谢途径的分支点 是 连接糖酵解和三羧酸循环的中心环节 所以这一反应体系受到产物和能量物质的 调节 1 产物抑制 丙酮酸氧化脱羧的 3 个产物 乙酰 CoA CO2 和 NADH 其中乙酰 CoA 抑制二氢硫辛酰转乙酰基酶 E2 NADH 抑制二氢硫辛酸脱氢酶 E3 这种抑制可以被相应的反应物 CoA 和 NAD+ 消除 2 核苷酸调节 丙酮酸脱氢酶 E1 受 GTP 抑制 被 AMP 活化 即当细胞内富有时即可利用消耗时 丙酮酸脱氢酶的活性降低 3 共价修饰的调节 丙酮酸脱氢酶受磷酸化修饰调节 到细胞内 ATP /[ADP] NADH /[NAD+]或[乙酰 CoA]/(CoA)比较高时 丙酮酸脱氢酶磷酸化 活 性降低 当去磷酸化后 活性恢复 二 三羧酸循环 三羧酸循环 tricarboxylic acid cycle 简称 TCA 循环 由于该循环的第一个产物是柠檬酸 它含有三个羧基 所以叫三羧酸循环 也叫柠檬酸循环 该循环是德国科学家 Krebs 通过总结前人工作和他本人的测定于 1937 年提 出的 所以也叫 Krebs 循环 为此 他获得了诺贝尔奖 <一>三羧酸循环的反应历程 三羧酸循环包含 8 步反应 1 乙酰 CoA 与草酰乙酰缩合成柠檬酸

71 柠檬酸 CoA 是在酶的活性中心形成的一种瞬时性的中间产物, 它很快就被水解, 形成自由的辅酶 A 和柠檬酸 放出大量的能量, 该反应不可逆 CoA 重新参与丙酮酸氧化脱羧反应是由柠檬酸合酶 (citrate synthase) 催化的 合酶 (synthase) 是一种在反应期间制造新的共价键的酶, 不需要 ATP 提供能量 ( 由于高能硫酰键水解释放能量驱动反应进行 ) 2 柠檬酸异构化生成异柠檬酸 柠檬酸在顺乌头酸梅的催化下脱水生成含 C=C 双键的顺乌头酸, 顺乌头酸仍留在酶的活性中心 还是在顺乌头酸酶的催化下, 将水以两种不同的立体方式添加到顺乌头酸的 C=C 双键上, 一种方式导致柠檬酸生成, 另一种方式导致异柠檬酸生成 氟乙酸 (fluoroacetate) 能抑制该步反应氟乙酸有剧毒, 在细胞内它可以转化为氟乙酰 CoA, 氟乙酰 CoA 在柠檬酸合酶催化下, 可与草酰乙酸缩合生成氟柠檬酸 氟柠檬酸类似于柠檬酸, 是顺乌头酸酶的一个很强的抑制剂 使三羧酸循环的有氧代谢终止 以前人们常利用氟乙酸制成灭鼠药 3 异柠檬酸氧化脱羧生成 α- 酮戊二酸

72 细胞中存在两种形式的异柠檬酸脱氢酶, 一种以 NAD+ 为辅酶, 另一种为 NADP+ 为辅酶 两种酶催化的反应是相同的 在真核细胞中,NAD 依赖型酶存在于线粒体基质中, 在三羧酸循环中起作用,NADP 依赖型煤既存在于线粒体基质中, 也存在于细胞溶胶中 4 α- 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA α- 酮戊二酸脱氢酶与丙酮酸脱氢酶的结果和催化机制相似, 也含有三种酶, 6 种辅酶因子, 同样受产物 NADH 琥珀酰 CoA 抑制 受 ATP GTP 反馈抑制, 但不受磷酸化调节 反应产生的能量贮存在高能硫酰键中, 反应是不可逆的 5 琥珀酰 CoA 转化成琥珀酸 琥珀酰 CoA 含有一个高能硫酰键, 是高能化合物, 在琥珀酸硫激酶或琥珀酰 CoA 合成酶催化下, 硫酰键水解释放能量使 GDP 磷酸化为 GTP, 同时生成琥珀酸 这是一个底物水平磷酸化反应 生成的 GTP 可以在核苷二磷酸激酶的催化下, 将磷酰基转移给 ADP 生成 ATP GTP 和 ATP 在能量上等同的 6 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶的作下用, 脱氢生成延胡索酸, 氢受体是酶的辅基 FAD 在真核细胞中, 琥珀酸脱氢酶紧密结合在线粒体内膜上 ; 它是三羧酸循环中唯一一种与膜结合的酶 其它酶都位于线粒体基质中 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂 因为丙二酸结构类似于琥珀酸, 可以与琥珀酸脱氢酶的活性部位的碱性氨基酸残基结合, 但由于丙二酸不能被氧化, 使得循环反应不能循环进行 7 延胡索酸水化生成苹果酸

73 延胡索酸酶 ( 也称延胡索酸水合酶 ) 具有高度的立体异构专一性, 只催化延胡索酸反式双键的水化反应 8 苹果酸氧化生成草酸乙酸 L 苹果酸在以 NAD+ 为辅酶的苹果酸脱氢酶催化下, 氧化生成草酸乙酸 反应是可逆的 该反应是一个很强的吸能反应, 但由于该反应与下一步很强的放能反应 ( 草酰乙酸与乙酰 CoA 缩合生成柠檬酸偶联, 使该反应顺利进行 三羧酸循环的反应过程 :

74 三羧酸循环的要点 1 场所 : 线粒体 2 三羧酸循环八步反应的酶 : 合顺 ( 则 ) 亲, 亲 ( 则 ) 合亲, 延胡 ( 更 ) 亲! 柠檬酸合酶, 顺乌头酸酶, 异柠檬酸脱氢酶 ;α- 酮戊二酸脱氢酶, 琥珀酰 COA 合成酶 ( 琥珀酸硫激酶 ), 琥珀酸脱氢酶 ; 延胡羧酸酶, 苹果酸脱氢酶 3 三羧酸循环主要代谢中间物 : 草酰乙酸, 顺乌头酸, 异柠檬酸, 草酰琥珀酸, α- 酮戊二酸, 琥珀酰 CoA, 琥珀酸, 延胡索酸, 苹果酸 4 三羧酸循环的化学计量 5 三羧酸循环的特点 : (1) 每一次循环都纳入一个乙酰 CoA, 使两个碳原子进入循环 又有两个碳原子以 CO2 的形式离开循环 ( 但离开的两个碳原子并不是刚刚进入循环, 相当于乙酰 CoA 的两个碳原子被氧化成 CO2. (2) 每一次循环有 4 次氧化反应, 共脱下四对氢原子, 其中有 3 对用以还原 NAD, 有一对用以还原 FAD. (3) 每一次循环由底物水平磷酸化生成 1 分子 GTP (4) 每一次循环消耗两分子水 (5) 三羧酸循环形成的 NADH 和 FADH, 只有通过电子传递链才能被氧化 (6) 三羧酸循环不是严格需氧的 虽然 O2 没有直接参加到三羧酸循环, 但三羧酸循环产生的 4 对氢原子和电子必须在有氧条件下才能被氧化产生能量 ATP. 6 三羧酸循环的能量计算三羧酸循环产生了 3NADH, 可形成 9ATP, 产生 1FADH2, 可生成 2ATP, 产生 1GTP, 可以生成 1ATP, 共产生 12ATP 一分子丙酮酸氧化脱羧可产生 1NADH, 可生成 3ATP,1 分子葡萄糖有氧氧化可产生的 ATP 计算如下 : 糖酵解产生 2ATP 和 2NADH 共产生 8ATP 丙酮酸有氧氧化 (3+12) 2ATP=30ATP, 共生成 38ATP < 二 > 三磷酸循环的调控三磷酸循环中存在三个不可逆反应, 但整个循环只能单方向进行 这三个反应也是三羧酸循环的三个限速反应, 它们分别由柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶和 α 酮戊二酸脱氢酶催化 柠檬酸合酶是三羧酸循环的关键限速发方向 NADPH ATP 抑制该酸的活性 底物乙酰 CoA 草酰乙酸浓度较高时可激活该酶 异柠檬酸脱氢酶受到 Ca2+ 和 ADP 的别构激活, 而受到 NADH 的抑制 α- 酮戊二酸脱氢酶受到琥珀酰 CoA 和 NADH 的抑制 < 三 > 三羧酸循环的生物学意义 1 在生物界普遍存在三羧酸循环, 是有机体利用糖或其他物质获取能量的最有效方式 2 是糖脂蛋白质物质代谢和转化的枢纽

75 在需氧生物种, 三羧酸循环是一种两栖途径 一方面是糖类 脂肪 氨基酸彻底氧化分解的共同途径另一方面是循环中间物, 如草酰乙酸 柠檬酸 α- 酮戊二酸 琥珀酰 CoA 等合成糖 脂肪酸 氨基酸和外构环等的原料和碳骨架 3 三羧酸循环的中间产物如柠檬酸 苹果酸是植物一些器官的积累物质 如柠檬 苹果分别富含柠檬酸 苹果酸 工业上为了得到柠檬酸可以通过抑制三羧酸循环反应来设计培养条件, 使得柠檬酸积累 因为柠檬酸有一系列重要的工业用途 如饮料中使用柠檬酸提供一种酸味或果味, 食物中使用柠檬酸作为抗氧化剂, 保持食品风味 在某些树脂的生成中, 可被用作可塑剂和抑制剂等 三 三羧酸循环的回补反应 (anaplerotic reaction) 三羧酸循环的一个重要生物学作用, 就是它的中间物是很多生物合成的前提, 但这些中间物必须得到补充, 才能保证三羧酸循环顺利得不间断的运转 这些中间物中, 特别是草酰乙酸, 如果缺乏它乙酰 CoA 就不能进入三羧酸循环 从而影响三羧酸循环的进行 生物体中, 存在着及时补充草酰乙酸的反应, 称为回补反应 草酰乙酸的回补主要通过三个途径 : 1 丙酮酸的羧化在哺乳动物肝和肾中, 存在着丙酮酸羧化酶 丙酮酸羧化酶, 是一种别构酶, 乙酰 CoA 是它的别构激活剂, 所以在缺乏乙酰 CoA 的条件下, 该酶几乎没有活性 在动物 植物 微生物中还存在由苹果酸酶和苹果酸脱氢酶联合催化丙酮酸合成草酰乙酸的反应 2 磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP) 的羧化

76 磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶的作用下, 生成草酰乙酸 这是许多植物和某些微生物提供草酰乙酸的反应 只在细胞质中进行 3 氨基酸转化天冬氨酸和谷氨酸经转氨作用, 可形成草酰乙酸和 α- 酮戊二酸 第五节磷酸戊糖途径 糖的无氧酵解和有氧氧化过程是生物体内糖分解的主要途径, 但并不是唯一途径, 葡萄糖还有其他的代谢途径, 其中最重要的是, 磷酸戊糖途径 (pentose phosphate pathway,ppp), 也叫己糖磷酸支路 (hexose-monophosphate shunt,ppp). 一 磷酸戊糖途径的生化历程 磷酸戊糖途径分为两个阶段 :1. 氧化脱羧阶段 ;2. 非氧化重组反应阶段 < 一 > 氧化脱羧阶段此阶段包括 3 步反应 1 脱氢

77 2 水解 3 脱氢 脱羧 < 二 > 非氧化重组阶段在这一阶段, 主要是糖的相互转化,6 个 5- 磷酸核酮糖 5 个 6- 磷酸葡萄糖, 共包括 5 步反应 4 异构化反应 5 转酮醇反应 6 转醛醇反应

78 山西大同大学生命科学学院 7 转酮醇反应 8 异构化反应 磷酸戊糖的反应过程

79 二 磷酸戊糖途径的化学计量 由以上过程可以看出磷酸戊糖途径具有循环机制的性质, 即一个 6- 磷酸葡萄糖每循环一次, 只脱去一个羧基 ( 产生一个 CO2), 和脱去两次氢, 形成两个 NADPH 也就是一个 6- 磷酸葡萄糖分子要想彻底氧化生成 6 个 CO2, 需要 6 个 6- 磷酸葡萄糖同时参加反应 三 磷酸戊糖途径的生物学意义 1 产生大量的 NADPH, 为生物各种反应提供还原力如脂肪酸的合成, 固醇化合物的合成 2 途径中的中间物为许多化合物的合成提供原料如磷酸核糖是合成核苷酸的原料,4- 磷酸赤藓糖与磷酸烯醇式丙酮酸可形成莽草酸, 最后可以合成芳香族氨基酸 3 可与光和作用联系起来, 实现某些单糖的转变 4 在植物遇到干旱 病害伤害时, 被高速启动, 磷酸戊糖途径在生物体中普遍存在, 其中动物 微生物中,30% 葡萄糖通过此途径降解, 在植物中,50% 葡萄糖通过此途径降解 四 磷酸戊糖途径的调控 1 在氧化脱羧阶段,6- 磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的限速酶 其活性受 (NADP+)/(NADPH+H+) 比率的调节 NADPH 竞争性地抑制 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶和 6- 磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活

80 性, 只需 (NADP+) 稍高于 (NADPH), 即能够使酶激活, 从而保证产生的 NADPH 及时满足还原性生物合成以及其他方面的需要 2 在外氧化重组阶段, 戊糖的转变只需受控于底物浓度 如果 5- 磷酸核糖过多时, 可转化成 6- 磷酸果糖和 3- 磷酸甘油醛进行酵解

81 课程单元题目 教案首页 第六章生物氧化与氧化磷酸化 本单元学时 6 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 11 月 教学目的与要求 : (1) 掌握生物氧化的概念和特点 (2) 会计算一个氧化还原反应的标准自由能变化并能判断反应发生的方向 (3) 掌握几种重要的高能化合物, 了解 ATP 在能量转换中的作用 (4) 掌握呼吸链的定义 种类 位置和功能 (5) 了解呼吸链的主要成分及其功能 (6) 了解几种常见的呼吸链抑制剂及其作用位点 (7) 了解氧化磷酸化的机制及与底物水平磷酸化的区别教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 生物氧化概念, 生物氧化特点, 电子传递链的类型 组成和功能, 氧化磷酸化, 解偶联机制 教学难点 : 两条呼吸链的组成 各组成成分的功能, 氧化磷酸化 ( 化学渗透学说的理解 ) 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 生物氧化概述 2 学时 (2) 电子传递链 2 学时 (3) 氧化磷酸化 2 学时 重要中 外文词汇 : 生物氧化 (biological oxidation), 电子传递链 (electron transfer chain,etc), 黄素蛋白 (flavoprotein), 铁硫蛋白 (iron-sulfur protein), 细胞色素 (cytochrome), 泛醌 (ubiquinone), 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation), 化学渗透学说 (chemiosmotic hypothesis), 解偶联剂 (uncoupler), 能荷 (energy charge) 思考题 : 1 什么是生物氧化, 生物氧化中的 CO2,H2O 和能量是怎样产生的? 2 说明呼吸链中形成 ATP 的可能部位及抑制部位和抑制剂 3 什么是氧化磷酸化, 氧化磷酸化中 ATP 是如何产生的? 试述其作用机制 4 外源 NADH 是如何进入线粒体参加电子传递的? 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

82 第六章生物氧化与氧化磷酸化 第一节生物氧化概述 一切生命活动都需要能量, 维持生命活动的能量主要有两个来源 : 光能 ( 太阳能 ): 绿色植物和光合细菌等自养生物通过光合作用将光能有机物中稳定的化学能 化学能 : 动物和某些微生物等异养生物或光合组织通过生物氧化作用将有机物质氧化分解, 使储存的稳定的化学能转变成 ATP 中活跃的化学能,ATP 直接用于需要能量的各种生命活动 一 生物氧化概念 ( 一 ) 生物氧化的定义生物细胞将有机化合物 ( 糖 脂 蛋白质等 ) 氧化分解, 最终生成 CO2 和水并释放出能量的过程称为生物氧化 (biological oxidation) 生物氧化又称为细胞氧化或细胞呼吸 ( 二 ) 生物氧化的特点生物氧化发生在细胞内的氧化还原反应, 因而具有氧化还原反应的共同特征 共同点 : 1. 化学本质相同, 都是得失电子的反应, 如脱氧 加氢 传出电子等 2. 物质被氧化时总伴随着能量的释放, 并且总值相等 不同点 : 1. 生物氧化是酶促反应, 反应条件温和 ; 而体外燃烧则是剧烈的游离基反应, 需要在高温高压及干燥的条件下进行 2. 生物氧化是在一系列酶 辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的 3. 氧化反应分阶段进行, 能量逐步释放 ; 体外燃烧能量是爆发式释放出来的 4. 生物氧化释放的能量有相当多的转换成 ATP 中活跃的化学能, 用于各种生命活动 ; 体外燃烧产生的能量则转换成光和热, 散发在环境中 ( 三 ) 生物氧化中 CO2 和 H2O 的生成 1 CO2 的生成直接脱羧 : 丙酮酸脱羧酶, 酪氨酸脱羧酶氧化脱羧 : 丙酮酸脱氢酶复合物 2 H2O 的生成代谢底物脱下的氢和氧结合而成 主要是在包括脱氢酶 传递体和氧化酶组成的生物氧化体系催化下生成的 二 生物化学反应的自由能 ( 一 ) 自由能一切生命活动都需要能量, 而生物体在生命活动过程中所需的能量都来自体内生物化学反应释放的自由能 自由能 (freew energy): 在恒温恒压下, 生物体用来对环境做功的那部分能量 用符号 G 表示, 单位为 kj/mol Gibbs 在热力学第一定律和第二定律的基础上, 推出了在恒温恒压下体系自由能的公式 : G= H-T S( 式中 G 表示体内自由能的变化, H 表示总体系焓

83 变 总热能变化, S 表示总体熵变化 ) 可以用自由能的变化 G 判断一个在恒温恒压下进行的化学反应的方向 : G<0 时, 体系未达到平衡, 反应可自发正向进行 G>0 时, 体系未达到平衡, 必须提供能量反应才能正向进行 G=0 时, 反应处于平衡状态 ( 二 ) 标准自由能变化在 MP ph=0; 反应物浓度为 1mol/L 时, 反应体系自由能变化称为标准自由能变化, 用 G 表示 ; 因为生物体内的 ph 接近 7, 所以在 ph=7 和上述条件下, 标准自由能变化用 G 表示 G =-2.303RTlgk 如果已知一个生物反应的平衡常数, 就用上式计算其标准自由能变化, 自由 G= G RTlgB/A 计算出 G, 经而判断该反应能否自发进行 ( 三 ) 氧化还原电位在氧化还原反应中, 自由能变化与反应物提供电子或得到电子的趋势成比例 这种趋势用数字来表示, 称为氧化还原电位 用 E 表示 在 25 ph=0, 压力为 0.1MP 和所有反应物 产物浓度为 1mol/L 的半反应的电极电位能为标准氧化还原电位用 E 表示, E = 标准氧化电极电位 - 标准还原电极电位 E 越小, 电负性越大, 供出电子的倾向越大, 即还原能力越强 E 越大, 电正性越大, 得到电子的倾向越大, 即氧化能力越强因而电子总是较低的 E 向较高的 E 流动 ( 四 ) 氧化还原电位与自由能的关系标准自由能变化 G 与标准氧化还原电位变化 E 之间存在下列关系 : G =-nf E 式中 :n 为转移电子数,F 为法拉第常数 (96.403KJ/Vmol) 根据上面公式即可根据 E 计算出 G 三 高能磷酸化合物 ( 一 ) 概念 : 1. 高能化合物在标准条件下发生水解时, 可释放出大量自由能的化合物 2. 高能磷酸化合物分子中含磷酸基团, 他被水解时释放出大量的自由能, 这类高能化合物 3. 高能键在高能化合物分子中, 被水解断裂时释放出大量自由能的活波共价键 用 表示 ( 二 ) 高能化合物的类型根据分子结构和高能键的特征, 高能化合物可分为以下几种 1.(O P) 型 (1) 焦磷酸化合物 : 如 ATP (2) 酰基磷酸化合物 : 如 1,3- 二磷酸甘油酸 (3) 烯醇式磷酸化合物 : 如磷酸烯醇式丙酮酸 2.(N P) (4) 胍基磷酸化合物 : 磷酸肌酸 3.(C S) 型 (5) 硫酸化合物 : 如乙酰辅酶

84 (6) 甲硫键化合物 : 如 S- 腺苷甲硫氨酸 ( 三 ) 最重要的高能磷酸化合物 ATP 在能量转换中的作用 1.ATP 为生物体内的 能量货币, 它是生命活动最重要的能量供应体 原因 :(1) 与结构特点有关 : 他的两个磷酸酐键很不稳定, 水解时放出大量的自由能 (2) 是生物细胞内能量代谢的偶联剂 生物细胞放能和吸能反应往往要通过 ADP 和 ATP 的相互转变而偶联起来 2.ATP 作为磷酸基团能够反应的中间载体磷酸基团转移势能 : 反映磷酸化合物中磷酸基团释放的势力学趋势, 在数值上等于其水解反应的 - G 在磷酸基团转移反应中, 磷酸基团从转移势能高的供体转移到势能较低的受体分子 ATP 的磷酸基团转移势能处于中间位置, 所以它充当磷酸基团转移反应的中间载体 见图 : 在生物体内 ATP 处于不断消耗和不断补充的动态平衡之中 在一般组织中,ADP 消耗过程的加速必然导致 ATP 合成的加速 但在动物肌肉 脑和神经等易兴奋的组织中, 当发生快速反应时对高能磷酸化合物的立即需要大于 ATP 的合成能力 为了维持这些组织的快速反应和 ATP 的动态平衡, 有一种便于利用的高能磷酸贮能物质

85 这种以高能磷酸形式贮能的物质统称为磷酸原, 包括磷酸肌酸 磷酸精氨酸等 磷酸肌酸存在于肌肉 脑和神经组织中, 它可与 ATP 相互转化 线粒体的结构 : 第二节 ( 呼吸链 ) 电子传递链 线粒体在结构上的突出特征是有两层膜 : 外膜平滑, 透性高, 仅有少量酶结合其上内膜形成许多向内折叠的嵴, 嵴上有一层球形颗粒 内膜是能量转换的重要部位, 电子传递链和氧化磷酸化有关的组织都存在于此 线粒体的内膜充满版流动的基质, 其中包含有大量的酶类以及线粒体 DNA 和线粒体 这些酶类包括三羧酸循环酶类 脂肪酸氧化酶类 氨基酸分解代谢酶类 一 电子传递链的概念 : 电子传递链是一系列电子载体对电子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统, 所有组成成分都嵌合于线粒体内膜 二 电子传递链的组成 1. 黄素蛋白黄素蛋白是指以黄素核苷酸为辅基的酶 分别以 FAD 和 FMN 作为辅基 黄素蛋白分布在线粒体的内膜上, 是一个双电子传递体 氧化性黄素蛋白从 NADH 接受两个电子和一个质子 或从底物接受两个电子和两个原子而还原 2. 铁硫蛋白铁硫蛋白是含铁硫络合物的蛋白质, 又称外血红素铁蛋白 该络合物中是铁硫一般以等摩尔存在, 通常构成铁硫中心 Fe2S2 和 Fe4S4, 常用 Fe-S 表示 铁硫中心通过 Fe 与半胱氨酸残基连接 铁硫中心只有一个 Fe 起氧化还原反应, 在氧化型和还原型之间转变 铁流蛋白在呼吸链中不传递氢, 作为单电子传递体 呼吸链中的铁硫蛋白通常与其他的电子传递体的蛋白质结合成复合物, 从而具有不同的氧化还原电位, 在呼吸链的不同部位传递电子 3. 细胞色素 (cytochrome) 细胞色素是以铁吥啉为辅机的蛋白质, 因为有颜色, 又广泛存在于生物细胞中, 故称为细胞色素 细胞色素通过辅机中的铁离子价的可逆变化进行电子传递 它在呼吸链中作为单电子传递体 根据还原型细胞色素的吸收光谱的吸收峰位置不同, 将细胞色素分为 a b c 三

86 类, 每一类又有不同的亚基 高等动物线粒体电子传递链中至少有 5 种细胞色素 :b c1 c a a3 三 电子传递链组分在线粒体内膜上的分布 电子传递链的各个部分都分布在线粒体内膜上, 而且在膜上有着特定的不对称分布 有一些组分常结合在一起, 形成复合物嵌在膜内 有 4 个复合物 : 1. 复合物 Ⅰ(NADH 脱氢酶 ) 相对分子质量约 , 含有 25 种不同的蛋白质, 包括以 FMN 为辅机的黄素蛋白和多种铁硫蛋白 高分辨率电镜下, 复合物 Ⅰ 呈 L 形, 其中 L 的一个臂位于膜中, 另一个臂伸展到基质中 催化电子从 NADH 到泛醌 : 即催化一个氢离子从 NADH-FMN-2Fe-S-UQ, 形成 UQH2. 每对电子的传递也驱使 4 个质子从基质中泵到膜间质 2. 复合物 Ⅱ( 琥珀酸脱氢酶 ) 相对分子质量约 , 含有 4-5 种不同的蛋白质, 包括以 FAD 为辅机的黄素蛋白和铁流蛋白 催化电子从琥珀酸 --FAD--2Fe-S UQ, 形成 UQA2 3. 复合物 Ⅲ( 细胞色素 bc1 复合体 ) 相对分子质量约 , 含有 9-10 种不同的蛋白质, 包括细胞色素 b c1 和铁硫蛋白 催化电子从还原型泛醌到细胞色素 c. 电子和质子的传递过程经过 Q 循环进行的 :Q 循环由两个半循环组成 : 第一个半循环中, 在内膜的 P 侧 1 个 UQH2 上的 2 个电子 兵分两路 : 1 个电子经 Fe-S-Cy+/-c1 cy+/-c, 同时将两个质子释放到膜间隙 ; 另一个电子经 Cy+/-bc-- Cy+/-Bh-uq UQ- 第二个循环中, 4. 复合物 IV( 细胞色素氧化酶 ) 相对分子质量均为 ~170000, 至少含有 13 种不同的蛋白质, 包括细胞色素 aa3 和含铜蛋白 催化电子从还原细胞色素 C~CuA 种 a~cyta~cyta3(fe)~cub 中 c~ 分子氧, 与此同时, 另外四个质子从基质中泵出到膜间隙 四 电子传递链的排列顺序 呼吸链中的电子传递链有着严格的方向和顺序, 即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子 这些成员不可缺少, 其顺序不可颠倒 两条呼吸链 :NADH 呼吸链 :Ⅰ Ⅲ Ⅳ FADH2 呼吸链 :Ⅱ Ⅲ Ⅳ

87 UQH2 作为一种可移动的电子和质子载体, 将电子从复合物 Ⅰ 或复合物 Ⅱ 传递给复合物 Ⅲ, 复合物 Ⅲ 再将电子传递给另一种可移动的连接分子 Cytc 然后复合物 Ⅳ 将电子从还原型细胞色素 c 传递到氧分子 电子流经复合物 Ⅰ Ⅲ 和 Ⅳ 的时候还伴随着从基质到膜间质的质子流动 五 呼吸链的电子传递抑制剂 能够阻断呼吸链中某一特定部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂 常见的呼吸链的电子传递抑制剂及其作用部位 : 1. 鱼藤酮是一种极青的植物色素, 常用作杀虫剂 它能抑制复合物 Ⅰ 阻断电子从 NADH 向 UQ 的传递 与鱼藤酮作用位点相同的抑制剂还有安密妥和杀粉蝶菌素 A 2. 抗霉素 A 是一种抗菌素, 抑制复合物 Ⅲ 的电子传递 3. 氰化物 叠氮化物 一氧化碳和硫化氢他们都含有孤对电子, 抑制复合物 Ⅳ, 阻断电子从 Cytaa3 到 O2 的电子传递 第三节氧化磷酸化 糖 脂肪和蛋白质是大多数生物赖以生存的主要能源物质, 这些物质在生物氧化过程中会释放出大量的自由能, 这些自由能会使 ADP 磷酸化为 ATP 府物水平磷酸化 : 通过底物氧化形成的高能磷酸化合物直接将磷酸集团转移给 ADP, 使之形成 ATP 氧化磷酸化 : 电子从 NADH 或 FADH2 经电子传递链转移到分子氧形成水, 同时偶联 ADP 磷酸化生成 ATP 氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体, 它是需氧生物合成 ATP 的主要途径 在光合作用过程中也能形成 ATP, 这种 ADP 的磷酸化方式叫光和磷酸化 使 ADP 磷酸化为 ATP 的能量是光能 一 电子传递过程的能量变化 通过计算可以看出电子从 NADH 传递到 O2 是放能反应, 合成 ATP 的反应是吸能反应 如何将上述的放能反应与 ATP 合成的吸能反应偶连起来? 氧化磷酸化的机理

88 二 氧化磷酸化的机理 呼吸链中的电子传递链是如何推动 ADP 磷酸化形成 ATP 的? 目前比较著名的假设有三个 : 化学偶联假说构想偶联假说化学渗透假说其中得到公认的是化学渗透假说 < 一 > 化学渗透学说化学渗透学说是 1961 年由英国生化学家 P.Mitchelltichude 提出的, 并因此于 1978 年获诺贝尔化学奖 1 呼吸链中的电子传递体在线粒体内膜上有着特定的不对称分布, 传氢体和电子传递体交替排列的, 催化反应是定向 ; 2 在电子传递过程中, 复合物 Ⅰ Ⅲ Ⅳ 中的传氢体起质子泵的作用, 将 H + 从基质泵向内膜外侧, 而将电子传给其后的电子传递体 ; 3 内膜对质子不具有通透性, 泵到内膜外侧的 H+ 不能自由返回, 这样在内膜两侧形成质子浓度梯度, 这就是推动 ATP 合成的原动力 ; 4 当存在足够高的跨膜质子电化学梯度时, 强大的质子流通过 F1~F0~ATPase 进入基质时, 释放的自由能推动 ATP 合成 < 二 >F1~F0~ATPase 复合物是由两个主要部位分 F1 和 F0 组成, 如图所示 1 F1 是她的球形头部, 深入线粒体基质, 由五种亚基组成, 是 ATP 合成酶的催化部分 2 F0 横贯线粒体内膜, 含有之子通道, 由十多种亚基组成 F0 中的 O 代表对寡霉素敏感, 寡霉素是一种抗生素, 它可结合在通道中, 防止质子的进入, 因此可抑制 ATP 的合成 < 三 >ATP 合酶的旋转催化模型是由美国人 Paul Boyer 提出的, 后又经 John Walker 研究证实 为此二人获得 1997 年诺贝尔化学奖 旋转催化 模型认为,ATP 合酶的头部构成 3 个催化部位 在任一给定时间, 每一部位处于不同的构象

89 一个处于 β ATP 构象 ( 与 ATP 紧密结合,T) 一个处于 β ADP 构象 ( 与 ADP 松散集合,L) 一个处于 β 空缺 ( 无核苷酸结合,O) 当质子推动力驱使 H+ 经 Fo 质子通道进入时, 引起中轴 r 亚基旋转, 大约每旋转 120 度,r 亚基就会与一个不同的 β 亚基相接触 结果, 使处于 T 态 ( β ATP 构象 ) 的催化部位释放 ATP 变为 O 态 ( β 空缺 ), 同时 L 态 ( β ADP) 催化部位上生成 ATP 变为 T 态 ( β-atp),o 态 (β 空缺 ) 结合 ADP+Pi 变为 L 态 ( β ATP) 四 测定 P/O 比从上面分子可以知道, 质子流是推动 ATP 合成的原动力, 那么由转移的质子数可以计算出 NADH2 经呼吸链所产生的 ATP 经实验测定, 合成一分子 ATP 大约需要 3 个 H 经 ATP 合酶进入基质, 所以 NADH 的氧化可产生约 3 个 ATP, 而琥珀酸的氧化可产生约 2 个 ATPA 换句话说, 每消耗一个氧原子可以合成 3 个或 2 个 ATP, 常用 P/O 比来表示磷酸的 ADP 分子数与还原的氧原子数之比 NADH 氧化的 P/O=3, 而 FADH2 氧化的 P/O=2 五 腺苷酸的转运细胞内的 ATP 是需在线粒体内由 ADP 磷酸化而生成, 大部分 ATP 是在线粒体外被利用后又转变为 ADP 由于 ADP 和 ATP 都不能自由地穿过线粒体内膜, 所以必须有一种机制能将线粒体外的 ADP 运入, 同时把线粒体内的 ATP 运出 实验已经证明, 在线粒体内膜上有一种腺苷酸载体负责双向转运 这是一种有高度选择性的传递蛋白, 以聚体的形成嵌入内膜, 在跨膜电位 ( 外正, 内负 ) 的推动下, 把 ADP 运入基质, 同时把 ATP 运到膜外侧 见片 三 氧化磷酸化的解偶联和抑制 一般正常情况下, 电子传递和磷酸化是紧密结合的 但为了证明氧化磷酸化的中间步骤, 用特殊的试剂将氧化磷酸化过程分解成单个的反应 根据这些试剂的作用方式, 把它们分为 3 类 : 1. 解偶联剂作用是使电子传递和 ADP 磷酸化两个过程分离, 它只抑制 ATP 形成过程, 而不抑制电子传递过程 常见的解偶联剂有 :2,4 二硝机基苯酚 (DNP) 在酸性环境中,DNP 变为脂溶性的外解离形式, 可以结合质子跨过线粒体内膜进入基质, 破坏了电子传递产生的质子电化学梯度, 使得驱动 ATP 合成的动力消失, 抑制 ATP 的形成

90 2. 氧化磷酸化抑制剂这类试剂既抑制氧化吸收利用, 又抑制 ATP 的形成 常见的氧化磷酸化抑制剂有 : 寡霉素, 作用于 ATP 合酶的 Fo 部分, 防止质子的进入, 从而抑制 ATP 的合成 3. 离子载体抑制剂这是一类脂溶性物质, 它们能插入线粒体内膜的脂质双分子层, 能与 H+ 以外的其他一价阳离子结合, 并作为它们的载体使它们能够穿过膜, 从而破坏了膜两侧的电位梯度, 最终破坏了氧化磷酸化过程 如缬氨霉素结合 K+, 短杆菌肽可结合 K+ Na+ 等 四 线粒体穿棱系统 生物氧化和氧化磷酸化是需在线粒体内进行,NAD+ 或 NADH 却不能自由透过线粒体内膜, 因此在细胞液中生成的 NADH( 如糖酵解产生的 NADH) 必须通过特殊的穿棱机制进入线粒体 动物细胞内存在着两个穿棱系统 :1 甘油 3 磷酸穿棱系统 2 苹果酸穿棱系统 1 甘油 3 磷酸穿棱系统主要存在于肌细胞中, 特别是昆虫飞行肌中这一穿棱系统占优势, 能维持很高速度的氧化磷酸化 甘油 3 磷酸穿棱系统涉及两个酶, 一个是细胞液中的甘油 3 磷酸脱氢酶, 以 NAD+ 为辅酶 另一个是与内膜结合的甘油 3 磷酸脱氢酶, 以 FAD 为辅基 在细胞液中的甘油 3 磷酸脱氢酶催化下,NADH 使磷酸二羟丙酮还原生成甘油 3 磷酸, 甘油 3 磷酸扩散至线粒体外膜与内膜之间, 然后再内膜结合的甘油 3 磷酸脱氢酶的催化下, 转换回磷酸二羟丙酮, 将脱下的 H 转移到内膜中的 FAD 上生成 FADH2 经过电子传递链进行氧化 P/O 比为 2. 由此可看出, 细胞液中的 NADH 通过这一途径转换后产生的 ATP 为 2, 比线粒体内 NADH 氧化的能量 (3ATP) 少 2 苹果酸穿棱系统主要存在于肝细胞中, 特别是在哺乳动物的肝细胞中存在着活跃的这一系统

91 苹果酸穿棱系统涉及两种苹果酸脱氢酶 ( 一个在细胞液中, 一个在线粒体基质中 ) 两种谷草转氨酶 ( 一个在细胞液中, 一个在线粒体基质中 ) 和一系列专一的透性酶 首先, 在细胞液苹果酸脱氢酶催化下,NADH 将草酰乙酸还原成苹果酸, 然后经苹果酸 - - 酮戊二酸载体进入线粒体基质中, 在线粒体基质苹果酸脱氢酶催化下, 苹果酸重新氧化为草酰乙酸, 同时线粒体内的 NAD+ 还原为 NADH, 经电子传递链进行氧化 P/O 比为 3. 生成的草酰乙酸必须被运回细胞液中, 所以在基质谷草转氨酶催化下, 草酰乙酸与谷氨酸反应生成天冬氨酸和 酮戊二酸, 天冬氨酸和 酮戊二酸经两种不同的载体转运至细胞液中, 再由细胞液谷草转氨酶催化下, 生成草酰乙酸和谷氨酸 谷氨酸又重新进入线粒体, 而草酰乙酸又参与下一轮穿棱运输 五 能荷 生物体不断合成 ATP, 也不断消耗利用 ATP 在细胞中存在着三种腺苷酸, 即 ATP ADP 和 AMP, 它们在某一时间的相对数量控制着细胞的代谢活动 为了从量上表示细胞内 ATP ADP AMP 的存在状况,Atkinson(1968) 提出了能荷的概念 能荷是指在总的腺苷酸系统中 ( 即 ATP ADP 和 AMP 浓度之和 ) 所负荷的离能磷酸基数量 用下式表示 : 能荷 =[ATP]+0.5[ADP]/[ATP]+[ADP]+[AMP] 能荷的大小决定于 ATP 和 ADP 的多少 当细胞内全部腺苷酸均以 ATP 形式存在时, 能荷最大值为 1; 则全以 ADP 存在时能荷为 0.5; 以 AMP 存在时能荷为 0 在某些条件下, 能荷值可以作为细胞产能和需能代谢过程向别构调节的信号 即能荷的大小决定 ATP 和 ADP 的多少 当细胞内全部腺苷酸均以 ATP 形成存在时, 能荷最大, 能荷值为 1.0; 全以 AMP 存在时, 能荷值为 0; 全以 ADP 形式存在时, 能荷值为 0.5; 三者并存

92 时, 能荷随三者含量的比例而变化 范围为 1.0~0. 大多数细胞的稳态能荷状态在 0.8~0.95 之间 ATP 生成和消耗的途径与细胞内的能荷状态相呼应 : 高能荷时,ATP 生成过程被抑制, 而 ATP 得利用过程被激发 ; 低能荷时, 其效应相反 所以说, 能荷对代谢起着重要的调控作用 第四节其他末端氧化酶系统 前面我们介绍的是线粒体氧化系统, 即通过线粒体细胞系统进行氧化的体系, 是一切动物 植物 微生物的主要氧化途径, 它与 ATP 的生成紧密相关 除此之外, 生物体内还存在外线粒体氧化系统, 其特点是从底物脱氢到 H2O 的生产时经过其他末端氧化酶完成的, 与 ATP 的生产无关, 但各自具有重要的生理功能 一 多酚氢化酶系统 存在于微粒体中, 是含 Cu 的末端氧化酶 由脱氢酶 醌还原酶 酚氧化酶组成 催化多酚类 ( 对苯二酚 邻苯二酚 邻苯三酚 ) 的氧化, 作用如下 : 在植物体内普遍存在 二 抗坏血酸氧化酶系统 是一种含铜的氧化酶, 广泛存在于植物中 在又氧的条件下, 催化抗坏血酸的氧化, 反应如下 : 抗坏血酸 +1/2O2 脱氢抗坏血酸 +H2O 抗环血酸氧化酶系统, 可以防止含硫的氧化, 延缓衰老进程 三 黄素蛋白氧化酶系统 存在于微粒体中, 其催化特点是不需要经过细胞色素等传递体, 将脱下的氢直接交给 O2 生成 H2O2. 四 超氧化物歧化酶系统 清除细胞内的活性氧 活性氧是细胞内产生的会对蛋白质 膜质等生物大分子进行攻击, 严重时会导致代谢紊乱和疾病 是由超氧化物歧化酶 (SOD) 和过氧化氢酶 (CAT) 组成 超氧化物歧化酶有三种形式 :Cu Zn-SOD( 存在于高等植物的叶绿体和细胞质中 ) Mn-SOD( 真核生物线粒体中 )Fe-SOD( 细菌中 ), 它们在清除活性氧时生成 H2O2. 而 H2O2 由过氧化氢酶催化形成 H2O 和 O2. 五 植物抗氰氢化酶系统 是一种非血红素铁蛋白, 它不受氰化物的抑制 抗氰呼吸途径的电子传递是在正常呼吸链中, 电子从 Cytb 分出来, 通过抗氰氢化酶直接传递到氢

93 课程单元题目 教案首页 第七章糖的生物合成 本单元学时 4 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 11 月 教学目的与要求 : (1) 了解高等植物体内发生的光合作用, (2) 区分两大光系统 (PSⅠ 和 PSⅡ) 的结构和功能 (3) 了解卡尔文循环的三个阶段的反应 (4) 区分光合磷酸化和氧化磷酸化 (5) 掌握糖异生的定义和糖异生的意义 (6) 掌握与糖酵解和糖异生的交互调控机制 (7) 能区分甘油磷酸穿梭系统和苹果酸 - 天冬氨酸穿梭系统教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 光合作用能量转换, 光合碳途径 ( 卡尔文循环 ), 糖异生作用, 植物中蔗糖和淀粉的合成 教学难点 : 光合作用能量, 同化力的产生, 光合碳途径, 糖异生途径, 糖酵解和糖异生的交互调控 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 光合作用 2 学时 (2) 糖异生作用 1 学时 (3) 蔗糖和多糖的生物合成 0.5 学时 (4) 植物糖代谢的调节 0.5 学时 重要中 外文词汇 : 光合作用 ( photosynthensis ), 光系统 Ⅰ ( photosystem PS Ⅰ ), 光系统 Ⅱ (photosystem PSⅡ), 光合电子传递链 ( photosynthetic chain), 光合磷酸化 ( photosynthetic phosphorylation ), 卡尔文循环 ( Calvin cycle ), 糖异生 (gluconeogenesis) 思考题 : 1 光合磷酸化有几个类型? 其电子传递有什么特点? 2 说明 Calvin 用以揭示 C3 途径的技术方法和相关实验 3 请简要解释为什么摄入 Asp 可解除乙醇对糖异生的强烈抑制 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

94 第七章糖的生物合成 高等植物葡萄糖的合成可有多个途径 : 光合作用中的卡尔文循环 (Calvin cycle) 蔗糖 淀粉的降解糖异生作用动物体内葡萄糖的合成途径 : 糖元的降解糖异生作用 第一节光合作用 第二节糖异生作用 一 糖异生作用的概念糖异生作用是由非糖物质 ( 如丙酮酸 草酰乙酸 乳酸等 ) 转变成 (gluconeogenesis) 葡萄糖的过程 二 糖异生的途径糖异生途径的大部分反应与糖酵解的逆反应相同, 但有两方面不同 : 1 克服糖酵解的三步不可逆反应 2 糖酵解在细胞液中进行, 糖异生则分别在线粒体和细胞液中进行

95 1 丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸通过两步反应 : 1 丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化成草酰乙酸丙酮酸羧化酶是一个生物素蛋白, 需要乙酰 CoA 和 Mg2+ 激活 该酶定位于线粒体上, 丙酮酸需经运载系统进入线粒体后才能羧化成草酰乙酸 2 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化草酰乙酸形成 PEP 2 1,6- 二磷酸果糖转化成 6- 磷酸果糖此反应由二磷酸果糖酯酶催化 : 该酶是变构酶, 受 AMP 1,6- 二磷酸果糖变构抑制, 但受 ATP 柠檬酸变构激活 3 6- 磷酸葡萄糖转化成葡萄糖此反应由 6- 磷酸葡萄糖酯酶催化 : 三 糖异生作用的意义 1 动物的糖异生作用在肝脏中进行, 在缺氧条件下将生成的乳酸清除并加以利用 2 植物的糖异生作用主要发生在油料作物种子萌发时, 利用脂肪酸通过乙醛酸循环异声成糖, 转变为能量 一 糖核苷酸的作用及形成 第三节蔗糖和多糖的生物合成 1 定义 : 葡萄糖和核苷通过磷酸二酯键结合的化合物称为糖核苷酸, 如 UDPG 2 种类 : 目前发现的糖核苷酸主要有 UDPG ADPG GDPG 3 作用 : 糖核苷酸是高等动植物体内合成双键和多糖时, 葡萄糖的活化形式与供体 4 形成 : 二 蔗糖的生物合成 蔗糖的合成有两条途径 : 1 蔗糖合成酶 : 利用 UDPG 作为葡萄糖供体与果糖合成蔗糖 : 该酶也可以利用 ADPG GDPG 等作为葡萄糖供体 在发育的谷类籽粒 ( 外光合组织 ) 中主要起蔗糖的分解作用 2 磷酸蔗糖合成酶 : 使 UDPG 的葡萄糖转移到 6- 磷酸果糖上, 形成磷酸蔗糖 该酶在植物的光合组织中活性很高, 是植物合成蔗糖的主要途径 三 淀粉的生物合成 光合作用旺盛时, 叶绿体可直接合成和累积淀粉 ; 外光合组织也可利用葡萄糖合成或通过蔗糖转化成淀粉 < 一 > 直链淀粉的合成通过三种酶进行 : 1 淀粉磷酸化酶引物是作葡萄糖的受体, 它是含 α-1,4 糖苷键的葡萄多糖, 最小为麦芽三糖 转移来的葡萄糖分子结合在引物外还原末端 C4 的羟基上 该酶的作用主要是催化淀粉的分解 ( 植物细胞中无机磷浓度较高 )

96 2 D- 酶 D- 酶是一种糖苷转移酶, 作用于 α-1,4 糖苷键, 用来合成引物 3 淀粉合成酶主要以 ADPG 作为葡萄糖基供体 也可用 UDPG 作供体, 但合成速度较慢 < 二 > 支链淀粉的合成先在淀粉合成酶作用下合成直链淀粉, 再在 Q 酶作用下从直链淀粉的外还原端切下一个小寡聚糖片段 (6~7 个 ), 并以 α-1,6 糖苷键连接到另一直链淀粉的外末端残基上 四 糖原的合成 动物肌肉和肝脏中的糖原的合成与植物淀粉合成的机制相似, 但酶类不同, 动物体内含有糖原合成酶, 葡萄糖供体是 UDPG 进入肝脏的葡萄糖在葡萄糖激酶作用下生成 6- 磷酸葡萄糖, 再转变成 1- 磷酸葡萄糖,1-; 磷酸葡萄糖与 UTP 反应生成 UDP-G, 在糖原合成酶作用下,UDP 的葡萄糖基转移给糖原引物生成糖原

97 课程单元题目 教案首页 第八章脂类代谢 本单元学时 6 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 11 月 教学目的与要求 : (1) 了解脂肪在消化道内水解和吸收的特殊性 (2) 了解脂肪酸的三种氧化方式, 掌握脂肪酸的 β- 氧化过程 (3) 掌握什么是酮体, 了解酮体产生的机制和功能 (4) 掌握脂肪酸氧化和合成的异同 (5) 了解磷脂合成的从头途径和补救途径 (6) 掌握胆固醇生物合成的限速步骤及其调控机制教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 脂肪酸的 β- 氧化和从头合成, 什么是酮体和酮体的产生, 乙醛酸循环教学难点 : 脂肪酸链的延长和去饱和, 脂肪酸合酶的作用机制, 脂肪酸合成的调节 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 脂肪的分解代谢 2 学时 (2) 脂肪的合成代谢 1.5 学时 (3) 类脂的代谢 0.5 学时 重要中 外文词汇 : 脂肪酶 (lipase),β- 氧化作用 (β-oxidation), 酮体 (ketone bodies), 乙醛酸循环 ( glyoxylate cycle), 脂肪酸合酶系统 (fatty acid synthase system,fas), 脂酰基载体蛋白 (acyl carrier orotein,acp), 磷脂酶 (phospholipase) 思考题 : 1 脂肪酸的氧化分解有哪些途径? 最主要的途径是什么, 叙述它的反应历程? 2 什么是乙醛酸循环? 它有何特点和生物学意义? 3 脂肪酸的生物合成需要哪些原料? 它们从何而来? 4 列表比较脂肪酸的 β- 氧化与从头合成 参考引用文献 : 1 罗伯特 维弗. 分子生物学. 第 2 版. 刘进元, 李骥, 赵广荣等译. 北京 : 清华大学出版社, 朱玉贤, 李毅, 郑晓峰. 现代分子生物学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

98 第八章脂类代谢 第一节脂肪的分解代谢 脂肪也叫三酰甘油, 是生物体中重要的贮能供能物质, 它将能量和各种代谢中间物提供给各种生命活动 这都要通过脂肪的分解代谢来实现 一 脂肪的消化和吸收 1 脂肪的消化食物中的脂肪进入小肠后, 经胆囊喷入小肠的胆汁乳化, 在脂肪酶的催化下, 逐步水解脂肪的三个酯键, 最后生成甘油和脂肪酸, 水解步骤如下 : 2 脂肪的吸收水解产物脂肪酸和甘油被小肠粘膜吸收后, 又重新生成三酰甘油, 并被包装成乳糜微粒, 乳糜微粒经淋巴系统进步血液, 随血液释放到外间组织后, 附着这骨骼和脂肪组织的主血内壁, 分解为脂肪酸和甘油, 脂肪酸或被作为燃料氧化或重新酯化用于贮存 二 甘油的代谢 甘油在甘油激酶的催化下, 生成了 3- 磷酸甘油, 然后脱氢生成磷酸二羟丙酮 反应式如下 : 磷酸二羟丙酮为酵解的中间产物既可以继续氧化, 经丙酮酸进入三羧酸循环彻底氧化成 CO2 和 H2O 又可以经异生作用, 合成葡萄糖, 乃至合成多糖所以磷酸二羟丙酮的联系粒代谢和脂代谢的中间物

99 三 脂肪酸的氧化 脂肪酸分为两大类 烃链不含双键和三键的为饱和脂肪酸只含单个双键为单不饱和脂肪酸含一个或多个双键的为不饱和脂肪酸含两个或两个以上多不饱和脂肪酸对于饱和脂肪酸的氧化分解有三条途径 β- 氧化作用 α- 氧化作用 ω- 氧化作用 其中 β- 氧化作用是最重要的 < 一 > 脂肪酸的 β- 氧化作用概念 : 脂肪酸在体内氧化时, 在羟基端的 β- 碳原子上进行氧化, 碳链逐次断裂, 每次断下二碳单位 乙酰 CoA, 该过程称为脂肪酸的 β- 氧化作用 作用的部位 : 在线粒体的基质中进行 ; 油料作物种子萌发时, 是在乙醛酸循环体 ( 简称乙醛酸体 ) 脂肪酸在进行 β- 氧化作用之前需要进行氧化, 并且转运到氧化作用的部位 1 脂肪酸的活化脂肪酸的活化是在酯酰 CoA 合成酶的催化下, 脂肪酸转变成酯酰 COA 的过程, 反应如下 : 脂肪酸的活化需要 ATP 的参与 每活化 1 分子脂肪酸需要 1 分子 ATP 转化为 AMP, 即要消耗 2 个高能磷酸键 这可以折算成需要 2 分子 ATP 水解成 ADP 在体内, 焦磷酸很快被磷酸酶水解, 此反应不可逆 2 脂肪酸的转运脂肪酸的 β- 氧化作用通常在线粒体的基质中进行, 而酯酰 COA 在细胞液中形成, 而且不能透过线粒体内膜, 需要靠内膜上的载体的携带, 以酯酰基的形成跨

100 山西大同大学生命科学学院 越内膜而进入基质 其中 的肉碱酯酰转移酶Ⅰ和Ⅱ是一组同工酶 酶Ⅰ在线粒体内膜外侧 催化酯酰 COA 的酯酰基转移给肉碱 生成酯酰肉碱 酯Ⅱ在线粒体内膜内测 将运入的酯酰肉碱上的酯酰基转移至 COA 3 β-氧化作用的历程 酯酰 COA 进入线粒体后 经历多次β-氧化作用 逐步降解成多个二碳单位 乙酰 COA 每次β-氧化作用包含四个步骤 ⑴脱氢 在脂酰 CoA 脱氧酶催化下 脂酰 CoA 在α β 位碳原子上脱氧 形成反式双键的脂酰 CoA 2 ⑵水化 酯烯脂酰 CoA 水化酶催化下 反式- -烯脂酰 CoA 在双键上就加上一 分子水 形成 - + β-羟脂酰 COA ⑶脱氢 在β-羟脂酰 CoA 脱氢酶的催化下 L- + -β-羟脂酶 CoA 的β-酮脂 酰 CoA ⑷硫解 在β-酮脂酰 CoA 硫解酶 简称硫解酶 催化下,β-酮酯酰 CoA 在α β位之间被 1 分子 CoA 硫解 总反应式

101 对于长链脂肪酸, 需要经过多次 β 氧化作用, 每次降解下一个二碳单位直至成为二碳 ( 当脂肪酸含偶数碳时 ) 或三碳 ( 当脂肪酸含奇数碳时 ) 的脂酰 CoA 4 β 氧化过程中的能量例如软脂酸 ( 棕榈酸 C 15 H 31 COOH) 含 16 个碳原子的脂肪酸它需要经历 7 轮 β 氧化作用生成 8 分子乙酰 CoA 能量计算 : 1 脂肪酸的活化需消耗 2ATP 2 每轮 β 氧化作用生成 5ATP 3 每分子乙酰 COA 哦那个过三羧酸循环生成 12ATP 1 分子软脂酸彻底氧化可净生成 7 5ATP+8 12ATP 2ATP=129ATP 5 不饱和脂肪酸的氧化生物体中的不饱和脂肪酸的双键都是顺式构型, 而且位置也相当有规律 : 第一个双键都是在 C 9 和 C 10 之间, 以后每隔三个碳原子出现一个例如 : 油酸 (18:1 9) 亚油酸 (18:2 9,12 ) 等不饱和脂肪酸的氧化与饱和脂肪酸的氧化基本相同, 只是某些步骤还需其他酶的参与 下面以油酸为列来说明 : 油酰 CoA 经历了三次 β 氧化作用后, 产物在 β,r 为有一顺式双键, 因此, 接下来的反应不是脱氧, 而是双键的异构化, 生成反式的 α,β 双键, 然后 β 氧化作用继续正常进行 因此油酸的氧化与相同碳原子的饱和脂肪酸 ( 硬脂酸相比 ), 只是以一次双键并构花反应取代了 3- 次脱氧反应, 所以产生一分子的 FADH2 6 奇数碳链脂肪酸的氧化大多数哺乳动物组织中, 脂肪酸含偶数碳原子, 它们通过 β 氧化可全部转变成乙酰 COA, 但在反刍动物如牛, 羊中, 以及一些植物和海洋生物中含有技术碳脂肪酸, 它们在最后一轮 β 氧化作用后, 产生丙酰 COA, 在动物中, 丙酰 COA 先进行羧化, 每经过两次异构化, 形成琥珀酰 COA 过程如下 : < 二 > 脂肪酸的 α 氧化概念 : 脂肪酸在一些酶的催化下, 在 α 碳原子上发生氧化作用, 分解出一个一碳单位 CO2, 生成缩短了一个碳原子的脂肪酸, 这种氧化作用为脂肪酸的 α 氧化作用 发现 : 是 1956 年有 P.K.Stumpf 首先在柏物种子和叶片中发现的后来在动物脑和肝细胞中也发现了脂肪酸的这种氧化作用 可能的反应历程 : 以游离脂肪酸为底物, 在 α 碳原子上发生羧化 ( OH) 或氢过氧化 ( OOH), 然后进一步氧化脱羧, 可能的反应历程如下 :

102 生物学意义 :α 氧化作用对于生物体内奇数碳脂肪酸的形成, 对含佳绩的支链脂肪酸的降解, 或对过脂肪酸的降解 ( 如 C22,C24) 起着重要的作用 < 三 > 脂肪酸的 ω- 氧化作用 (12C 以下的脂肪酸 ) 概念 : 脂肪酸在酶催化下, 其 ω- 端 ( 末端 ) 甲基发生氧化, 先转变成羟甲基, 继而在氧化程羧基, 从而形成 α,ω- 二羧酸的过程 反应历程如下 : 在动物体内,12C 以下的脂肪酸常是通过 ω- 氧化作用进行降解的, 植物体内, 在 ω- 端但具有含氧基团 ( 羟基 醛基或羧基 ) 的脂肪酸也是通过 ω- 氧化作用生成的, 这些脂肪酸常常是角质层或细胞壁的组成成分 一些需氧微生物能将烃或脂肪酸迅速降解成水溶性产物, 这种降解过程首先要进行 ω- 氧化作用, 生成二羧基脂肪酸后再通过 β- 氧化作用降解 如海洋中的某些浮游细菌就可通过这种方式降解海面上的浮油, 氧化速率可高达 0.5 克 / 天 / 平方米 四 酮体的代谢 由脂肪酸的 β- 氧化产生的乙酰 CoA, 在一般的细胞中可进入三羧酸循环进行氧化分解, 动物的细胞中, 脂肪酸 β- 氧化产物, 大部分进入三羧酸循环, 还有部分乙酰 CoA 克形成乙酰乙酸,β- 羟丁酸, 丙酮, 这三种物质统称为酮体 1 酮体的生成

103 山西大同大学生命科学学院 2 酮体的分解 五 乙醛酸循环 有一些细菌 藻类和处于一定生长阶段的高等植物(如正在萌发的油料种 子) 脂肪酸降解的主要产物乙酰 COA 还可以通过另外一条途径 乙醛酸循环 将 2 分子乙酰 COA 合成 1 分子琥珀酸 乙醛酸循环分解来自一个二碳中间代谢物 乙醛酸 发生部位 乙醛酸体中 <一>反应历程 <二>生物学意义 乙醛酸循环只存在于一些喜欢 藻类及正在萌发的油料植物种子的乙醛酸体中 1 对于正在萌发的油料植物种子具有重要的生物学意义

104 山西大同大学生命科学学院 ⑴ 是连接脂肪代谢和脂代谢的枢纽 ⑵ 是三羧酸循环中间产物的补充方式之一 2 对于一些细菌和藻类 乙醛酸循环能够仅以乙酸作为能源和碳源而满足生长 的需要 目前 在动物及高等植物的营养器官内还没有发现乙醛酸循环 第二节 脂肪的合成代谢 脂肪是由甘油和脂肪合成的 所以在介绍脂肪的合成时 先介绍甘油的合成 和脂肪酸的合成 一 甘油的合成 甘油的合成在细胞质中进行 由糖酵解的中间产物磷酸二羟丙酮还原而成 反应式如下 二 脂肪酸的合成 生物体内的脂肪酸多种多样 不但链的长短不一 不饱和键的数目和位置都 不相同 所以它们的合成过程包括 饱和脂肪酸的从头合成 脂肪酸碳链的延长 不饱和脂肪酸的合成 <一>饱和脂肪酸的从头合成 部位 动物 细胞质 植物 叶绿体和前质体 原料 乙酰 COA 产物 不超过 16 碳的饱和脂肪酸 最长为软脂酸 CH3(CH2)14COOH 1 脂肪酸的从头合成的历程 1 乙酰 CoA 的来源和转运 来源 线粒体内的丙酮酸氧化脱羧 氨基酸的氧化 线粒体内进行 产生乙酰 COA 不直接穿过线粒体内膜 转运 通过 柠檬酸穿梭 方式转移到线粒体外

105 以上过程是发生在动物体中 在植物体中, 线粒体内产生的乙酰 COA 先脱去 COA 以乙酸的形式运出线粒体, 再在线粒体外由脂酰 COA 合成酶催化重新生成乙酰 COA, 因此, 植物体内可能不存在 柠檬酸穿梭 过程 (2) 丙二酸单酰 COA 的生成在脂肪酸的从头合成过程中, 参与脂肪酸链的二碳单元的直接工体并不是乙酰 COA, 而是乙酰 COA 的羧化产物 丙二酸单酰 COA 丙二酸单酰 COA 是由乙酰 COA 和 HCO 3 在乙酰 COA 羧化酶的催化下形成的反应式如下 : 1 乙酰 COA 羧化酶的组成 : 在原核生物中, 由两种酶和一种蛋白质组成三元多酶复合体生物素羧基载体蛋白 (BCCP): 其上连接由生物素生物素羧化酶羧基转移酶 2 在动物和高等植物体内, 全由多个亚基组成的寡聚酶, 每个亚基兼具上述的三种催化活性, 只有当它们聚合程完整的酶后才有活性 乙酰 COA 的羧化为不可逆反应, 乙酰 COA 羧化酶活性的高低控制着脂肪酸合成的速度 影响乙酰 COA 羧化酶的因素 :( 在动物体中 ) 柠檬酸 : 促进无活性的单体聚合成有活性的全酶, 从而加速脂肪酸的合成软脂酸 COA: 促使全酶的解体, 因而拟制脂肪酸的合成 (3) 脂肪酸合酶系统脂肪酸合酶系统是一个多酶复合体, 它包括六种酶 : 乙酰 COA ACP 转移酶丙二酸单酰 COA ACP 转移酶 β 酮脂酰 ACP 合酶 β 酮脂酰 ACP 还原酶 β 羟脂酰 ACP 脱水酶烯脂酶 ACP 还原酶此外, 多合体中还含有辅助蛋白 脂酰基载体蛋白 (ACP) 1 不同生物体内 脂肪酸合酶系统的组成不相同在大肠杆菌内, 上述六种酶以 ACP 为中心, 有序的组成松散的多美复合体在酵母中,FAS 含有 6 条 α 链和 6β 链, 寡聚酶 α 6 β 6 在脊椎动物中,FAS 含有两个相同亚基的二聚体, 寡聚酶 α 2 在植物中,FAS 类似于大肠杆菌各个酶结合松散 2 不同生物体中的 ACP 却十分相似, 大肠杆菌中的 ACP 是一个有 77 个氨基酸残基组成的热稳定蛋白质, 在它的第 36 位丝氨酸残基的侧链上, 连有辅基 4 - 磷酸泛酰巯基乙胺这个辅基像一个转动的手臂, 以其末端的巯基携带着脂酰基一次转到各酶的活性中心, 从而发生各种反应

106 2 脂肪酸合酶系统上有两种活性巯基中央巯基 :ACP 上的巯基外围巯基 :β 酮脂酰 -ACP 合酶上的巯基 (4) 脂肪酸链的形成过程这一过程是以乙酰 COA 为起点, 由丙二酸单酰 COA 在羧基端逐步添加二碳单位, 合成出不超过 16 碳的脂酰基, 最后酯酰基被水解成游离的脂肪酸整个过程都是在脂肪酸合酶系统中进行 具体步骤如下 : 见课件 < 二 > 脂肪酸碳链的延长 1 发生的部位在动物体中 : 发生在线粒体的内质网在植物体中 : 发生在叶绿体或前质体 2 延长过程在细胞内的不同部位延长的具体方式不同 (1) 动物体中脂肪酸碳链的延长在动物体中, 软脂酸为合成 16C 以上更长碳链脂肪酸的前体, 需活化成软脂酰 COA 1 线粒体中相当于脂肪酸 β 氧化过程的逆转, 只是第二次还原反应有还原酶二不是脱氧酶催化, 电子载体为 NADPH 而不是 FADH2 2 内质网上与脂肪酸从头合成过程相似, 只是酯酰基的载体为 COA 而不是 ACP (2) 植物体中脂肪酸碳链的延长植物体内的脂肪酸延长系统有两个 : 叶绿体或前质体中只负责将软脂酸转变成硬脂酸, 这一过程类似于从头合成过程碳链的进一步延长则由内质网上的延长系统完成 < 三 > 不饱和脂肪酸的合成在生物体内存在大量的各种不饱和脂肪酸, 他们都是由饱和脂肪酸经去饱和作用而形成的 1 单不饱和脂肪酸的合成有两条途径 1 需氧途径 ( 存在于真核生物中 ) 2 厌氧途径 ( 存在于厌氧微生物中 ) 发生在脂肪酸从头合成的过程中, 当 FAS 系统从头合成到 10 个碳的 β0 羧睽酰 ACP 时, 由专一性的 β 羧睽酰 ACP 脱水酶催化, 在 β,r- 位之间脱水, 生成烯睽酰 ACP, 然后连续生成二碳单位, 进行从头合成反应过程, 这样, 就可以产生不同长短的单不饱和脂肪酸

107 三 三酰甘油的合成 < 一 > 原料是 3- 磷酸甘油和脂酰 COA < 二 > 合成过程 四 脂肪代谢的调节 脂肪代谢中最重要的是脂肪酸的代谢我们主要介绍动物体内脂肪酸在分解代谢和合成代谢两方面受到的调节 1 脂肪酸分解的调节脂肪酸分解代谢的重要途径是 β- 沿海, 它的限速步骤是活化的脂酰 COA 从线粒体外转运到线粒体内其限速酶是肉碱脂酰转移酶 Ⅰ 丙二酸单酰 COA 当进食后, 脂肪酸合成, 丙二酸单酰 COA 增加, 拟制肉碱脂酰转移酶 Ⅰ, 是脂酰 COA 不能穿膜进入线粒体, 从而拟制脂肪酸的氧化, 当饥饿或患糖尿病时, 集体不能利用糖, 需脂肪酸供能, 这时肉碱脂酰转移酶 Ⅰ 活性增加, 脂肪酸氧化增强 2 脂肪酸合成的调节乙酰 COA 羧化酶是脂肪酸合成的限速酶, 是一个别构酶柠檬酸是该没得别构激活剂软脂酰 COA 是该没的别构拟制剂当进食糖类物质, 细胞处于高能荷状态, 线粒体中乙酰 COA 和 ATP 含量丰富, 可拟制三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶的活性, 使柠檬酸浓度升高, 激活乙酰 COA 羧化酶, 加速脂肪酸的合成

108 这一节里, 主要介绍 一 磷脂的降解与生物合成 第三节类脂的代谢 磷脂的降解与生物合成糖脂的降解与生物合成胆固醇的生物合成与转化 前面我们介绍过, 磷脂根据醇成分的不同分为甘油磷脂 : 甘油鞘磷脂 : 鞘氨醇 < 一 > 磷脂的降解与生物合成甘油磷脂的降解先进过水解成甘油 脂肪酸 磷酸和含氮碱性化合物 ( 氨基醇 ) 水解它的酶是磷脂酶 (phospholipase) 已发现的有四种磷脂酶 A1 : 动物体中磷脂酶 A2: 蛇 蝎 蜂磷脂酶 C: 动物脑 蛇毒 细菌毒素中磷脂酶 D: 高等植物中 < 二 > 甘油磷脂的生物合成以磷脂酸作前体, 需胞嘧啶核苷以 CDP 的衍生形式作活化载体存在两条途径 1 利用 CDP- 二酰甘油的途径 2 利用 CDP- 乙醇酶的途径

109 < 三 > 鞘磷脂的生物合成分为三个阶段 : 鞘氨醇的合成 : 软脂酰 COA+ 丝氨酸 鞘氨醇神经酰胺的合成 : 鞘氨醇的氨基与软酯酰 COA 的酯酰基连接形成鞘磷脂的合成 : 有神经酰胺接受 CDP- 胆碱上的磷酸胆碱末端上的羧基端 二 糖脂的降解与生物合成 糖脂的作脂成分为糖, 根据醇成分不同分为油糖脂 : 甘油糖脂 : 鞘氨醇 < 一 > 糖脂的降解糖脂可在糖脂酶和各种脂酶的作用下, 水解成脂肪酸 甘油或鞘氨醇及糖基成分例如 : 单半乳糖二脂酰甘油 (MGDG) 的降解 < 二 > 甘油糖脂的生物合成植物体内的甘油糖脂主要有单半乳糖二脂酰甘油和双半乳糖二脂酰甘油他们在叶绿体的被膜上合成 < 三 > 鞘糖脂的生物合成与鞘磷脂一样, 也是先合成鞘氨醇 : 软酯酰 COA+ 丝氨酸 鞘氨醇鞘氨醇的氨基与软酯酰 COA 的酯酰基连接酶连接而成神经酰胺神经酰胺末端上的羧基接受 VDP- 糖苷上的糖基, 生成脑苷脂 三 胆固醇的生物合成与转化 < 一 > 合成胆固醇是非皂化脂类中固醇类中的一种, 它在动物体内可由乙酰 COA 作为原料而合成, 合成过程分为四个阶段 1 二羟甲基戊酸的 MVA 的合成 : 见 P239 页 2 异戊烯醇焦磷酸酯的合成 :P239 页右 3 鲨烯醇的合成 :P240 4 胆固醇的合成 :P241 在胆固醇生成过程中生成的环氧鲨烯, 在植物中可转化成豆兹醇, 在真菌中可转化成麦角固醇 < 二 > 转化胆固醇在动物体内可以转化为右重要生理功能的物质 1 转化为胆酸及其衍生物体内大部分胆固醇在肝脏中转变成胆酸, 胆酸及少量胆固醇胆汁小肠道, 对油脂的消化为脂溶性维生素的吸收有重要作用 2 转化为类固醇激素右少量胆固醇在一些内分泌腺中转变成重要的类固醇激素在肾上腺皮质中转变为肾上腺皮质激素在性腺 ( 睾丸和卵巢 ) 中转变成性激素 3 转化为维生素 D 胆固醇还可以在肠粘膜内形成维生素 D 原 (7- 脱氢胆固醇 ), 它在皮下经紫外线 ( 日照 ) 照射后转变为维生素 D 3

110 课程单元题目 教案首页 第九章蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢 本单元学时 3 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2009 年 10 月 教学目的与要求 : (1) 掌握氨基酸氨基代谢的三种方式 (2) 掌握谷氨酸脱氢酶在氨基酸代谢中的重要性 (3) 掌握转氨酶催化的反应机制 (4) 掌握尿素循环发生的部位及其限速反应 (5) 掌握尿素分子上两个氮的来源 (6) 区分生糖氨基酸 生酮氨基酸和生糖兼生酮氨基酸 (7) 了解各族氨基酸的生物合成教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 蛋白质的胞内降解途径, 氨基酸的分解, 氨基酸分解产物的去路, 尿素循环, 氮素循环, 各族氨基酸的生物合成教学难点 : 氨基酸的分解代谢中的脱氨基作用, 尿素循环, 各族氨基酸的生物合成 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 蛋白质的酶促降解 1 学时 (2) 氨基酸的分解与转化 3 学时 (3) 氨基酸的生物合成 2 学时 重要中 外文词汇 : 蛋白酶 (proteinase), 氨肽酶 (aminopeptidase), 羧肽酶 (carboxypeptidase), 泛肽 ( ubiquitin ), 鸟氨酸循环 ( 尿素循环 urea cycle) 思考题 : 1 简述细胞内蛋白质降解的意义 d 2 蛋白质和氨基酸分解代谢所产生的氨有哪些出路? 3 鸟氨酸循环中的产物尿素中的两个氮原子分别来自于哪几种分子? 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005

111 第九章蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢 第一节蛋白质的酶促降解 蛋白质的降解是指蛋白质在酶的作用下使肽键发生水解生成基酸的过程 一 蛋白水解酶的种类和专一性 水解蛋白质的酶按其作用特点分为肽链内切酶和肽链外切酶 1 肽链内切酶又称蛋白酶水解肽链内部的肽键, 对参与形成肽键的氨基酸残基 有一定的专一性 按其活性部位的结构分为四类 编号 名称 特征 实例 ec3421 丝氨酸蛋白酶类 活性中心含 ser 胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶枯草杆菌蛋白酶等 ec3422 半胱氨酸蛋白酶类 活性中心含 cys 植物蛋白酶 组织蛋白酶 ec3423 天冬氨酸蛋白酶类 活性中心含两个 胃蛋白酶 凝乳酶 asp 最适 ph 为 2--4 ec3424 金属蛋白酶类 活性中心含锌 镁等离子 嗜热菌蛋白酶 羧肽酶等 2 肽链外切酶又称肽酶包括氨肽酶( 从氨基端逐一将肽链水解成氨基酸 ) 和羧 肽酶 ( 从羧基端逐一将肽链水解成氨基酸 ), 其中羧肽酶包括羧肽酶 a( 优先作 用于中性氨基酸为羧基端的肽键 ) 和羧肽酶 b( 水解以碱性氨基酸为羧基端的肽 键 ) 二 食物中蛋白质的消化吸收 食物蛋白质的消化作用由胃开始, 胃腺分泌的胃蛋白酶原受到胃酸和自身作用活化为胃蛋白酶, 优先水解色氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 甘氨酸残基的氨基组成的肽键生成多肽及少量的氨基酸 在小肠中, 在胃液的刺激下, 胰腺分泌的胰液 ( 含有胰蛋白酶原 胰凝乳蛋白酶原 弹性蛋白酶原 ) 胰蛋白酶被肠激酶激活, 可以水解由赖氨酸 精氨酸的羧基组成的肽键 ; 胰蛋白酶可激活胰液中其他的四种酶 另外小肠还可以分泌氨肽酶和二肽酶, 在这些酶的共同作用下多肽被水解为氨基酸和一些寡肽, 然后吸入人体内 三 细胞内蛋白质的降解 1 蛋白质降解的意义 p245 2 胞内蛋白质降解的系统, 细胞质内有两个重要的蛋白质降解系统 : 溶酶体系统和泛肽系统 (1) 溶酶体系统溶酶体是具有单层膜的细胞器, 它包含约 50 种水解酶, 这些酶的最适 ph 为酸性所以又称为酸性系统 它主要水解长寿命蛋白质和外来蛋白质 许多病理活动常常伴随溶酶体活性的升高, 如很多慢性病, 如类风湿性关节

112 炎等, 能引起溶酶体酶的细胞外释放, 这些释放出的酶会损坏周围的组织 (2) 泛肽系统 Hershko A 等人在 1978 年从网组红细胞依赖 atp 的蛋白质水解系统中分离出一种热稳定因子, 由 76 个氨基酸组成, 后来发现他广泛从在于各类真核细胞, 因而命名为泛肽 泛肽系统在 ph=7.2 的胞液中起作用, 所以也成为碱性系统, 主要水解短寿命蛋白和反常蛋白 在泛肽系统中, 被选定降解的蛋白质先加以标记即以共价键与泛肽连接, 此过程分三步完成 : 1) 在一个需要 atp 的反应中泛肽的羧基末端通过硫酯键与泛肽激活酶偶联 2) 泛肽随即转接到泛肽载体蛋白的巯基 3) 在泛肽 蛋白连接酶的作用下, 泛肽由 e2 转接到底物蛋白质中赖氨酸的氨基上形成异肽键后续的泛肽以类似的方式连接成串, 完成对底物蛋白的多泛肽化标记, 形成多泛肽化蛋白 多泛肽化的蛋白由 26s 蛋白酶体迅速降解成小的片段, 再由其他的肽酶水解成游离氨基酸 解 第二节氨基酸的分解与转化 蛋白质降解成氨基酸后, 氨基酸可以通过脱氨基和脱羧基作用作用进一步分 一 脱氨基作用 这是氨基酸的主要的转化方式 主要包括氧化脱氨基 转氨脱氨基 联合脱氨基 外氧化脱氨基和托酰胺作用 ( 一 ) 氧化脱氨基作用氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应酮酸的过程, 叫做氧化脱氨基作用, 催化这一过程的酶有脱氢酶和氧化酶两类 : 1 脱氢酶作用脱氢酶中最主要的是谷氨酸脱氢酶, 辅酶为 nad+ 或 nadp+, 他催化含有谷氨酸氧化脱氢生成 α- 酮戊二酸 2 氧化酶作用在动物肝 肾和某些细菌 真菌中还存在氧化酶, 他们以 FAD 或 FMN 为辅基, 在有氧条件下, 催化氨基酸的氧化脱氨生成相应的酮酸和过氧化氢 ( 二 ) 转氨基作用 α- 氨基酸的氨基在相应的转氨酶的作用下, 转移到 α- 酮酸的酮基碳原子上, 结果原来的氨基酸生成了相应的 α- 酮酸, 而原来的 α- 酮酸则形成了相应的氨基酸 这种作用称为转氨基作用或氨基转换作用 催化转氨基作用的酶叫转氨酶或氨基转换酶, 辅酶为磷酸的吡咄醛 其中最重要的是谷丙转氨酶 ( 他催化谷氨酸与丙氨酸之间的转氨基作用 ) 和谷草转氨酶 ( 他催化谷氨酸与草酰乙酸之间的转氨基作用 ) ( 三 ) 联合脱氨基作用氨基酸的转氨基作用在生物体内普遍存在, 但它只将氨基转移到 α- 酮酸 α- 酮酸分子上生成另一种氨基酸, 并未脱掉氨基 同时, 氧化脱氨基作用也仅限于 L- 谷氨酸, 不能满足机体脱氨基的需要 所以一般认为生物体内的绝大多数氨基酸的脱氨基作用是上述两种方式联合作用的结果 1 转氨酶 谷氨酸脱氢酶的联合脱氢作用这种脱氨基作用是转氨基作用和

113 氧化脱氨基作用偶联进行的, 称为联合脱氨基作用 2 转氨酶 嘌呤核苷酸循环联合托胺作用 L- 谷氨酸脱氨酶在动物 ( 肝肾中的含量丰富火力很强 ) 但在心肌 骨骼肌和脑组织中的含量较少, 而在这些组织中腺苷酸脱氨酶 腺苷琥珀酸合成酶 腺苷琥珀酸裂解酶的含量和火星都很高, 所以认为它在这些组织中的脱氨基过程主要是在嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基作用 过程如下 :( 略 ) ( 四 ) 外氧化脱氨基作大多数在微生物中进行其方式有如下几种 : 1 还原脱氨基作用在严格的无氧的条件下, 某些含有氢化酶的微生物能利用还原脱氨基作用使得氨基酸脱去氨基反应如下 ( 略 ) 2 脱水脱氨基作用丝氨酸和苏氨酸的脱氨基也可通过脱水的方式完成 反应方程 ( 略 ) 3 由解氨酶催化的脱氨基作用最典型的是苯丙氨酸解氨酶, 可以催化苯丙氨酸和酪氨酸发生脱氨 反应方程 ( 略 ) ( 五 ) 脱酰胺基作用谷氨酰胺和天冬酰胺可在谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶的作用下分别发生脱酰胺基作用生成相应的氨基酸 催化反应的两种酶广泛的存在于微生物和动植物细胞中, 具有很高的专一性 反应方程 ( 略 ) 二 脱羧基作用 ( 一 ) 直接脱羧基作用氨基酸在脱羧酶的作用下, 进行托缩放应生成胺类物质 氨基酸脱羧酶广泛存在于动植物体内, 一磷酸吡咄醛为辅酶 反应方程式 ( 略 ) 例如 :1. 组氨酸通过组氨酸脱羧酶催化, 生成组胺 组胺是一种强烈的血管扩张剂, 有降低血压 扩张血管引起支气管痉挛和促进胃液分泌的作用 2. 谷氨酸通过谷氨酸脱羧酶的催化, 生成 r- 氨基丁酸, 对中枢神经系统有抑制的作用同时又是神经组织的能量来源 ( 二 ) 羟化脱羧基作用 1 酪氨酸在酪氨酸酶的作用下, 可发生羟化生成 3,4- 二羟苯丙氨酸, 进一步的脱羧形成 3,4- 二羟苯乙胺 其中多吧可进过氧化, 脱羧生成吲哚 -5,6- 醌 如果人体缺乏酪氨酸就会是黑色素的合成受阻, 皮肤毛发变白, 称为白化病 在植物体内多巴和多巴胺可以形成生物碱 2 色氨酸通过色氨酸羟化酶的作用形成 5- 羟色胺酸, 在经过脱羧酶的作用生成 5- 羟色胺 下拨内的羟色胺可以作神经递质, 具有抑制作用, 在外周组织,5- 羟色胺具有收缩血管的作用 三 氨基酸分解产物的转化 氨基酸通过脱氧和脱羧作用生成了各种降解产物, 如 NH3,α- 酮酸和胺类等这些产物在体内进一步发生代谢转变 ( 一 ) 氨的代谢转变氨对生物机体有毒物质, 特别是高甘动物的脑对氨极为敏感, 血液中 1% 的氨就可以引起中枢神经系统中毒 所以氨的转变时生物体

114 维持正常生命活动所必须的 动植物机体内氨的代谢转变重要有以下四种方式 : 1 重新合成氨基酸当组织细胞中碳水化合物合成代谢旺盛时, 氨可与碳水化合物转化成德 酮酸发生还原氨基化反应重新生成氨基酸 2 生成谷氨酰胺和天冬酰胺氨可以在体内通过合成谷氨酰胺和天冬酰胺而储存起来, 待需用时再供出氨 这一机制在植物体内较为普遍, 在动物及人体的某些组织中存在催化谷氨酰胺合成的酶是谷氨酰胺合成酶这两个反应都需 ATP 参与催化天冬酰胺合成的酶是天冬酰胺合成酶 3 生成尿素在哺乳动物体内, 氨在肝脏中合成尿素并随尿排出体外 由氨合成尿素是通过鸟氨酸循环进行的 鸟氨酸是循环 (carbanoyl phosphate synthetase, CPS) 也叫尿素循环 (urea cycle) 包括 5 步酶反应 : (1) 氨甲酰磷酸合成酶 (carbamoyl phosphate synthetase,cps) 在真核生物中, 这种酶有两类氨甲酰磷酸合成酶 ( 线粒体上 ) 氨甲酰磷酸合成酶 ( 细胞溶液中 ) 本反应基本上是不可逆的, 它在鸟氨酸循环中试限速的第一步 因为氨甲酰磷酸合成酶在线粒体内, 以本反应发生在线粒体基层中 (2) 鸟氨酸转氨甲酰酶它的作用是将氨甲酰基磷酸的氨甲酰基转移到鸟氨酸上, 形成氨酸本反应发生在线粒体基质中, 而鸟氨酸则产生于细胞液中, 它必须通过线粒体模上特异的鸟氨酸运输系统进入线粒体 (3) 精氨琥珀酸合成酶在此酶作用下, 瓜氨酸的脲基与天冬氨酸的氨进行缩合, 生成精氨琥珀酸 此反应发生在细胞液中, 所以在线粒体基质中生成的瓜氨酸必须通过线粒体模上特异的瓜氨酸运输系统进入细胞液中 (4) 精氨琥珀酸裂解酶在它的催化下, 精氨酸与天冬氨酸的碳骨架脱离, 生成精氨酸和延胡索酸 ; 此反应在细胞液中进行 (5) 精氨酸酶它催化精氨酸水解成尿素和鸟氨酸 此反应发生在细胞液中, 生成的鸟氨酸又回到线粒体中进入下一轮循环 在肝脏中, 通过鸟氨酸循环就把两个氨基和一个碳原子转化为外毒性的尿素, 在肾脏随尿排出体外 总反应式 由鸟氨酸循环合成一分子尿素, 需消耗 4 个高能磷酸键

115 4 生成铵盐有些植物组织中, 含有大量的有机酸, 异柠檬酸 柠檬酸 苹果酸酒石酸和草酰乙酸等, 氨可和这些有机酸结合生成铵盐 ( 二 )α- 酮酸的代谢转变氨基酸脱去氨基后, 生成多种不同的 α 酮酸 这些酮酸在体内的代谢途径有三条 : 1 合成氨基酸生物体内, 当氨基酸过剩时, 脱氨基作用加强 ; 而当需要氨基酸时, α- 酮酸就会通过还原氨基化形成氨基酸 α- 酮酸氨基化生成氨基酸是体内合成非必需氨基酸的途径之一 2 转变为糖和脂肪 α- 酮酸在生物体内可转变为糖和脂肪储存起来 这是通过实验证明了的 根据氨基酸碳骨架的代谢合成, 可将氨基酸分为 : (1) 生糖氨基酸 : 凡能形成丙酮酸 草酰乙酸 - 酮戊二酸 琥珀酰 Coa. 和延胡索酸的氨基酸, 都称为生糖氨基酸 这些外糖物质可通过糖异生作用合成葡萄糖或糖原在 20 种氨基酸中, 有 14 种是纯生糖的,( 所有非必须氨基酸全是生糖氨基酸 ) (2) 生酮氨基酸 : 在分解途径中能转变为酮体 ( 乙酰胺 - 羟丁酸和丙酮 ) 的氨基酸. 酮体经分解产生的乙酰 COA 可进入脂肪的和合成途径 在 20 种氨基酸中, 只有亮氨酸是纯生酮的氨基酸 有 5 种氨基酸 ( 异壳 苯丙 色 络 ) 是即生酮也生糖的 氨基酸之所以能转变成糖或酮体, 是因为氨基酸代谢的某些中间产物与糖代谢或脂代谢直接相关 所以, 糖 脂 蛋白质三大物质代谢是紧密相关的 3 氧化成 CO2 和 H2O 当生物体内需要能量时, 氨基酸降解产生的各种酮酸都可以直接或间接进入三羧酸循环进行氧化分解, 产生能量 第三节氨基酸的生物合成

116 由于氨基酸含有氨基, 是含氮的化合物, 所以在学习氨基酸生物合成前先讨论氮的来源 一 氮循环 生物中的氮来自大气中的氮气 ( 占 80% 大气成分 ), 可通过生物固氮转化成 NH3 和硝酸盐, 也可以通过工业固氮或闪电产生 ; 土壤中的氮几乎都被硝化细菌转化为硝酸盐, 植物和微生物可以吸收硝酸盐, 然后将其还原形成氮, 再经同化作用转变成有机氮, 有机氮又随食物或饲料进入动物体内, 转变为动物体内的含氮化合物 各种动物遗体及排泄物中的有机氮再经微生物分解生成氮 这样, 在生物界, 有机氮和无机氮形成平衡 二 各族氨基酸的合成 讨论氨基酸的生物合成, 首先要知道它的碳架是怎样形成的 下面根据氨基酸合成的碳架来源的不同, 将氨基酸分为 6 族来介绍氨基酸的合成 ( 一 ) 丙氨酸族包括丙氨酸 颉氨酸和亮氨酸 共同的碳架来源是糖酵解生成的丙酮酸 1 丙氨酸的生物合成丙氨酸是丙酮酸与各氨酸谷 - 丙转氨酶的作用下形成的 2 缬氨酸的生物合成先有丙酮酸转变为相应碳源的酮酸再经过转氨酶作用生成 P277 3 亮氨酸的生物合成 ( 二 ) 丝氨酸族包括丝氨酸 甘氨酸和半胱氨酸 1 甘氨酸 丝氨酸的生物合成 A. 甘氨酸可由光呼吸乙醇的途径形成的乙醛酸经转氨作用生成甘氨酸两分子甘氨酸可缩合成丝氨酸放出 CO2

117 B. 丝氨酸可由糖酵解中间产物 3- 磷酸甘油酸经脱氢 转氨 脱磷酸生成也可由 3- 磷酸甘油酸脱去磷酸生成甘油酸, 再经氧化 转氨生成生成的丝氨酸在丝氨酸转羟甲基酶作用下, 脱去甲基生成甘氨酸 2 半胱氨酸的生物合成由丝氨酸转变成半胱氨酸中的关键是硫氢基 ( 硫基 ) 的来源在大多数植物和微生物中, 其硫氢基主要来源于硫酸 见书 P278 在动物体内, 硫氢基主要来源于高半胱氨酸 ( 三 ) 谷氨酸族包括谷氨酸 谷氨酰胺 脯氨酸和精氨酸, 它们的碳架来自三羧酸循环的中间产物 - 酮戊二酸 1 谷氨酸的生物合成 α- 酮戊二酸和氨基酸在转氨酶的作用下可生成谷氨酸 α- 酮戊二酸和游离氨在谷氨酸脱氢酶催化下, 发生还原性氨基化而生成谷氨酸 α- 酮戊二酸 + 谷氨酰胺 2 谷氨酰胺的生物合成由 - 酮戊二酸先经转氨基的作用形成 谷氨酸, 再经过谷氨酰胺合成酶催化由谷氨酸和游离氨仅应生成谷氨酰胺, 此反应需 ATP 水解提供能量 3 脯氨酸的生物合成由 酮戊二酸先和侧很难过谷氨酸, 然后再谷氨酸酶催化下由 ATP 提供磷酸基形成谷氨酰磷酸, 又在谷氨酸脱氢酶的作用下生成谷氨酸 -R- 半醛, 然后自发环化 ( 脱去一份子水 ) 成一二氢吡咯 -5- 一羧酶, 再由二氢吡咯还原酶催化还原成脯氨酸 P279 ( 四 ) 天冬氨酸族包括天冬氨酸 天冬酰胺 赖氨酸 苏氨酸 异亮氨酸和甲硫氨酸它们的碳架却来自三羧酸循环中的草酰乙酸或延胡索酸 1 天冬氨酸物的生物合成是由草酰乙酸和谷氨酸经草转氨酶作用下生成 2 天冬酰胺的生物合成在微生物中, 在天冬酰胺合成酶催化下, 由天冬氨酸与游离氨反应生成天冬酰胺, 此反应需要 ATP 水解提供能量 3 赖氨酸的生物合成 4 甲硫氨酸的生物合成 5 苏氨酸的生物合成 6 异亮氨酸的生物合成 都是由天冬氨酸作为起始物, 都需经过 β- 羧基的还原形成 - 天冬氨酸半醛 ( 是一个分支点化合物 ), 赖氨酸的合成即由此物质分道 苏氨酸和甲硫氨酸的合成还共同经过 0- 磷酸高丝氨酸 ( 也是一个分至点化合物 ) 异亮氨酸由苏氨酸继续合成 ( 五 ) 组氨酸和芳香氨基酸族

118 包括组氨酸 酪氨酸 色氨酸和苯丙氨酸 1 组氨酸的生物合成组氨酸的碳架主要来自磷酸戊糖途径的中间物 5- 磷酸核糖 2 芳香氨基酸的生物合成芳香氨基酸的碳架结构来自磷酸戊糖途径的中间物 4- 磷酸赤鲜糖和糖酵解途径的中间产物磷酸锡醇式丙酮酸 (PEP) 这两者化合后经几步反应生成莽草酸, 莽草酸可以这三种芳香族氨基酸的共同前体, 合成过程见书 P384 从以上各种氨基酸的生物合成可以看出, 它们的碳架主要来自呼吸作用 糖酵解 磷酸戊糖途径 三羧酸循环和呼吸作用的中间产物, 氨基基团大多来自谷氨酸的转氨基作用 各种氨基酸的合成及相互关系见书 P285 大多数细菌和植物能够合成所有的氨基酸, 但对于哺乳动物只能合成一些非必需氨基酸, 必需氨基酸需要从食物中获取 必需氨基酸 : 主要有 10 种 ( 其中两种是半必需氨基酸, 组氨酸和精氨酸 ) 1. 笨蛋精来宿舍住亮凉鞋 苯丙氨酸 蛋氨酸 精氨酸 赖氨酸 苏氨酸 色氨酸 组氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 劼氨酸 2. TIP MTV HALL( 需付消费的 MTV 餐厅 ) THR ILE PHE MET TRP VAL HIS ARG LEU LYS 三 一碳基团代谢 ( 一 ) 一碳基团 1. 概念 : 在代谢过程中, 某些化合物可以分解产生具有一个碳原子的基团 ( 不包括 CO2) 称为一碳基团, 或叫 一碳单位 2. 形式 : 生物体内, 一碳基团有许多形式, 如亚氨甲醛 : 甲酰基 : 羟甲基 : 甲基 : 亚甲基 : 次甲基 : 3. 意义 : 一碳基团的转移与许多氨基酸的代谢直接有关 另外, 还参与嘌呤和胸腺嘧啶的生物合成以及 S- 腺苷甲硫氨酸的生物合成它是生物体各种化合物甲基化的甲基来源 4. 一碳基团转移酶的辅酶是四氢叶酸 (FH4 或 THF) FH4 是结构式见书 P105, 携带甲基的部位是在 N5 N10 位置 ( 二 ) 一碳基团与氨基酸代谢许多氨基酸都和一碳基团有关, 如甘氨酸 丝氨酸 苏氨酸 组氨酸甘豆可作为一碳基团的工体 例如 : 甘氨酸脱氨基生成乙醛酸后, 与 FH4 生成 N5 N10 次甲基 FH4 丝氨酸分子上的 β- 碳原子可转移到 FH4 上, 同时脱去一分子水分, 生成 N5 N10 一次甲基 FH4

119 课程单元题目 教案首页 第十章核酸的酶促降解和核苷酸代谢 本单元学时 3 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 12 月 教学目的与要求 : (1) 了解核酸降解的主要酶 (2) 掌握重要限制性内切酶的作用位点 (3) 区分核苷酸从头合成和补救途径 (4) 掌握核苷酸从头合成前体分子以及嘌呤和嘧啶环上各原子的来源 (5) 了解嘌呤核苷酸从头合成和嘧啶核苷酸从头合成的限速步骤及其调控机制 (6) 了解参与嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸补救合成途径的主要的酶的名称及其催化的反应教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 核酸酶, 限制性内切酶, 嘌呤和嘧啶的降解, 嘌呤核苷酸的生物合成, 嘧啶核苷酸的生物合成, 脱氧核苷酸的合成教学难点 : 核酸的酶促降解, 核苷酸从头合成和补救途径 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 核酸的酶促降解 1 学时 (2) 核苷酸分解代谢 1 学时 (3) 核苷酸的生物合成 2 学时 重要中 外文词汇 : 核酸酶 (nuclease), 外切核酸酶 (exonuclease), 内切核酸酶 (endonuclease), 限制性内切酶 (restriction endonuclease), 核苷酸酶 (nucleotidease), 从头合成 (de nove synthesis), 救补途径 (savage pathway) 思考题 : 1 与 DNA 复制的高保真性有关的因素是什么? 2 什么是 DNA 的损伤? 什么是 DNA 的修复? 细胞对 DNA 的损伤有几种修复系统? 3 什么同源重组? 简述同源重组的 Holliday 模型 4 什么是转座子? 简述转座子的转座机制 参考引用文献 : 1 罗伯特 维弗. 分子生物学. 第 2 版. 刘进元, 李骥, 赵广荣等译. 北京 : 清华大学出版社, 朱玉贤, 李毅, 郑晓峰. 现代分子生物学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

120 第十章核酸的酶促降解和核苷酸代谢 第一节核酸的酶促降解 核酸在核酸酶的作用下, 降解成核苷酸 生物体内存在着多种核酸酶 一 核酸酶的分类 1 根据对底物的专一性分为核糖核酸酶 (ribonuclease,rnase) 脱氧核糖核苷酸酶 (dexyribonuclease,dnase) 2 根据作用于核酸的部位分为内切核酸酶 (endonuclease) 外切核酸酶 (exonuclease) 在细菌细胞内存在着一类能识别并水解外源双链 DNA 的核酸内切酶, 称为限制性内切酶 (ristriction endonuclease) 二 核酸酶的作用特点 1 外切核酸酶外切核酸酶作用于核酸链的一段, 逐个水解下核苷酸 它们是非特异性的磷酸二酯酶 如蛇青磷酸二酯酶是从 DNA 的有力 3 - 羟基端开始, 逐个水解下 5 - 核苷酸 (3 段外切 3 得 5) 牛脾磷酸二酯是从游离 5 羟基端开始, 逐个水解下 3 - 核苷酸 (5 端外切 5 得 3) 2 内切核酸酶内切核酸酶则特异性地水解核算分为内磷酸二酯键 他们是特异性很强的磷酸二酯酶 如牛胰 RnaseI( 牛胰核苷酸酶 I) 作用于嘧啶 (Py) 核苷酸的磷酸二酯键 生成嘧啶核苷 -3 - 磷酸或末端为嘧啶核苷 -3 - 磷酸的寡核苷酸 又如 RnaseT( 核糖核酸酯 T) 作用于鸟苷酸二酯键, 生成 3 -GMP 或以 3 为末端的寡核苷酸 3 脱氧核糖核酸酶 : 专 水解 DNA 如 DnaseⅠ( 牛胰脱氧核糖核酸酶 ), 可切割双链或单链 DNA, 产物为 5 - 磷酸为末端的寡核苷酸 DNAaseⅡ( 牛脾脱氧核糖核苷酸酶 ), 从 DNA 的游离 5 端开始逐个水解下 3 - 核苷酸 4 限制性内切酶 ( 也叫限制酶 ) 是 1979 年由 W Arber H Smith 和 D Nathan 等人在细菌细胞内发现的 它的特点是具有极高的转移性, 能够识别 DNA 双链上的特定位点 这些位点的长度一般在 4 8 个碱基对范围内, 通常具有回文结构 切割后形成粘性末端或平齐末端 链的一段具有特定位点中的几个互补碱基, 这样的末端称为粘性末端

121 常用的 DNA 限制性内切酶 酶 辨认的序列和切口 说明 ALUⅠ 5 AGCT 3 3 TCGA 5 四核苷酸, 平端切口 BamHⅠ 5 GGATCC 3 3 CCTAGG 5 六核苷酸, 粘端切口 BglⅠ 5 AGATCT 3 3 TCTAGA 5 六核苷酸, 粘端切口 EcoRⅠ 5 GAATTC 3 3 CTTAAG 5 六核苷酸, 粘端切口 HindⅢ 5 AAGCTT 3 3 TTCGAA 5 六核苷酸, 粘端切口 SalⅠ 5 GTCGAC 3 3 CAGCTG 5 六核苷酸, 粘端切口 SmaⅠ 5 CCCGGG 3 3 GGGCCC 5 六核苷酸, 平端切口 1 常用限制性内切酶的专一性 例如 : 3 辨认序列及切口 证明 ECORⅠ 六核苷酸粘端切口 5 pgaattcp 3 paattcp 3 3 pcttaagp 5 5 粘性末端 BamhⅠ DVUⅡ KpnⅠ AluⅠ 5 GGATCC 3 3 GTCGAC 5 5 CAGCTG 3 3 GTCGAC 5 5 GTACC 3 3 CCATGG 5 5 AGCT 3 3 TCGA 5 六核苷酸粘, 端切口 GATCC 3 5 粘性末端六核苷酸, 平端切口 5 CAG 3 GTC 六核苷酸粘端切口 5 GGTAC 3 粘性末端四核苷酸平端切口 5 AG 3 TC 2 限制性内切酶的命名例如 EOCORIshi 从大肠杆菌 (Ecoli)R 军注重分离出的一种限制性内切酶, E 是大厂杆菌的书名 (Escherichia) 的第一个字母 Co 是它的种名 (coli) 的头两个字母 I 从该细菌中分离出来的这一类酶的编号 3 限制性内切酶的作用是 DNA 的分子见到, 是分析染色体结构, 制作 DNA 限制图谱 进行 DNA 序列 定 和基因分离 基因体外重组等研究中不可缺少的工具 他们的发现极大地促进了基因工程的研究

122 第二节核苷酸的分解代谢 一 核苷酸的降解 1 核苷酸的降解核苷酸在核苷酸酶的作用下, 水解为核苷酸 非特异性核苷酸酶 : 能作用于一切核苷酸特异性核苷酸酶 :3 - 核苷酸酶 5 - 核苷酸酶 2 核苷的降解核苷经核苷酶作用, 分解为嘌呤碱嘧啶和戊糖 N-C 糖苷健核苷磷酸化酶 : 广泛存在于生物体内, 催化反应可逆 核苷水解酶 : 主要存在于植物, 微生物体内, 只作用于核糖核苷, 反应不可逆 二 嘌呤的降解 不同种类的生物分解嘌呤的能力不同, 但基本上经过共同的途径进行分解 :

123 三 嘧啶的降解 不同种类的生物对嘧啶的分解过程不一样

124 一 核糖核苷酸的生物合成 第三节核苷酸的生物合成 常见的合成途径有两条 : 一条利用氨基酸 磷酸或糖等简单的化合物合成, 成为从头合成 另一条是利用核算的降解或进食等从外界补充的含氮碱基或核苷合成, 称为补救途径 ( 一 ) 嘌呤核苷酸的生物合成 1. 从头合成途径 (1) 嘌呤环上各原子的来源

125 (2) 次黄嘌呤核苷酸 (IMP) 的合成 1 首先需要 5- 磷酸核糖 -1 焦磷酸 (PRPP) 供给核苷酸的磷酸核糖部分, 在 C- 位置上逐渐加上去嘌呤的各个院子 2 关键步骤是, 从 PRPP 和谷氨酯酶形成 5- 磷酸核糖胺 (PRA) 在这反应里,C-1 从构型转变为 β- 构型 ( 因为天然核苷酸都是 β- 构型 ) 需要焦磷酸水解释放能量 35- 磷酸核糖胺的氨基位置上, 由甘氨酸和四氯叶酸先后提供 C 和 N 原子形成甲醛甘氨酸胺 这样嘌呤环骨架的 位顺序已形成 4 由谷氨酸胺的酯胺基提供第 3 位 N 原子, 形成甲醛甘氨核苷酸 接着脱水闭环形成 5- 氨基咪唑核苷酸 需 ATP 提供能量 5 然后由 CO 2, 天冬氨酸, 甲醛四氢叶酸先后提供, 六元环上的其他原子, 最后形成次黄嘌呤核苷酸 (3)GMP( 鸟嘌呤核苷酸 ) 和 AMP( 腺嘌呤核苷酸 ) 的合成 次黄嘌呤核苷酸由天冬氨酸提供氨基到 C-6 位上生成 AMP 由 GTP 提供能量 2 补救途径由嘧啶碱和核苷合成核苷酸 (1) 嘧啶碱的直接利用由尿嘧啶转变为尿嘧啶核苷酸可以通过两种方式进行 (2) 核苷的直接利用生物体内的核苷可以直接转变为核苷酸加以利用, 碱基也可以通过核苷磷酸化酶生成核苷 ( 二 ) 嘧啶核苷酸的生物合成 1 从头合成途径 (1) 嘧啶环上各原子的来源 :

126 三姑哀叹四天 特点腺合成游离的嘧啶环, 再由 PRPP 提供磷酸核糖生成嘧啶核苷酸 (2) 尿嘧啶核苷酸的合成 : 动物中, 合成场所是肝脏 生物体内的氨甲酰磷酸可由氨 CO 2 和 ATP 合成 用于形成嘧啶的氨甲酰磷酸需由谷氨酸胺作为氨的供体 尿嘧啶核苷酸的酯促合成需 5 步反应 (3) 胞嘧啶核苷酸的合成由尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上进行的 在细菌中, 鸟嘧啶核苷三磷酸直接与 NH 3 作用, 生成胞嘧啶核苷三磷酸 在动物组织中, 则需要由谷氨酸胺供给氨基 : 2 补救途径由嘌呤碱核苷合成嘌呤核苷酸 ( 哺乳动物和微生物 ) (1) 嘌呤碱的直接利用生物体内催化嘌呤碱直接转换成核苷酸的酶主要有两种 : 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 : 次黄嘌呤 ( 鸟嘌呤 ) 磷酸核糖转移酶 : 嘌呤磷酸核糖转移酶在人类嘌呤核苷酸代谢中非常重要 Lesch-Nyhan 综合症是人类中一种与 X 染色体连锁的隐性伴性遗传病, 主要见于男性, 患者行为反常, 智力迟钝, 痉挛性大脑麻痹且自我会上 患者先天性缺乏次黄嘌呤 ( 鸟嘌呤 ) 磷酸核糖转移酶 (2) 核苷的直接利用生物体内的核苷可以直接转变为核苷酸加以利用, 碱基也可以通过核苷磷酸化酶生成核苷 二 脱氧核糖核苷酸的生物合成 2- 核糖核苷酸都是由相应的核苷酸通过以氢代替 2-OH 基还原得来

127 1 核糖核苷酸的还原在生物体内, 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶和尿嘧啶四种核糖核苷酸均可被还原成相应的脱氧核糖核苷酸 由细菌和动物组织中已分别提取出催化此还原反应酶系 核糖核苷酸还原酶主要有四种类型 : 1 在自然界广泛分布并存在于哺乳动物细胞中的一类酶, 含有非正铁血红素 ( 双核铁 Fe 3+ -O- Fe 3+ -O-) 由一种以上的多肽链组成 对核苷二磷酸还原作用有专一性 2 局限在某些微生物中, 只含有一种多肽链, 需钴胺素 (VB 12 ) 作为专门的辅酶, 不含非正铁血红素 例如来自大肠杆菌的第一种类型的酶系 包括四种蛋白质 : 硫氧还蛋白 硫氧还蛋白还原酶 蛋白质 B1 和 B2. 2 胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸的合成 (dtmp) 是由尿嘧啶脱氧核糖核苷酸 (dump) 经甲基化而生成催化的酶为胸腺嘧啶核苷酸合酶 甲基的供体是 N 5,N 10 亚甲基四氢叶酸

128 课程单元题目 教案首页 第十一章核酸的生物合成 本单元学时 6 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 12 月 教学目的与要求 : (1) 掌握 DNA 复制的一般特征, 了解 Meselson-Stahl 对 DNA 半保留复制的实验证明 (2) 掌握 DNA 复制的一些基本概念, 了解参与 DNA 复制的主要蛋白质和酶结构与功能 (3) 掌握保证 DNA 复制的高度忠实性的各种机制 (4) 掌握 DNA 转录的一般特征及其与 DNA 复制的主要差别 (5) 掌握原核生物启动子的特征及原核生物的转录历程 (6) 掌握真核生物转录与原核生物转录的主要区别教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 :DNA 的半保留 半不连续复制的基本特点,DNA 复制相关的酶及有关因子, DNA 的不对称转录, 有意义链和反意义链,DNA 复制的高度忠实性教学难点 :DNA 的半保留 半不连续复制,DNA 不对称转录中有意义链和反意义链 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1)DNA 的生物合成 3 学时 (2)RNA 的生物合成 2 学时 (3) 核酸合成的抑制剂 1 学时 重要中 外文词汇 : DNA 的复制 (DNA replication),dna 聚合酶 (DNA polymorase),dna 连接酶 (DNA ligase) DNA 解旋酶 (DNA helicase), DNA 拓扑异构酶 (DNA topoisomerase) DNA 的半不连续复制 (semidiscontinuous replication), 冈崎片段 (Okazaki fragment) 转录 (transcription),rna 聚合酶 (RNA polymorase), 启动子 (promoter) 转录起点 (start point), 上游 (upstream), 下游 (downstream),σ 因子 (sigma factor), 终止子 (terminator),ρ 因子 (rho factor) 思考题 : 1 试述遗传学中心法则的主要内容 2 为什么说 DNA 的复制是半保留 半不连续复制? 3 与 DNA 复制的高保真性有关的因素是什么? 4 简述原核生物的转录过程 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, 罗伯特 维弗. 分子生物学. 第 2 版. 刘进元, 李骥, 赵广荣等译. 北京 : 清华大学出版社, 朱玉贤, 李毅, 郑晓峰. 现代分子生物学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

129 第十一章核酸的生物合成 现代科学已经充分证明, 核酸是生物遗传的物质基础 除少数 RNA 病毒外, 几乎所有的生物都是以 DNA 为遗传信息载体 生物的遗传信息以密码的形式编码在 DNA 分子上, 表现为特定的核苷酸的排列顺序, 并通过 DNA 的复制由亲代遗传给子代 在后代的生长发育过程中, 遗传信息子 DNA 转录给 RNA, 然后翻译成特异的蛋白质, 以执行各种生命功能, 后代表现出与亲代相似的遗传信息 这种遗传信息的流动过程称为分子遗传的中心法则 : 1958 年, 遗传信息的单项遗传 一个中心 (DNA) 和两个基本点 (RNA 和蛋白质 ) 后来人们发现, 在宿主细胞中, 致癌 RNA 病毒, 能以自己的 RNA 为模板复制出新的病毒 RNA. 劳氏肉瘤病毒是以病毒 RNA 为模板, 逆转录为 DNA, 然后再从 DNA 转录出病毒 RNA, 翻译成蛋白质 复制 : 是以亲代 DNA 为模板或 RNA 为模板, 按照碱基配对原则, 合成出与亲代相同的子代 DNA 或 RNA 的过程 转录 : 是以 DNA 分子的一条链为模板, 按照碱基配对原则, 合成出一条与模板 DNA 链互补的 RNA 的过程 翻译 : 也叫转译, 是以 mrna 为模板, 按照三个核苷酸决定一个氨基酸的原则, 把 mrna 上的遗传信息. 转换成蛋白质中特定的氨基酸的复制的过程 逆转录 : 是以 RNA 为模板, 合成 DNA 的过程 一 DNA 的复制 第一节 DNA 的生物合成 复制部位 :(1) 真核生物 : 细胞核, 细胞周期的后期, 以染色体把复制的基因分配到子细胞中 (2) 原核生物 : 细胞质的核质区 ( 一 ) 复制方式 半保留复制 1. 定义 : 由亲代 DNA 生成子代 DNA 时, 每个新形成的子代 DNA 中, 一条链来自亲代 DNA, 而另一条链则不新合成, 这种复制方式叫半保留复制 2. 证据 :

130 原核生物 真核生物 1958 年,M.Meselson 和 F.W.Stahl 利用同位素 15N 标记大肠杆菌 DNA, 首先证明了 DNA 的半保留复制 后来又用许多其他原核生物和真核生物复制中的 DNA 做类似的实验, 都证明了 DNA 的半保留复制 ( 将大肠杆菌培养在以 15NH4CL 为唯一氮源的培养基中, 连续培养代以后, 细胞内的 DNA 几乎全部为 15N 的标记 再将 15N 标记的大肠杆菌转移到含 14N H4CL 的培养基中培养, 一代之后,DNA 只出现一条带, 位置在 15N-DNA 与 14N-DNA 之间, 表明是杂合分子 培养二代后,DNA 出现两条带, 一条为 15N-14N-DNA 杂合分子, 另一条带为 14N-DNA, 两条带等量出现 继续培养,14N-DNA 分链逐渐增加, 杂合链逐渐减少 ) 3. 生物学意义 : DNA 的半保留复制表明 DNA 在代谢上的稳定性, 保证亲代的遗传信息, 稳定的传递给后代 ( 二 ) 与 DNA 复制有关的酶和蛋白质 ( 参考大肠杆菌 DNA 复制的酶及有关因子 ) DNA 复制是一个很复杂的过程, 需要四种脱氢核苷酸 (datp,dgtp,dctp,dttp) DNA 模板 引物和许多酶和蛋白质因子 1 DNA 聚合酶 (DNA polymerases) (1) 以 DNA 为模板, (2) 以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物, 按照碱基配对的原则, 把脱氢核粒核苷酸逐个加到引物或延伸链的 3 -OH 末端, 形成 3 >5 磷酸二酯键 DNA 合成方向为 5 >3 DNA 聚合酶还有 3 >5 外切酶活性, 与 5 >3 聚合活性共同保证 DNA 合成过程的高保真大肠杆菌三种 DNA 聚合酶比较 DNA 聚合酶催化活性功能 DNA 聚合酶 I DNA 聚合酶 II DNA 聚合酶 III DNA 聚合酶 α DNA 聚合酶 β DNA 聚合酶 γ DNA 聚合酶 δ DNA 聚合酶 ε 5 >3 聚合作用 3 >5 外切活力 5 >3 外切活力 DNA 损伤的修复, 切除 RNA 引物 + + 无 DNA 损伤的修复 ( 活性低 ) + + 无负责链的的正端 ( 活性高 ) + 合成引物 线粒体的 DNA 合成酶 + + 合成前导链和滞向链 + + 参与 DNA 修补合成

131 在大肠杆菌中发现了三种 DNA 聚合酶, 分别命名为 DNA 聚合酶 I, II 和 III (1)DNA 聚合酶 I: 1956 年由 A.Kornberg 和他的合作者发现的 相对分子质量为 , 含有 2n 2+ 是一个多功能酶, 具有 (1):5 >3 聚合酶活性 (2):3 >5 外切酶活性 (3):5 >3 外切酶活性在 DNA 损伤修复和切除 RNA 引物中发挥作用 (2)DNA 聚合酶 II: 1970~1971 年分离出来, 相对分子质量为 , 具有 (1):5 >3 聚合酶活性, 但仅为 DNA 聚合酶 I 的 5% 3 >5 外切酶活性, 没有 5 >3 外切酶活性 (3)DNA 聚合酶 III 为寡聚酶, 全酶有 10 种亚基但含有 2n 2+, 相对分子质量为 具有 15 >3 聚合酶活性, 活性很高, 为 DNA 聚合酶的 50 倍 3 >5 外切酶活性与 DNA 复制的主要酶全酶由 α β γ δ δ ε θ σ τ χ 和 ψ 10 种不同的亚基组成 其中 α ε θ 亚基组成核心酶, 主要起催化作用 β 亚基以二聚体形式存在, 把核心酶夹模板上 γ 复合物由六个亚基组成 R2, δ δ χ ψ 是一个不对称的物, 协助 β 亚基作用 τ 二聚体可结合两个核心酶和一个 γ 复合物 2 引物酶任何一种 DNA 聚合酶都不能从头合成一条新的 DNA 链, 必须有一反引物 RNA 引物 (1~ 10 个核苷酸 ), 由引物酶催化合成 这种引物酶单独存在时不活泼, 只有与有关蛋白质合成一个复合物才有活性 这种复合体称为引发体 : DnaB 六聚体, 具有活化引物合成酶功能 DnaC 六聚体, 是 DnaB 的辅助蛋白, 把 DnaB 吸纳到起始点,DnaT 催化功能 PriA PriB PriC 等 3 DNA 连接酶催化双链 DNA 中一条链上的缺口共价连接, 缺口上的 3 OH 与 5 磷酸酰基相连 如果缺少一个或几个核苷酸残基, 连接酶就不能将缺口连接, 也不能将两条游离的单链连接起来 是 DNA 复制 损伤修复和重组中不可缺少的酶 4 DNA 解旋酶催化 DNA 双螺旋解链的酶, 却以寡聚体发挥作用, 通常为六聚体 解旋酶首先结合于 DNA 的单链上, 依靠水解 ATP 提供能量向双链方向移动并将双螺旋分开 5 单链结合蛋白与解链后的 DNA 单链结合, 阻止每次形成双螺旋

132 大肠杆菌的 SSB 由 4 个相同的亚基组成 其作用方式是先结合到已存在的单链区, 其后的 SSB 的结合功能可提高 1000 倍, 但使单链区迅速矿展, 并被 SSB 覆盖 6 拓扑异构酶 DNA 复制时模板 DNA 超螺旋的也和复制后的超螺旋再恢复都需要拓扑异构酶 按照作用机制, 拓扑异构酶可分为 I,II 两种类型拓扑异构酶 I 主要作用是消除负超螺旋, 作用方式是在 DNA 的一条链上产生一个切口拓扑异构酶 II 主要作用是引入负超螺旋, 作用方式是仗 DNA 的两条链同时发生分裂和再连接 从而抵消了 DNA 复制交叉活动的正超螺旋 ( 三 ) 原核细胞的 DNA 复制 1 复制的起始复制从特定的位点开始, 这一位点叫复制原点原核生物的 DNA 一般只有一个复制原点 (DNA 是环状双链分子 ), 反粒 DNA 和细胞器 DNA 能独立进行复制的单位称为复制子 每个复制子都含有核质复制起始的复制原点 大肠杆菌染色体是一个循环的 DNA 分子, 复制起点是由 245bp 组成的特殊序列 复制的起始点包括一系列复杂的步骤 1 引发体或是 DnaA 蛋白识别并在复制起点上的 4 个 bp 重复序列上,20~40 个 DnaA 蛋白各带一个 ATP 聚集结合在此位点上,DNA 缠绕其上 2 形成的复合物促使左侧相邻的 3 个成串的 13bp 序列被解链, 形成 眼状 结构 复制眼 3 在 DnaC 的帮助下 DnaB 六聚体结合在解链区的中间复合物上, 培养 PriA 引物酶等蛋白质相继结合, 组成复制引发体 其中 DnaB 具有解旋酶活性, PriA 可水解 ATP 推动 DNA 双螺旋解链, 引物酶催化合成 RNA 引物 拓扑异构酶 II 向 DNA 中引入负超螺旋, 作用是促进 DnaA 的结合及消除解链产生的扭曲张力 2 复制的延伸复制叉的组装完成后,DNA 聚合酶 III 各亚基组装成活性很高的 DNA 聚合酶 III 全酶, 在 RNA 引物 3 OH 端添加新的 dnmp 残基, 新生的 DNA 链 5 >3 方向不断延伸 当复制叉沿 DNA 向前移动时, 由于两条模板链反向平行的, 而 DNA 聚合酶 III 只能以 5 >3 的方向合成新链, 因而两条新链的合成方向 : { 一条链延伸的方向与复制叉前进的方向一致, 能连续合成, 称为前导链 { 另一条链延伸的方向与复制叉前进的方向相反, 显然不能连续合成, 只能按 5 >3 的方向合成许多小片段, 而且总晚于前导链, 称为滞后链 滞后链中合成的多个较小的 DNA 片段成为冈崎片段, 是冈崎等人 1965 年发现的 然后这些小片段由 DNA 聚合酶 I 切除片段上的引物, 再由连接酶把他们连接成一条完整的子代链 这种在复制叉上新生的 DNA 链一条 5 >3 方向连续合成, 另一条则按 5 >3 方向不连接合成的方式, 称为半不连续复制 根据计算, 每一个复制叉上仅结合着一个 DNA 聚合酶 III 全酶的二聚体, 证明前导链和滞后链中 DNA 的延伸由同一个 DNA 聚合酶 III 催化的, 即上 DNA

133 聚合酶 III 是怎样同时合成前导链和滞后链的? 为此, 有人提出一个回环结构模型 : 该模型认为,DNA 聚合酶 III 全酶的两个不对称亚基的核心酶可分别催化前导链和滞后链的合成 当前导链上 DNA 开始合成和复制叉向前移动时, 滞后链的模板即 DNA 聚合酶向后四折成环, 穿过 DAN 聚合酶 III 的另一个催化中心, DNA 合成就从 RNA 引物的 3 端开始并逐步延伸, 当到达前一个冈崎片段的 5 端时, 滞后链的模板立即脱离聚合酶, 回环解开 随着前导链上 DNA 合成的继续, 新的滞后链模板又出现, 它又结聚合酶形成一个新的回环, 再次进行下一个冈崎片段的合成, 这样,DNA 聚合酶 III 的异二聚体就保证了同时合成出两条子链 3 复制的终止大肠杆菌染色体的两个复制叉向前推移, 最后在终止区 TER 位点相遇, 复制终止 最后有 DNA 聚合酶 I 填补空隙, 由连接酶封口 4 复制的高保真度通常大肠杆菌 DNA 复制的误差率被有效的控制在 10-9 ~10-10 以下, 这主要靠 DNA 聚合酶实现的 : 1DNA 聚合酶的 5 >3 聚合活性对底物的选择, 模板链碱基与进入的 dntp 碱基方向必须正确匹配 ; 2DNA 聚合酶的 3 >5 外切活性具有相对功能, 可以及时切除错配碱基 3DNA 聚合酶的修复功能 ( 四 ) 真核细胞的 DNA 复制真核细胞的 DNA 复制在许多方向与大肠肝菌相似 复制的方式也不半保留复制 ; 前导链的合成是连续的, 滞后链的合成是不连续的, 不连续复制机制等 但由于真核细胞染色体比大肠杆菌染色大得多, 又是线性的 DNA 分子, 所以复制机制更为复杂, 主要有以下特点 : 1 DNA 聚合酶种类 2 DNA 是多起点双向复制的, 构成了多个复制子 3 DNA 复制的冈崎片段长约 100~200 个核苷酸, 比原核的短 4 真核细胞在完成全部染色体复制之前, 各复制子不能再开始新一轮复制, 而原核细胞在旺盛生长的条件下, 而一轮复制尚未完成就在复制点开始第二轮复制 5 在 DNA 复制的同时, 还需组装新的核小体 6 进行端粒复制原核生物的染色体是环状的, 它可以合成完整的 DNA 分子 而真核生物的染色体是线性分子, 它的滞后链 5 端不能被复制, 在染色体端部就留下了缺口, 仅已复制出的新链缩短 多数生物都能进行端粒复制, 缩短它的酶端粒酶.. 端粒酶是 RNA 与蛋白质组成的一种核粒核蛋白体, 具有转录酶活性, 能利用自身携带的 RNA 链作为模板, 以 NTP 为原料, 以逆转录的方式催化互补, 于 RNA 模板的滞后链 DNA 片段的合成. 端粒酶作用机制尚不清楚, 大致过程如下 : 每个线性染色体 DNA 末端却含有端粒结构 : 含有多拷贝的富含 G 的重复序列. 1 端粒酶自身携带的 RNA 模板 3 端可与端粒滞后链模板的 3 端通过碱基

134 配对形成 DNA RNA 的部分杂交链 ; 2 利用端粒酶的 RNA 模板, 将 dntp 逐个加到滞后链模板 3 端, 一直进行到 RNA 模板的 35 位 3DNA RNA 杂交链之间发生相对滑动,DNA 链 3 端和 RNA 模板的下游 3 端形成新的碱基配对 4 端粒滞后链模板 DNA 链又延伸到 RNA 模板的第 35 位,DNA RNA 杂交链方向再次发生移位和配对, 周而复始, 知道滞后链模板的 3 端延伸到足够长时, 端粒 3 末端又回折成发夹结构, 成为引物, 复制滞后链的 5 端, 合成完整的滞后链, 在生殖细胞和受精卵中端粒酶才有较高的活性 二 逆转录作用 ( 一 ) 定义 : 以 RNA 为模板合成 DNA 的过程 ( 二 ) 逆转录酶 : 是一种多功能酶, 具有三种酶的活力 : 1 依赖 RNA 的 DNA 聚合酶活力即以 RNA 为模板, 合成一条 DNA 互补链, 形成 RNA DNA 杂交分子 2 核粒核酸酶 H 的活力即水解 RNA DNA 杂交链中的 RNA, 有着 3 >5 和 5 >3 外切酶活力 3 DNA 指导的 DNA 聚合酶活力即以新合成的 DNA 为模板, 合成互补 DNA 链, 形成 DNA 双螺旋 ( 三 ) 逆转录过程 1 逆转录病毒 : 指有致癌 RNA 病痛都含有逆转录酶生活周期 : 当致癌病毒进入宿主细胞后, 在逆转录酶作用下, 以 RNA 为模板, 形成双链 DNA( 前病毒 ), 此双链 DNA 可进入宿主细胞核, 并整合到宿主 DNA 中, 随宿主 DNA 一起分别传递给子代细胞 在某些条件下, 潜伏的 DNA 活跃起来, 转录出病毒 RNA 而无病毒繁殖 ; 在另一些条件下, 它可以引起宿主细胞癌病 2 嗜肝 DNA 病毒 : 例如乙型肝炎病毒, 经过逆转录步骤 ( 四 ) 逆转录的生物意义 1 扩充了中心法则 2 有助于对病毒致癌机制的了解 3 与真核细胞分裂和胚胎发育有关 4 逆转录酶分子生物学和基因工程中基因的一种工具酶 三 DNA 的损伤 修复和突变 ( 一 )DNA 的损伤某些活化因子, 如紫外线 电离辐射和化学诱变剂等, 都能造成 DNA 结构的破坏 从而使其复制和转录功能受到阻碍 目前已知道的有四种修复方式 : 1 光修复由 DNA 光裂酶催化, 该酶需光 (400~500nm) 才能激活 可修复由紫外线光照射而造成的损伤 2 切除修复是在一系列酶的作用下, 将 DNA 分子中受损伤的部份切除, 以完整的那条

135 链为模板, 合成出切去的部分 这是一种比较普遍的修复机制 其修复过程可概括为切开 > 修补 > 切除 > 连接 {1 由特异粒的内切酶识别, 并在其前切开磷酸二酯键 ; {2DNA 聚合酶在断口处进行 DNA 合成 ; 功能 {3 由 5 核酸外切酶将损伤部位切除 ; {4 由连接酶将新合成 DNA 片段与原 DNA 部分连接 3 重组修复在重组酶的作用下, 带缺口的 DNA 与完整的姐妹双链进行重组交换, 因相应的 DNA 片段填补子链上的缺口 而在另一条亲链产生的缺口, 则由 DNA 聚合酶以与其互补的完整子链为模板进行修复合成, 最后有连接酶将缺口封好 ( 二 )DNA 的突变 1 概念 : DNA 分子中的碱基序列发生突然而稳定的改变, 从而导致 DNA 的复制以及后来的转录和翻译随之发生变化, 表现出异常的遗传特性, 称为 DNA 突变 2 类型 : 根据发生突变的碱基变化可把 DNA 突变分为以下几种 : 1 置换 : 一个或几个碱基的置换, 又称点突变, 分为两种 { 转换 : 同类碱基之间的置换 { 颠换 : 异类碱基之间的置换 2 插入 : 在 DNA 链中插入一个或几个碱基对, 导致遗传密码阅读框的改变, 称为移码突变 3 缺失 : DNA 链丢失一个或几个碱基对后, 导致遗传密码阅读框的改变, 是双移码突变 一 转录 第二节 RNA 的生物合成 ( 一 ) 定义 : 以 DNA 分子中的一条链为模板, 在 RNA 聚合酶的催化下, 按照碱基配对的原则, 以四种 NTP 为原料, 合成出一条与模板 DNA 链互补的 RNA 的过程 ( 二 ) 方式 : 不对称转录 : 仅以 DNA 一条链的某一区为模板 1 模板链 ( 又叫负链 ) 在转录中, 用作模板的 DNA 链, 称为模板链 2 编码链 ( 又叫正链 ) 在转录中, 不作为模板的 DNA 链, 通常用正链 DNA 的碱基序列表示基因的序列 ( 三 )RNA 聚合酶 参与转录的酶大肠杆菌的 RNA 聚合酶由五个亚基组成 :α2ββ σ,σ 因子与其它部分的组合不是十分紧密, 易于与其他亚基分离, 没有 σ 的酶称为核心酶 其中 β 亚基可与 DNA 模板结合, 还与转录的终止有关 ; β 亚基有 NTP 单体结合部位, 与 RNA 合成的引发和链延伸有关 ;

136 α 亚基有 β 亚基结合位点, 功能不详 ; α 亚基有启动子结合部位, 参与特定基因转录的起始 ( 四 ) 转录的过程 1 起始位点的识别 RNA 的合成不需要引物 2 转录的起始过程 1 由全酶在启动子附近将 DNA 局部解链 2 第一个核苷三磷酸 3 第二个核苷三磷酸的加入, 连接到第一个核苷酸的 3 羟基上, 形成了第一个磷酸二酯键 4σ 因子从全酶上掉下, 又去结合其他的核心酶 3 RNA 链的延伸当 σ 因子从全酶上脱落后, 核心酶与 DNA 链的结合变得松弛, 可以在模板上滑动, 方向为 DNA 模板链的 3 >5, 同时将核苷酸逐个加到 RNA 链的 3 OH 端, 使 RNA 链以 5 >3 方向延伸 4 转录的终止 DNA 分子上有终止转录的特殊信号, 称为终止子 ( 是基因末端一段特殊的序列 ) 大肠杆菌有两类终止子 : { 弱终止子 : 需要 p 因子帮助 { 强终止子 : 不依靠 p 因子, 它的特点是在终点前有一段富含 G C 的回文顺序 当终止子顺序被转录时, 与回文顺序对应的 RNA 转录产物可形成发夹结构, 仗 RNA 聚合酶成慢移动或停止 RNA 的合成 发夹结构后有一连串 U, 可能提供给信号 RNA 聚合酶脱离模板 ( 五 ) RNA 的转录后加工原核生物的 mrna 经转录就有模板活性, 一般不进行转录后加工, 但 trna 和 rrna 的转录产物均为前体分子, 必须经过一系列加工才能成为有活性的分子 1 rrna 前体的转录后加工大肠杆菌的 rrna 前体分子沉降为 30S 先在特定的碱基上甲基化, 然后被专一的核酸内切酶裂解为 17S,25S 等中间产物, 再由另一些专一的核酸外切酶切除不必要的核苷酸碱基, 生成 16S,23S,5S rrna 和 trna. 2 t RNA 前体的转录后加工包括 : 切除 5 和 3 端多余的核苷酸序列 ; 有的 trna 要在 3 端添加 CCAOH 序列, 作为氨基酸的结合部位, 还要对核苷酸的一些特定碱基和戊粒进行修饰 ( 六 ) 真核生物和原核生物转录的复制 1 真核生物中转录与翻译发生在不同的区域转录发生在细胞核内, 翻译则在细胞质中的核粒体上进行 2 RNA 聚合酶不同真核生物中至少有三种 RNA 聚合酶, 作用方式一样 3 启动子不同

137 4 转录后 RNA 的加工修饰不同真核生物 mrna 原核转录物很大, 在加工过程中形成大小不一的中间物, 核不均 RNA, 需要进一步加工转化为 mrna 15 端形成特殊的帽子结构, 有利于核粒体对 mrna 识别 23 端添加多聚腺苷酸 3 剪去内含子, 接外亚子 4 对链内特定核苷酸进行甲基化修饰 二 RNA 的复制 多数植物病毒 许多动物病毒和噬菌体可以以自身 RNA 为模板, 进行复制不同的 RNA 病毒复制方式不同通常将具有 mrna 功能的链称为正链, 它的互补链为负链 一 核苷酸合成抑制剂 第三节核酸合成的抑制剂 此类抑制剂在结构上类似于核苷酸合成代谢底物或中间产物 1 氨基酸类似物 2 叶酸类似物 3 碱基和核苷类似物 二 与 DNA 模板合成的抑制剂 此类抑制剂能与 DNA 结合, 从而抑制转录和复制 1 嵌合剂如放线菌来自链霉菌, 可以嵌入双链 DNA 上相邻的 d G-d C 之间, 形成外共价复合物 2 烃化剂 三 作用于聚合酶的抑制剂 直接作用与 DNA 聚合酶或 RNA 聚合酶如利福霉素也是从链霉菌中分离出来的, 他能与细菌 RNA 嘌呤酶亚基结合, 阻断转录的启动, 它的衍生物利福平常被用于临床抗菌药又如磷羧基乙酸 { 在低浓度时可抑制病毒的 DNA 聚合酶 { 在较高浓度时对寄主细胞的 DNA 合成有影响

138 课程单元题目 教案首页 第十二章蛋白质的生物合成 - 翻译 本单元学时 6 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2012 年 12 月 教学目的与要求 : (1) 掌握遗传密码的主要特征, 了解破译密码曾经使用过的几种方法 (2) 掌握 mrna trna 的结构特征, 了解核糖体的结构及其主要功能部位 (3) 掌握原核生物蛋白质合成的过程 (4) 掌握原核生物和真核生物参与翻译的起始因子 延伸因子及终止因子的功能 (5) 掌握真核生物和原核生物在翻译方面的主要差别 (6) 掌握翻译后加工的主要形式及功能教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 遗传密码的主要特征,mRNA trna 的结构特征, 核糖体的主要功能部位, 原核生物蛋白质合成的过程, 真核生物和原核生物在翻译方面的主要差别, 翻译后加工的主要形式及转运机制 教学难点 : 氨酰 -trna 合成酶的反应机制和校对机制, 蛋白质转运机制 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 遗传密码 1 学时 (2) 蛋白质生物合成的分子基础 2 学时 (3) 蛋白质生物合成过程 2 学时 (4) 蛋白质合成的抑制剂 蛋白质合成后的加工及运输 3 学时 重要中 外文词汇 : 翻译 (translation), 遗传密码 (genetic code),sd 序列 (Shine-Dalgarno sequence), 氨 酰 -trna 合成酶, 多聚核糖体 (polyribosome), 起始因子 (initiation factor,if), 延伸因子 (elongation factor,ef),, 终止释放因子 (release factor,rf), 分子伴侣 (molecular chaperone), 共翻译转运 (contranslatinal transport), 翻译后转运 (post-translation transport) 思考题 : 1 真核生物蛋白质合成起始与原核生物有哪些区别? 2 简述原核细胞的延伸循环 3 简述在翻译过程中, 在哪些环节上保证了所合成的多肽链的正确性 4 列表比较复制 转录和翻译过程中抑制剂的影响 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, 罗伯特 维弗. 分子生物学. 第 2 版. 刘进元, 李骥, 赵广荣等译. 北京 : 清华大学出版社, 朱玉贤, 李毅, 郑晓峰. 现代分子生物学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社,2005.

139 第十二章蛋白质的生物合成 从遗传信息流动的中心法则我们了解到, 蛋白质是基因表达的最终产物, 它的生物合成不是氨基酸之间肽键连接的简单生化反应, 而是 DNA 上遗传信息通过 mrna 翻译成蛋白质多肽链中氨基酸的过程 翻译过程十分复杂, 除了 20 种蛋白质氨基酸外, 几乎涉及到细胞内所有种类的 RNA 和十几种蛋白质因子, 可以说是细胞内生物合成途径 什么是翻译? 翻译 (translation) 是指在 mrna 指令下, 按照三个核苷酸决定一个氨基酸的原则, 把 mrna 上的遗传信息转换成蛋白质中特定的氨基酸序列的过程 一 遗传密码 第一节蛋白质合成体系 遗传密码 (genetic code) 是指 mrna 上的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列的对应关系 遗传密码是三联体的, 即 mrna 上三个连续的核苷酸编码一种氨基酸, 所以密码子 (codon) 也叫三联体密码 (triplet code) 1 遗传密码的破译遗传密码的破译, 即确定每种氨基酸的具体密码 这项工作有两位科学家做出了巨大贡献,Nirenberg 和 Khorana Nirenberg 和他的同事于 1961 年建立了体外翻译系统和核酸的人工合成系统, 破译了几种氨基酸的密码子 ( 如 UUU 是苯丙氨酸的密码子,CCC 是脯氨酸的密码子等 ), 后来又于 1964 年建立了核糖体结合技术, 很快就破译了 64 个中的 50 个 在 1966 年的时候,Khoranna 发展了化学合成多核苷酸的方法, 用这种方法得知 64 个遗传密码全部破译, 并被认为是 20 世纪最重要的科学论文之一 为此 Nirenberg 和 Khorana 而获得了 1968 年的诺贝尔奖 2 遗传密码的基本性质 (1), 方向性 : 密码子的阅读方向和它们在 mrna 上从起始信号到终止信号的排列方向都是 5 >3 (2), 简并性 : 编码同一种氨基酸的密码子称为同义密码子 这种现象称为密码子的简并性 (3), 通用性和例外 : 生物细胞共同使用一套遗传密码字典, 这叫遗传密码的通用性 但也有例外, 如人线粒体中,AUA AUU 不再编码 Ile, 而是编码起始信号 ;AGA AGG 不再编码 Arg, 而成为终止信号 (4), 连续性 : 在 mrna 链上, 密码子的排列是连续的, 密码子之间既没有重叠也不存在间隔, 即无标点性 (5), 有起始密码子和终止密码子在 64 种密码子中,AUG 除编码蛋氨酸外, 还是肽链合成的起始密码子, 而 UAA UAG UGA 为终止密码子 (6), 变偶性 ( 摆动性 ): 密码子的专一性主要由前两位的碱基决定, 而三位碱基有较大的灵活性 二 mrna( 信使 RNA,messagerRNA messagerrna)

140 约占细胞中 RNA 的 5% 种类多, 寿命短, 更新快 mrna 是由 DNA 经转录合成的, 是遗传信息的传递者, 是蛋白质合成中直接指令氨基酸接入的模板 mrna 能够编码一条多肽链合成的区段叫做编码区 原核生物 mrna, 一条 mrna 链上可以编码多条多肽链, 称为多顺反子 真核生物 mrna, 一条 mrna 链上只可以编码一条多肽链, 称为单顺反子 三 trna( 转运 RNA,transfer RNA) trna 含量相对较多, 占细胞中 RNA 的 15% trna 的二级结构是三叶草型, 三级结构呈倒 L 型 trna 是蛋白质合成中氨基酸的转运工具 与多肽合成的功能位点至少有四个 :1, 3 CCA 上的氨基酸接受位点 ;2, 识别氨酰 -trna 合成酶位点 ;3, 核糖体识别位点 ;4, 反密码子位点 由于密码的简并性, 绝大多数氨基酸需要一种以上的 trna 作为转运工具 把运输同一种氨基酸的不同 trna 称为同工受体 trna 常将 trna 能转运的氨基酸标在右上角以示标注, 如 四 核糖体 核糖体是蛋白质生物合成的场所 < 一 > 核糖体的存在部位原核生物的核糖体存在于细胞质中 真核生物的核糖体一部分在细胞质中, 呈游离状态 ; 另一部分与内质网结合, 形成糙内质网 在线粒体和叶绿体中也有核糖体 < 二 > 核糖体的组成和结构 1 组成 : 核糖体是由几十种蛋白质和 rrna 组成的巨大核蛋白颗粒 这些组分构成一个大亚基和一个小亚基 核糖体 rrna 蛋白质 原核生物 70S 30S 16S 21 种 50S 23S 5S 34 种 真核生物 80S 40S 18S 种 60S 28S 5.8S 5S 种 2 结构 : 大肠杆菌核糖体的三维结构模型小亚基 (30S): 好像一个动物胚胎, 由头部 基部和平台组成 头部和平台之间有一个缝隙 大亚基 : 好像一个沙发, 有一个柄 一个中央凸出部和一个脊 大小亚基组成核糖体时, 小亚基头部和大亚基突出部之间形成一个隧道 < 三 > 核糖体的活性部位 : 核糖体上至少有四个结合部位 : 1 mrna 结合部位 : 在大小亚基之间形成的一个隧道, 用以接纳 mrna 2 trna 结合部位 : 至少有两个氨酰基部位 (A 位 :amino acyl site): 结合新掺入得氨酰 -trna; 肽基部位 (P 位 :peptidyl site): 结合正在延长的肽酰 -trna < 四 > 多核糖体 (polyribosome)

141 多核糖体由一定数目的单个核糖体与一个 mrna 分子结合而成的念珠状结构 其中每个核糖体可独立完成一条肽链的合成 能以多核糖体可同时在一个 mrna 分子上进行每条肽链的合成, 提高了翻译的效率 五 翻译辅助因子 除以上三种合成体系外, 还需要一系列蛋白质辅因子 另外还需要 GTP ATP Mg 离子的参与 第二节蛋白质的合成过程 蛋白质的合成是从氨基端到羧基端, 还是从羧基端到氨基端? 大量实验证明, 是从氨基端到羧基端 (mrna 上信息的阅读从 5 端向 3 端进行的 ) 一 氨基酸的活化 游离氨基酸在掺入多肽链以前必须活化, 即氨基酸与特异的 trna 形成氨酰 -trna 氨基酸的活化反应是在胞质溶胶中由氨酰 -t RNA 合成酶催化合成的 1 氨酰 -trna 合成酶 1 具有高度的专一性, 能识别特异的氨基酸及相应的 trna 2 具有校对功能, 如果氨基酸出现错误, 则此酶会识别并很快将其水解掉 3 活化一个氨基酸消耗 2 个高能磷酸键, 相当于 2 个 ATP >2ADP 2 活化反应 : 分三步 1 酶 - 氨基酸 -ATP 络合物的形成 2 酶 - 氨基酸 -AMP 络合物的形成 3 氨基酸 -trna 的形成 二 肽链合成的起始 1 起始密码子的识别起始密码子 AUG, 既可以编码肽链中的蛋氨酸 (Met), 又可以作为肽链合成的起始信号 作为起始密码子的 AUG 一般位于 mrna 模板 5 - 端的第 25 个核苷酸以后, 并在其上游 (5 端 ) 约 10 个核苷酸处有一段富含嘧啶的序列 (SD 序列 ), 它与原核生物 30S 小亚基上的 16SrRNA3 - 端富含嘧啶序列形成碱基互补 这样就把核糖体正确定位于 mrna 上起始信号的位置 原核细胞中, 起始密码子 AUG 编码的是甲酰蛋氨酸 (fmet) 2 fmet-trna 的合成 : 3 起始步骤 1 30S 复合物的形成 1> 作功能性的 70S 核糖体在 IF 的作用下发生解离, 生成 IF3+30S 复合物和 50S 大亚基 2>IF3+30S 复合物识别 mrna 上翻译的起始信号, 并结合在这个部位形成 IF3+30S+mRNA 复合物 在 IF1 IF2 GTP 帮助下,fMet-tRNA 与上述复合物结合, 形成 30S 起始

142 复合物 3>70S 起始复合物的形成 :30S 起始复合物与 50S 大亚基结合, 释放 IF1 IF2 把 GTP 水解成 GDP 合 Pi, 形成 70S 起始复合物, 同时 fmet-trna 占据 p 位 空着的 A 位准备接受另一个氨酰 -trna 三 肽链的延伸 1 进位 : 与 A 位处的密码子相对应的氨酰 -trna 进入 A 位 需要消耗 GTP, 并需 EF-Tu( 热不稳定 ) EF-Ts( 热稳定 ) 两种了 延伸因子 2 转肽 : 在肽酰转移酶的作用下,P 位上的肽酰 -trna 的肽酰基从相应的 trna 上解离下来, 转移到 A 位氨酰 -trna 的氨基酸的氨基上形成肽键 3 移位 : 在 EF-G( 移位酶 ) 作用下, 核糖体沿 mrna5 >3 方向移动一个密码子的距离, 使肽酰 -trna 从 A 位移到 P 位 原来在 P 位的无负荷 trna 随即离开核糖体 同时一个新的密码子进入空着的 A 位 此过程消耗 GTP 水解提供能量 以上三步构成一个延伸循环, 肽链自掺入一个氨基酸就重复一次延伸循环 肽链就这样从氨基端 (N 端 ) 向羧基端 (C 端 ) 延伸 四 肽链合成的终止和释放 1 当 mrna 得终止密码子出现在 A 位时, 终止因子结合在 A 位, 肽链合成终止 RF-1: 识别终止密码子 UAA 和 UAG RF-2: 识别终止密码子 UAA 和 UGA RF-3: 具有 GTP 酶活性, 负责激活 RF-1 和 RF-2 2 终止因子使肽酰转移酶变为水解酶, 不再催化肽酰基转移到氨酰 -trna 上, 而将肽酰基转移到水分子上 把已合成的多肽链从核糖体和 trna 释放出来 3 无负荷的 trna 随即从核糖体上脱落 五 肽链合成的能量消耗 蛋白质的生物合成石个耗能的过程 翻译过程的能量消耗如下 : 氨基酸活化 : 需消耗两个高能磷酸键 肽链合成起始 : 消耗一个 GTP 进位 : 消耗一个 GTP 移位 : 消耗一个 GTP 所以, 第一个氨基酸掺入需消耗 3 个 ATP, 以后每掺入一个氨基酸需消耗 4 个 ATP 例 : 以游离的氨基酸为原料, 起始合成一个 100 肽, 至少需消耗多少 ATP? 六 多肽链合成后的加工 从 mrna 翻译得到的多肽链多数是没有生物活性的初级产物, 必须经过加工才能称为有活性的终产物 1 多肽链的修饰 : 1 N- 端修饰 :N- 末端甲硫氨酸的切除或除去甲酰基 2 水解切除 : 水解切除其多余的肽段

143 3 氨基酸侧链的修饰 : 羧化 羟化 甲基化及二硫键的形成等 4 糖基化修饰 : 在肽链上以共价键与单糖或寡糖连接 糖蛋白 2 多肽链的折叠 : 折叠 : 具有特定一级结构多肽链形成正确三维空间结构的过程 蛋白质在体内折叠的环境很复杂, 参与的蛋白质和因子比较多 七 蛋白质合成的抑制剂 蛋白质生物合成的抑制剂主要是一些抗生素, 如四环素 氯霉素 链霉素 嘌呤霉素等 1 四环素 (tetracycline) 抑制氨酰 -trna 与原核细胞核糖体的结合, 从而抑制多种细菌的蛋白质合成 2 氯霉素 (chloromycetin) 可以和原核细胞核糖体的 50S 亚基结合, 抑制肽酰转移酶, 阻断肽键的形成 高浓度时, 对哺乳动物线粒体内核糖体 50S 亚基也有作用, 所以很少在医学上使用, 除非其他抗生素不见效时才使用, 剂量和 3 链霉素 (steptomycin) 和卡那霉素 (kanamycin) 能与原核细胞核糖体 30S 亚基结合, 引起读码错误, 以致合成错误蛋白质 4 嘌呤霉素 (puromycin) 结构与氨酰 -trna3 端的结构体常相似, 常有游离的氨基酸可以取代氨酰 -trna 进入核糖体 A 位, 使正在延长的肽链转移到嘌呤霉素的氨基上 由于肽酰 - 嘌呤霉素在 A 位结合很多, 很快从核糖体上解离, 使蛋白质合成终止 另外还有一些物质能够以致真核生物蛋白质的合成 如白喉霉素是一种剧毒物

144 课程单元题目 教案首页 第十三章代谢调节 本单元学时 6 授课方式讲授 讨论 教案更新日期 2013 年 1 月 教学目的与要求 : (1) 掌握糖 脂和蛋白质代谢的相互关系 (2) 了解核酸与代谢的关系 (3) 掌握酶水平的调节, 了解细胞区域化调节 (4) 了解激素和神经对代谢的调节 (5) 了解原核基因表达的调控, 掌握操纵子学说 (6) 了解真核 DNA 调控中顺式作用元件和反式作用因子的相互作用教学重点 难点及对学生的要求 : 教学重点 : 代谢途径的相互关系, 代谢调节的四级水平, 酶水平的调节, 原核基因表达调控, 操纵子学说, 酶合成的诱导和阻遏, 真核 DNA 调控中顺式作用元件和反式作用因子的相互作用 教学难点 : 代谢途径的相互关系, 操纵子学说, 酶合成的诱导和阻遏 主要内容与时间安排, 采用的教学方法 : 全部采用课堂教学, 辅助多媒体课件 内容及学时安排如下 : (1) 代谢途径的相互联系 0.5 学时 (2) 代谢调节 2 学时 (3) 基因表达调控 1.5 学时 重要中 外文词汇 : 前馈激活 (feedforward activation), 反馈抑制 (feedback inhibition), 操纵子 (operon), 结构基因 (structural gene), 调节基因 (regulation gene), 操纵基因 (operator), 阻遏蛋白 (repressor), 诱导物 (inducer), 辅阻遏物 (corepressor), 乳糖操纵子 (lactose operon,lac), 色氨酸操纵子 (tryptophane operon), 衰减子 (attenuator), 顺式作用元件 (cis-acting element), 反式作用因子 (trans-acting factor) 思考题 : 1 为什么说三羧酸循环是糖 脂和蛋白质三大物质代谢的枢纽? 2 简述代谢调节的几个水平 3 细胞膜结构在代谢调节中起何作用? 4 图示乳糖操纵子的结构并简述其负调控方式 参考引用文献 : 1 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 王希成. 生物化学. 第 2 版. 北京 : 清华大学出版社, David L.Nelson,Michael M.Cox.Lehinger 生物化学原理. 第 3 版. 周海梦, 昌增益, 江凡等译. 北京 : 高等教育出版社, 朱玉贤, 李毅, 郑晓峰. 现代分子生物学. 第 3 版. 北京 : 高等教育出版社, 2008.

145 第十三章代谢调节 生物体是一个完整的统一体 糖 脂肪 蛋白质以及核酸等代谢在体内构成新陈代谢的整体网络 第一节代谢途径的相互联系 一 糖代谢与脂类代谢的相互联系 二 糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 三 脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系

146 四 核酸代谢与糖 脂肪及蛋白质代谢的相互联系 ATP 能量和磷酸基团的供应 UTP 单糖的转变和多糖的合成 CTP 参与卵磷脂的合成 核酸 核苷酸 GTP 供给蛋白质合成的能量 camp 激素的第二信使 CoA NAD(P+) FAD 等参与代谢 甘氨酸 天冬氨酸 谷氨酰胺 嘌呤 嘧啶合成 糖代谢的磷酸戊糖途径 磷酸戊糖 酶和蛋白质因子 核酸的合成 综上所述, 糖 脂肪 蛋白质及核酸在代谢过程中形成网络 见图 14-1 P361 其中三羧酸循环是各类物质代谢的共同途径, 也是它们之间相互联系的枢纽 第二节代谢调节 代谢是一个完整统一的过程, 它存在着复杂而精确的调节机制 生物体在长期进化过程中建立了四级水平的调节一 代谢调节的四级水平神经水平调节是生物进化发展而完善起来的调节机制, 是通过细胞水平和激素水平调节酶水平变化来实现细胞水平调节是最基本的调节方式酶水平调节二 酶水平的调节 : 是生物体内最基本 最普遍的调节方式 一 酶定位的区域化各代谢反应的酶定位于不同的细胞区域中, 见表 14-1 P364 二 酶活性的调节 1 酶原激活 ⑴ 酶原 : 酶的无活性前体 ⑵ 酶原激活 ( 不可逆的共价修饰 ): 某些酶先以无活性的酶原形式合成或分泌, 然后在到达作用部位后由其它酶作用, 使其失去部分肽链, 从而形成或暴露活性中心, 形成有活性酶分子的过程 ⑶ 酶原激活的实例 : 例 : 胃蛋白酶原 ( 胃黏膜 ) 胃蛋白 (N 末端切去 42 个氨基酸残基 )

147 胰蛋白酶原 ( 胰 ) 胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶原 胰凝乳蛋白酶 3 单性蛋白酶原 3 单性蛋白酶羧肽酶原 羧肽酶 2 酶活性的前馈和反馈调节前馈调节 (feed forward): 前面的底物对其后某一反应的酶的调节 前馈激活 (feed forward activation): 使代谢过程加快前馈抑制 (feed forward inhibition): 使代谢过程减慢反馈调节 (feed back): 代谢产物对前面的某一酶的调节反馈激活 (feed back activation) 反馈抑制 (feed back inhibition) 前馈和反馈调节都是通过酶的别构效应来实现的 ⑴ 限速步骤和标兵酶在代谢过程的一系列反应中, 如果其中一个反应进行的慢, 便会限制整个反应的进行, 这步反应称为限速步骤 催化此限速步骤的酶称为限速酶或 标兵酶 ⑵ 反馈抑制是指在系列反应中, 终产物对反应序列前头的标兵酶发生的抑制作用 在生物代谢中, 反馈抑制是普遍存在的, 有这么几种类型 : 1 一价或单价反馈抑制 (monovalent feed back inhibition) 在一个线性序列反应中 ( 不存在分支 ), 终产物单独抑制限速酶例如 : 大肠杆菌从天冬氨酸和氨甲酰磷酸经过序列反应, 最终生成 CTP CTP 反馈抑制催化第一步反应的酶 : 天冬氨酸氨甲酰基转移酶 (ATCase) 2 二价或多价反馈抑制 (divalent or multivalent feed back inhibition) 在分解代谢途径中, 限速酶的活性可受到两种或多种终产物的抑制 ⑴ 顺序反馈抑制 (sequential feed back inhibition) 例如 : 细菌中芳香族氨基酸的合成 图示 14 5 P368 ⑵ 协同反馈抑制 (concerted feed back inhibition) 例如 : 荚膜红假单孢菌中的苏氨酸和赖氨酸对天冬氨酸激酶的抑制 图示 14 6 见 P368 ⑶ 积累反馈抑制 (cumulative feed back inhibition) 例如 : 大肠杆菌谷氨酰胺合成酶的反馈抑制 ⑷ 同工酶反馈抑制 (isoenzyme feed back inhibition) 例如 : 从天冬氨酸合成赖氨酸 甲硫氨酸 苏氨酸 异亮氨酸的调节, 图 14 8 P369 总之, 反馈抑制在合成代谢中起重要作用, 通过反馈抑制, 可以避免合成过多的终产物, 也避免其它中间代谢物的堆积 3 前馈激活 : 是指在一反应序列中, 前面的代谢产物对后面的酶起激活作用, 使反应向前进行 例如 : 糖酵解中,1,6 二磷酸果糖对丙酮酸激酶的激活作用, 利

148 于糖酵解顺利进行 糖原合成中,6 磷酸葡萄糖对糖原合成酶的激活作用, 促进糖原合成 图示 14 7 P369 前馈激活在降解代谢中起调节作用 4 酶分子的解离和聚合酶分子的解离和聚合引起的构象改变对酶活力也有调节作用 3 酶的共价修饰和级联放大机制 ⑴ 共价修饰 (covalent modifieation) 在其它酶的催化下, 酶分子中某些基因可以共价地结合或脱去, 引起酶分子构象的改变, 使其活性得到调节, 这种方式称为酶的共价修饰, 这种酶称为共价修饰调节酶 目前已知有六种修饰方式 : 磷酸化 / 去磷酸化乙酰化 / 去乙酰化腺苷酰化 / 去腺苷酰化尿苷酰化 / 去尿苷酰化甲基化 / 去甲基化氧化 (S S)/ 还原 (2SH) 例如 : 糖原磷酸化酶的共价修饰 ⑵ 级联系统 (cascade system) 在连锁代谢反应中, 一个酶被激活后, 连续地发生其它酶被激活, 导致原始信号的放大 这样的连锁代谢反应系统叫级联系统 由于酶的共价修饰反应是酶促反应, 只需要有少量信号分子 ( 如激素 ) 存在, 即可通过酶促共价修饰逐级增大调节反应, 产生级联放大作用 例如 : 肾上腺素促进肝糖原的级联放大机制 P371 图 14 9 在这些连锁的酶促反应过程中, 前一反应的产物是后一反应的催化剂, 每进行一次共价修饰反应, 就产生一次放大作用 4 辅因子对已有酶活性的调节 ⑴ 能荷对代谢的调节能荷反映了细胞内 ATP,ADP 和 AMP 的浓度关系能荷对代谢的调节是通过 ATP,ADP,AMP 作为代谢中某些酶分子的效应物进行变构调节 ⑵[NADH]/[NAD+] 比对代谢的调节 NADH 和 NAD 在细胞内是与能量代谢和氧化还原反应 以维持一定的 [NADH] 和 [NAD+] 比例对正常的细胞代谢是必需的 ⑶ 金属离子浓度对代谢的调节许多酶可被金属离子活化, 金属离子的含量水平对酶活性起着调节作用 三 激素对代谢的调节 激素是由动 植物的特殊细胞合成, 并经体液输送到作用部位调节控制各种物质代谢和显示特殊生理活性的多种微量化学物质 ( 一 ) 激素的种类及生理内能

149 山西大同大学生命科学学院 二 激素调节的机制 1 蛋白质和肽类激素的调节机制 此激素从内分泌腺分泌后 经体液循环运送到靶细胞 与膜上受体结合 激 活膜上的腺苷酸环化酶 生成 CAMP CAMP 继而激活蛋白激酶 催化细胞内 蛋白质和酶的磷酸化 通过共价修饰和级联放大在代谢调节中起作用 P374 图 激素称为 第一信使 CAMP 称为 第二信使 这些激素有肾上腺素 胰高 血糖素 甲状腺素等 2 类固醇激素的调节机制 此类激素分泌后 经血液循环运送到靶细胞 与靶细胞内的 受体蛋白 结 合 形成激素受体蛋白复合物 此复合物进入细胞核 通过影响转录和蛋白质的 合成 来影响某种酶的活性 进而对代谢进行调节 P375 图 激素还是 第一信使 而细胞内的激素 受体蛋白复合物相当于 第二信使 四 神经系统对代谢的调节 高等动物有着复杂和完善的神经系统 可根据内外环境的变化 对体内各器 官的代谢和生理功能进行快捷有效的控制和协调 是最高水平的调节 第三节 基因表达调控 一 原核生物的基因表达调控 一 操纵子学说 1961 年 由 J.Monod 和 F.Jacob 提出的 1965 年获诺贝尔奖 1 操纵子 是 DNA 上控制蛋白质合成的一个功能单位 包括 结构基因 structural genes :表达一种或功能相关的几种蛋白