第一章 概 论

Transcription

1 酶在有机介质中的高度刚性而得到保持 ph 记忆 : 酶在有机介质中能 记住 它最后存在过的水溶液的 ph 值, 因该 ph 值决定了酶分子上有关基团的解离状态, 这种状态在冻干过程和分散到有机介质中之后仍得到保持 第四节酶的作用机理一 专一性的机理 ( 一 ) 酶专一性类型一般说来, 一种分子能成为某种酶的底物, 必须具备两个条件 : 分子上有被酶作用的化学键 分子上有一个或多个结合基团能与酶活性中心结合 :39:48 上官婉儿 头衔 : 军师等级 : 版主文章 :475 积分 :4973 门派 : 生物学注册 : 第 20 楼 2 诱导楔合模型 酶分子与底物分子接近时, 酶蛋白质受底物分子诱导, 构象发生有利于与底物结合的变化, 酶与底物在此 基础上互补楔合, 进行反应 P271 图 4 18 二 高效性的机理 1 邻近效应与定向效应酶把底物分子 ( 一种或两种 ) 从溶液中富集出来, 使它们固定在活性中心附近, 反应基团相互邻近, 同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互交叠, 反应易于发生 两种效应对反应速度的影响 1 使底物浓度在活性中心附近很高甚至比溶液中高 10 万倍, 提高反应速度 2 酶对底物分子的电子轨道具有导向作用举例 : 酚羟基和羧基环化成内酸图

2 3 个 CH3 固定了 OH 和 COOH 的相对方位 3 酶使分子间反应转变成分子内反应反应速度提高 :107 图 4 邻近效应和定向效应对底物起固定作用酶底复合物寿命比一般双分子相互碰撞的平均寿命长, 前者 秒, 后者 秒, 增大了产物形成的机率 2 扭曲变形和构象变化的催化效应酶中某些基团可使底物分子的敏感键中某些基团的电子云密度变化, 产生电子张力 P276 图 4 20 环状反应物 I 水解开环, 环扭曲能量大量释放, 加速反应 底物与酶蛋白接触, 加速反应 1 酶从低活性形式转变为高活性形式 2 底物扭曲 变形 3 底物构象变化, 变得更像过度态结构, 大大降低活化能 3 共价催化酶作为亲核基团或亲电基团, 与底物形成一个反应活性很高的共价中间物, 此中间物易变成过渡态, 反应活化能大大降低, 提高反应速度 1 亲核共价催化丝氨酸羟基 Cys 的 SH His 的咪唑基 举例 : 咪唑基催化对硝基苯乙酸酯水解 图 2 亲电共价催化亲电基团攻击底物的富电子基团例 :Asp 转氨酶催化 Asp 转氨反应图 P278 表 4 13 形成共价 ES 复合物的某些酶 4 酸碱催化酶分子的一些功能基团起质子供体或质子受体的作用 参与酸碱催化的基团 : 氨基 羧基 巯基 酚羟基 咪唑基 P279 表 4 14 酶分子中可作为广义酸碱的功能基团 影响酸碱催化反应速度的两个因素 ⑴ 酸碱强度, 咪唑基在 ph6 附近给出质子和结合质子能力相同, 是最活泼的催化基团 ⑵ 给出质子或结合质子的速度, 咪唑基最快 1 酸催化酯 酰胺和肽的水解 图 过程 : 共轭酸与 >C=0 氧形成氢键, 使 >C=0 碳带更多正电荷, 更易吸引 H2O 分子上的氧, 降低 >C=0 碳

3 与 H2O 氧形成共价键的活化能 ; 接着, 共轭酸将 H+ 转移给 >C=0 氧, 自己成为共轭碱, 并从 H2O 分子吸引一个 H+, 回复原状 2 碱催化酯 酰胺水解图 过程 : 共轭碱先与 H2O 中 H 形成氢键, 使 H2O 中氧的电负性增强, 更易对 >C=0 碳进行亲核进攻, 降低碳氧键生成的活化能 5 活性中心的微环境 ⑴ 疏水环境酶活性中心附近往往是疏水的, 介电常数低, 可加强极性基团间的反应 ⑵ 电荷环境在酶活性中心附近, 往往有一电荷离子, 可稳定过渡态的离子, 增加酶促反应速度 如溶菌酶 Asp52 带负电荷, 可以稳定过渡态的正离子 酶催化反应的高效性, 可能是由于以上五种因素中的几种因素协同作用的结果, 而非酶催化反应往往只有一种催化机制 三 某些酶的活性中心及其作用机理 ( 一 ) 酶的活性中心 1 活性中心的概念对于不需要辅酶的酶来说, 活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基的某些基团, 它们在一级结构上相距可能很远, 通过肽链的盘绕 折叠而在空间构象上相互靠近 对于需要辅酶的酶来说, 辅酶分子或辅酶分子的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分 一般认为, 活性中心有两个功能部位 : 底物结合部位, 催化部位活性中心外的部位为活性中心的形成提供了结构基础 2 活性中心的氨基酸残基有七种 a.a 在酶活性中心出现的频率最高, 它们是 Ser His Cys Tyr Asp Glu Lys 活性中心的 a.a 残基往往分散在相互较远的 a.a 顺序中, 有的甚至分散在不同的肽链上, 如 α 胰凝乳蛋白酶活性中心的几个 a.a 残基, 分别位于 B C 两个肽链上, 靠分子空间结构的形成, 集中在酶分子特定区域, 成为具有催化功能的活性中心 酶分子 a.a 残基分类 (1) 接触残基它们与底物接触, 参与底物的化学转变, 此类 a.a 残基的一个或几个原子与底物分子中一个或几个原子的距离都在一个键距离之内 (1.5 2A) 它们的侧链起与底物结合作用的称为结合基团, 起催化作用的称为催化基团 (2) 辅助残基它不与底物接触, 而是在使酶与底物结合及协助接触残基发挥作用方面起作用 上述两类残基构成酶活性中心 (3) 结构残基在维持酶分子正常三维构象方面起重要作用, 它们与酶活性相关, 但不在酶活性中心范围内, 属于酶活性中心以外的必需残基上述三类残基统称酶的必需基团, 若被其它 a.a 取代, 往往造成酶失活 (4) 非贡献残基 ( 非必需基团 ) 它们对酶活性的显示不起作用, 可由其它 a.a 代替, 且在酶分子中占很大比例 它们可能在免疫, 酶活性调节, 运输转移, 防止降解等方面起作用 结合底物作用 ( 结合残基 )

4 接触残基活性中心催化作用 ( 催化基团 ) 必需基团辅助残基活性中心外 ( 结构残基 ) 酶蛋白非必需基团 3 活性中心区域的一级结构由于一些酶的活性中心一级结构结构与催化机理极其相似, 可把它们归为一族 蛋白水解酶就有几个族 : (1) 丝氨酸蛋白酶 ( 胰凝乳蛋白酶 胰乳蛋白酶 弹性蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶等 ) (2) 锌蛋白酶 ( 羧肽酶等 ) (3) 巯基蛋白酶 ( 木瓜蛋白酶等 ) (4) 羧基蛋白酶 ( 胃蛋白酶等 ) 在同一族酶中, 活性中心一级结构的 a.a 顺序极相似 酶 a.a 顺序胰蛋白酶 ( 牛 ) Asp Ser Cys Gln Gly Asp Ser Gly Gly Pro Val Val Cys Ser Gly Lys 胰凝乳蛋白酶 ( 牛 ) Ser Ser Cys Met Gly Asp Ser Gly Gly Pro Leu Val Cys Lys Lys Asn 弹性蛋白酶 ( 猪 ) Ser Gly Cys Gln Gly Asp Ser Gly Gly Pro Leu His Cys Leu Val Asn 凝血酶 ( 牛 ) Asp Ala Cys Glu Gly Asp Ser Gly Gly Pro Phe Val Met Lys Ser Pro 这 4 个源于哺乳动物的酶活性中心, 都含有一个包括 Ser 在内的完全相同的六肽 : Gly Asp Ser Gly Gly Pro u 同源的趋异进化来自胰脏的胰凝乳蛋白酶 (Phe Tyr Trp ) 胰蛋白酶(Lys Arg ) 和弹性蛋白酶 ( 疏水残基 ), 活性中心 Ser 附近的 a.a 顺序相同, 且分子一级结构中有 40%a.a 顺序相同, 三维结构也相同, 表明它们起源于共同的祖先, 但是它们的底物专一性不同 这种来源于共同祖先, 经基因突变而得出不同专一性的结果称为同源的趋异进化 u 异源的趋同进化来自枯草杆菌的 Ser 蛋白酶的结构与上述三种酶很不同, 且活性中心 Ser 附近的 a.a 顺序也不同 ( Gly Thr Ser Met Ala Ser) 电荷中继网的位置也不同 : 电荷中继网的位置也不同 : Asp102 His57 Ser195( 胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶 ) Asp32 His64 Ser221( 枯草杆菌蛋白酶 ) 这表明枯草杆菌蛋白酶与胰凝乳蛋白酶等三个酶来源不同, 但它们的电荷中继网相同, 功能相同, 这种情况称异源的趋同进化 4 判断和研究活性中心的主要方法 (1) 通过酶的专一性 (2) 酶的化学修饰法 (3) 亲合标记法 (4)X 射线晶体衍射法 ( 二 ) 酶作用机理举例 1 胰凝乳蛋白酶的作用机理 : (1) 专一性图 该酶需要底物有一个疏水基团结合于酶上的疏水部位, 这个结合起定位作用, 使底物敏感键对准酶的催化

5 基团 疏水定位基团 :Phe Tyr Trp (2) 催化机理 1 活性中心 :Ser195 His57 Asp102, 三者构成一个氢键体系,His57 的咪唑基是 Ser195 的羟基和 Asp102 的羧基之间的桥梁, 这个氢键体系称为电荷中继网 (harge relay network) 通过电荷中继网, 进行酸碱催化及共价催化 Ser195 由于 His57 和 Asp102 的影响而成为很强的亲核基团, 它是活性中心的底物结合部位, His57 是活性中心的催化部位 PP285 图 4 27,P287 图 4 30 胰凝乳蛋白酶中的电荷中继网 2 胰凝乳蛋白酶对多肽的水解过程 P288 图 4 31 胰凝乳蛋白酶对多肽的水解过程 第一阶段酰化 Ser195 OH 中的氧攻击肽键的羰基碳, 形成四联体过渡态 (Ser195 OH 底物的酰基 底物的氨基 His 的咪唑 ), 敏感肽键断裂, 底物中的胺成分通过氢键与酶的 His57 咪唑基相连, 底物的羧基部分酯化到 Ser195 的羟基上 第二阶段脱酰电荷中继网从水中吸收一个质子, 结果产生的 OH 攻击连在 Ser195 上底物的羧基碳原子, 形成四联体过渡态, 然后 His57 供出一个质子给 Ser195 上的氧原子, 结果底物中的酸成分从 Ser195 上释放 除胰凝乳蛋白酶外, 在催化中具有 Asp His Ser 电荷中继网的还有胰蛋白酶, 弹性蛋白酶, 枯草杆菌蛋白酶 等, 但它们的底物结合部位不同, 底物专一性也不同 P288 图 4 32 三种胰脏中的蛋白酶的底物结合部胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶可供芳香环及大可供带电荷的只能让 Ala 等小分子的非极性侧链伸入 Lys. Arg 进入进入第五节多酶体系与酶活性的调节控制一 多酶体系 ( 一 ) 多酶体系及其分类细胞中的许多酶, 常常在一个连续的反应链中起作用, 前一个反应的产物是后一个反应的底物 多酶体系 :multienzyme system 在完整细胞内的某一代谢途径中, 由几个酶形成的反应链体系 可分为三种类型 : 可溶性的 ( 分散性的 ), 结构化的 ( 多酶复合体 ), 在细胞结构上有定位关系的 ( 结构化程度更高 ) P297 图 4 42( 分散性的多酶体系 ) 图 4 43 ( 多酶复合体 ) ( 二 ) 多酶体系的自我调节 (1) 大部分具有自我调节能力的多酶体系, 第一步反应就是限速步骤, 它控制着全部反应序列的总速度 (2) 反馈抑制与底物激活催化第一步反应的酶, 大多都是别构酶, 能被全部反应序列的最终产物所抑制, 有时则是反应序列分叉处的酶受到最终产物的抑制, 称为反馈抑制 ; 有的被底物激活 P299 图 4 45 反馈抑制与底物激活

6 正调节物 : 一般是别构酶的底物, 可以激活别构酶 负调节物 : 可以抑制别构酶, 一般是代谢序列的最终产物 通过多酶体系的自我调节 ( 反馈抑制和底物激活 ), 可使代谢过程得以协调地 有条不紊地合理进行 下面讨论具体到每个酶是怎样调节的二 酶活性的调节控制和调节酶调节酶 : 活性可被调节的酶, 主要是别构酶和共价调节酶 ( 一 ) 别构效应的调控别构效应 : 调节物 ( 效应物 ) 与别构酶分子中的别构中心 ( 调节中心 ) 结合后, 诱导产生或稳定住酶分子的某种构象, 使酶活性中心对底物的结合催化作用受到影响, 从而调节酶促反应的速度 (1) 别构酶的结构特点和性质 (1) 已知的别构酶都是寡聚酶, 含有两个或两个以上亚基 (2) 具有活性中心和别构中心 ( 调节中心 ), 活性中心负责底物结合和催化, 别构中心负责调节酶反应速度 活性中心和别构中心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上 (3) 多数别构酶不止一个活性中心, 活性中心间有同种效应, 底物就是调节物 : 有的别构酶不止一个别构中心, 可以接受不同的代谢物的调节 (4) 别构酶由于同位效应和别构效应, 不遵循米式方程, 动力学曲线也不是典型的双曲线型, 而是 S 型 ( 同位效应为正协同效应 ) 和压低的近双曲线 ( 同位效应为负协同效应 ) (2) 别构酶的动力学曲线 1 同位效应为正协同效应的别构酶是 S 型曲线 P303 图 这种 S 形曲线体现为, 当底物浓度发生较小变化时, 别构酶可以极大程度地控制反应速度, 这是别构酶可以灵活地调节反应速度的原因 米氏酶 :[S]0.9/[S]0.1=81 别构酶 :[S]0.9/[S]0.1=3 表明当底物浓度发生较小变化时, 如上升 3 倍, 别构酶的酶促反应速度可以从 0.1Vmax 升至 0.9Vmax 当增加正调节物浓度时 Km 减小, 亲和力增大, 协同性减小 : 当增加负调节物的浓度时 Km 增加, 亲和力减小, 协同性增大 ( 对底物浓度的反应灵敏度增加 ) 2 同位效应为负协同效应的别构酶是近似双曲线 P304 图 4 48 负协同效应时酶的反应速度对底物浓度的变化不敏感 (3) 别构酶调节活性的机理 1 序变模型 : 酶分子中亚基结合底物后, 构象逐个地依次变化 2 齐变模型 : (4) 别构酶的鉴定 1 S 型曲线是必要但不充分条件 2 脱敏作用 3 [S]0.9/[S]0.1 Rs=81 米氏酶 Rs<81 正协同 Rs>81 负协同

7 4 Hill 系数法 ( 二 ) 可逆共价修饰的调控 ( 共价调节酶 ) 共价调节酶 : 酶分子被其它的酶催化进行共价修饰, 从而在活性形式与非活性形式之间相互转变 举例 : 糖原磷酸化酶 P313 图 4 57 信号的级联放大 : 1 分子磷酸化酶激酶, 活化生成几千个磷酶化酶 a 1 分子磷酸化酶 a, 催化生成几千个 1 P G 共价调节酶的两种常见类型 1 磷酸化去磷酸化 OH ATP 2 腺苷酰化脱腺苷酰化腺苷酰基由 ATP 提供 ( 三 ) 酶原的激活具有不可逆性 属于此类的有消化系统中的酶 ( 胰蛋白酶, 胰凝乳蛋白酶, 胃蛋白酶 ) 和血液凝固系统中的酶 (1) 胰凝乳蛋白酶原的激活 ( 由胰蛋白酶激活 ) P314 图 4 58 (2) 胰蛋白酶对胰脏蛋白酶原的激活肠激酶胰蛋白酶原胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶原弹性蛋白酶原胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶 ( 四 ) 专一性调控蛋白 ( 调控因子 ) 对酶活性的调节控制钙调蛋白 激素结合蛋白, 促进或抑制特异的酶活性第六节酶与抗体 抗体酶 abzyme(antibody enzyme) 参阅 P293 又称催化性抗体 (catalytic antibody), 是一种具有催化功能的抗体分子 过渡态理论 : 酶与底物不是在基态, 而是在过渡态结构互补, 亲和力最强, 释放出的结合能使过渡态结合物能级降低, 利于反应物分子越过能垒, 加速反应 而抗体与抗原是基态结合 第七节同工酶 诱导酶 1 同工酶能催化同一种化学反应, 但其酶蛋白本身的分子结构不同的一组酶, 存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中, 甚至同一组织 同一细胞中 哺乳动物乳酸脱氢酶有 5 种 CH3CHOH COO +NAD+ LDH CH3COCOO +NADH+H+ 均由 4 个亚基组成 HHHH 在心肌中占优势 HHHM

8 HHMM HMMM MMMM 在骨骼肌中占优势 2 诱导酶酶可相对地区分为结构酶和诱导酶 结构酶 : 指正常细胞内存在的酶, 它的含量较稳定, 受外界因素影响很小 诱导酶 : 在正常细胞中含量极少或没有, 当细胞中加入特定诱导物后, 诱导产生的酶, 含量在诱导物存在下显著增高, 诱导物往往是该酶的底物或底物类似物 如 : 大肠杆菌中的 β 半乳糖苷酶 E.coli 在含 Glc 的培养基中 E.coli 在只含乳糖的培养基中 :Glc β(1 4)Gal 苷第八节酶工程 计划 :8 学时 第六章核酸核酸是遗传物质 1868 年瑞士 Miesher. 从脓细胞的细胞核中分离出可溶于碱而不溶于稀酸的酸性物质 间接证据 : 同一种生物的不同种类的不同生长期的细胞,DNA 含量基本恒定 直接证据 :T2 噬菌体 DNA 感染 E.coli 用 35S 标记噬菌体蛋白质, 感染 E.coli, 又用 32P 标记噬菌体核酸, 感染 E.coli DNA RNA 的分布 (DNA 在核内,RNA 在核外 ) 第一节核酸的化学组成核酸是一种线形多聚核苷酸, 基本组成单位是核苷酸 结构层次 : 核酸核苷酸 磷酸 核苷 戊糖 碱基 组成核酸的戊糖有两种 ::D 核糖和 D 2 脱氧核糖, 据此, 可以将核酸分为两种 : 核糖核酸 ( RNA) 和脱 氧核糖核酸 (DNA) P330 表 5 1 两类核酸的基本化学组成 一 碱基 1. 嘌呤碱 : 腺嘌呤 鸟嘌呤 2. 嘧啶碱 : 胞嘧啶 尿嘧啶 胸腺嘧啶 P331 结构式 3. 修饰碱基植物中有大量 5 甲基胞嘧啶 E.coli 噬菌体中,5 羟甲基胞嘧啶代替 C 稀有碱基 :100 余种, 多数是甲基化的产物 DNA 由 A G C T 碱基构成

9 RNA 由 A G C U 碱基构成 二 核苷核苷由戊糖和碱基缩合而成, 糖环上 C1 与嘧啶碱的 N1 或与嘌呤碱的 N9 连接 核酸中的核苷均为 β 型核苷 P332 结构式腺嘌呤核苷胞嘧啶脱氧核苷 DNA 的戊糖是 : 脱氧核糖 RNA 的戊糖是 : 核糖三 核苷酸核苷中戊糖 C3 C5 羟基被磷酸酯化, 生成核苷酸 1 构成 DNA RNA 的核苷酸 P333 表 细胞内游离核苷酸及其衍生物 1 核苷 5 多磷酸化合物 ATP GTP CTP ppppa ppppg 在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用 2 环核苷酸 camp(3,5 camp) cgmp(3,5 cgmp) 它们作为质膜的激素的第二信使起作用,cAMP 调节细胞的糖代谢 脂代谢 3 核苷 5 多磷酸 3 多磷酸化合物 ppgpp pppgpp ppapp 4 核苷酸衍生物 HSCoA NAD+ NADP+ FAD 等辅助因子 GDP 半乳糖 GDP 葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体 第二节 DNA 的结构一级 : 脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序 二级 :DNA 的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构 三级 :DNA 双链进一步折叠卷曲形成的构象 一 DNA 的一级结构 DNA 的一级结构是 4 种脱氧核苷酸 (damp dgmp dcmp dtmp) 通过 3/ 5/ 磷酸二酯键连接起来的线形多聚体 3/ 5/ 磷酸二酯键是 DNA RNA 的主链结构 P334 图 5 1 书写方法 :5/ 3/: 5 papcptpg 3, 或 5 ACTG 3 ( 在 DNA 中,3/ OH 一般是游离的 ) 在 DNA 分子中, 不变的骨架成分磷酸二酯键被逐渐省略, 真正代表 DNA 生物学意义的是碱基的排列顺序 遗传信息贮存在 DNA 的碱基排列顺序中, 生物界生物的多样性即寓于 DNA 分子 4 种核苷酸千变万化的精确的排列顺序中 二 DNA 的二级结构 1953 年,Watson 和 Crick 根据 Chargaff 规律和 DNA Na 盐纤维的 X 光衍射数据提出了 DNA 的双螺旋结构模型 1 Watson Crick 双螺旋结构建立的根据 1Chargaff 规律 1950 年

10 a. 所有 DNA 中,A=T,G=C 且 A+G=C+T P334 表 5 4 b. DNA 的碱基组成具有种的特异性, 即不同生物的 DNA 皆有自己独特的碱基组成 c. DNA 碱基组成没有组织和器官的特异性 d. 年龄 营养状况 环境等因素不影响 DNA 的碱基组成 2 DNA 的 Na 盐纤维和 DNA 晶体的 X 光衍射分析 相对湿度 92%,DNA 钠盐结晶,B DNA 相对湿度 75%,DNA 钠盐结晶,A DNA Z DNA 生物体内 DNA 均为 B DNA Franklin 的工作 2 Watson Crick 双螺旋结构模型 P335 图 5 2 a. 两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕, 形成右手双股螺旋, 一条 5 3, 另一条 3 5 b. 嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧, 磷酸与脱氧核糖在外侧 磷酸与脱氧核糖彼此通过 3/ 5/ 磷酸二酯键相连接, 构成 DNA 分子的骨架 宽 1.2 nm 宽 0.6nm 大沟小沟深 0.85nm 深 0.75nm c. 螺旋平均直径 2nm 每圈螺旋含 10 个核苷酸碱基堆积距离 :0.34nm 螺距 :3.4nm d. 两条核苷酸链, 依靠彼此碱基间形成的氢链结合在一起 碱基平面垂直于螺旋轴 A=T G=C P336 图 5 4 碱基互补原则具有极重要的生物学意义,DNA 的复制 转录 反转录等的分子基础都是碱基互补 3 稳定双螺旋结构的因素 1 碱基堆积力 ( 主要因素 ) 形成疏水环境 2 碱基配对的氢键 GC 含量越多, 越稳定 3 磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键, 中和了磷酸基上的负电荷间的斥力, 有助于 DNA 稳定 4 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中, 可免受水溶性活性小分子的攻击 三 DNA 二级结构的不均一性和多型性 ( 一 ) DNA 二级结构的不均一性 1 反向重复序列 ( 回文序列 ) DNA 序列中, 以某一中心区域为对称轴, 其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同, 即对称轴一侧的片段旋转 180 后, 与另一侧片段对称重复 较长的回文结构, 在某些因素作用下, 可形成茎环式的十字结构和发夹结构 功能还不完全清楚, 但转录的终止作用与回文结构有关 较短的回文序列, 可作为一种特别信号, 如限制性核酸内切酶的识别位点 2 富含 A T 的序列高等生物中,A+T 与 C+G 的含量差不多相等, 但在它们的染色体的某一区域,A T 含量可能很高

11 在很多有重要调节功能 ( 不是蛋白质编码区 ) 的 DNA 区段都富含 A T 碱基对 特别是在复制起点和启动的 Pribnow 框的 DNA 区中, 富含 A T 对 这对于复制和转录的起始十分重要, 因为 G C 对有三个氢键, 而 A T 对只有两个氢键, 此处双键易解开 ( 二 ) DNA 二级结构的多型性 P339 表 5 6 A B Z DNA 的比较 1 B DNA: 典型的 Watson Crick 双螺旋 DNA 右手双股螺旋每圈螺旋 10.4 个碱基对每对螺旋扭角 36 螺距 :3.32nm 碱基倾角 :1 2 A DNA 在相对湿度 75% 以下所获得的 DNA 纤维 A DNA 也是右手双螺旋, 外形粗短 RNA RNA RNA DNA 杂交分子具有这种结构 3 Z DNA 左手螺旋的 DNA 天然 B DNA 的局部区域可以形成 Z0 DNA 4 DNA 三股螺旋在多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的 DNA 螺旋区段, 序列中有较长的镜像重复时, 可形成局部三股螺旋, 称 H DNA 镜像重复 : TAT 配对 C+GC 酸对 DNA 的三链结构常出现在 DNA 复制 重组 转录的起始或调节位点, 第三股链的存在可能使一些调控蛋白或 RNA 聚合酶等难以与该区段结合, 从而阻遏有关遗传信息的表达 四 环状 DNA 生物体内有些 DNA 是以双链环状 DNA 的形式存在, 包括 : 某些病毒 DNA 某些噬菌体 DNA 某些细菌染色体 DNA 细菌质粒 DNA 真核细胞中的线粒体 DNA 叶绿体 DNA 1 环形 DNA 的不同构象 P340 图 5 8 松驰环 解链环 负超螺旋 (1) 松弛环形 DNA 线形 DNA 直接环化 (2) 解链环形 DNA 线形 DNA 拧松后再环化 (3) 正超螺旋与负超螺旋 DNA 线形 DNA 拧紧或拧松后再环化, 成为超螺旋结构 绳子的两股以右旋方向缠绕, 如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转, 再将绳子两端连接起来, 会产生一个

12 左旋的超螺旋, 以解除外加的旋转造成的胁变, 这样的超螺旋叫正超螺旋 如果在绳子一端向松缠方向旋转, 再将绳子两端连接起来, 会产生一个右旋的超螺旋, 以解除外加的旋转所造成的胁变, 这样的超螺旋称负超螺旋 对于右手螺旋的 DNA 分子, 如果每圈初级螺旋的碱基对数小于 10.4, 则其二级结构处于紧缠状态, 是正超螺旋 如果每圈初级螺旋的碱基对数大于 10.4, 则其二级结构处于松缠状态, 是负超螺旋 2 环形 DNA 的拓扑学特性 以 260bp 组成的线形 B DNA 为例, 螺旋周数 260/10.4=25 P340 图 25 8 松驰环 解链环 负超螺旋 1 连环数 (L) DNA 双螺旋中, 一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数, 以 L 表示 松驰环 :L=25 解链环 :L=23 超螺旋 :L=23 2 缠绕数 (T) DNA 分子中的 Watson Crick 螺旋数目, 以 T 表示松驰环 T=25 解链环 T=23 超螺旋 T=25 3 超螺旋周数 ( 扭曲数 W) 松驰环 W=0 解链环 W=0 超螺旋 W= 2 L=T+W 4 比连环差 (λ) 表示 DNA 的超螺旋程度 λ=(l L0)/L0 L0 是指松驰环形 DNA 的 L 值天然 DNA 的超螺旋密度一般为 0.03~ 0.09, 平均每 100bp 上有 3 9 个负超螺旋 负超螺旋 DNA 是由于两条链的缠绕不足引起, 很易解链, 易于参加 DNA 的复制 重组和转录等需要将两条链分开才能进行的反应 3 拓扑异构酶此酶能改变 DNA 拓扑异构体的 L 值 1 拓扑异构酶酶 I( 拧紧 ) 能使双链负超螺旋 DNA 转变成松驰形环状 DNA, 每一次作用可使 L 值增加 1, 同时, 使松驰环状 DNA 转变成正超螺旋 2 拓扑异构酶酶 II( 拧松 ) 能使松驰环状 DNA 转变成负超螺旋形 DNA, 每次催化使 L 减少 2, 同时能使正超螺旋转变成松驰 DNA 五 染色体的结构 1 大肠杆菌染色体大肠杆菌染色体是由 bp 组成的双链环状 DNA 分子, 约 3000 个基因

13 大肠杆菌 DNA 结合蛋白 : 每个细胞 H 两个 28KD 的相同亚基 个二聚体 HU 两个各 9KD 的不同亚基 个二体聚体 HLP1 17KD 的亚基 个单体 P 3KD 的亚基 未知 这些 DNA 结合蛋白, 使 bp 的 E.coli 染色体 DNA 压缩成为一个手脚架形结构, 结构中心是多种 DNA 结合蛋白,DNA 双螺旋分子有许多位点与这些蛋白结合, 形成约 100 个小区, 每个小区的 DNA 都是负超螺旋, 一个小区的 DNA 有两个端点被蛋白质固定, 每个小区相对独立 图 用极微量的 DNA 酶 I 处理时, 只能使少量小区的 DNA 成为松驰状态, 而其它小区仍然保持超螺旋状态 2 真核生物染色体主要由组蛋白和 DNA 组成 组蛋白是富含碱性 a.a(lys Arg) 的碱性蛋白质, 根据 Lys/Arg 比值不同, 可分为 H1 H2A H2B H3 H4 五种, 均为单链蛋白质, 分子量 H2A H2B H3 H4 各两分子对称聚集成组蛋白八聚体 146bp 长度的 DNA 双螺旋盘绕在八聚体上形成核小体 核小体间 DNA 长度 bp( 一般 60bp) 其上结合有 H1 图 2H2A 2H2B 2H3 2H4 组蛋白八聚体 146bpDNA 核小体 串联染色质折叠染色体 DNA( 直径 2nm) 盘绕组蛋白八聚体上, 结合 H1, 压缩比 1/7 核小体 ( 一级结构 ) 螺旋化, 压缩比 1/6 螺线管 ( 二级结构 ) 再螺旋化, 压缩比 1/40 超螺线管 ( 三级结构 ) 折叠, 压缩比 1/5 染色单体 ( 四级结构 ) 总压缩比 :1/8400~1/10000 六 DNA 的生物学功能首次直接证明 DNA 的遗传功能的是 Avery 的肺炎双球菌转化实验 P342 1~4 Avery 的肺炎双球菌转化实验第三节 RNA 的结构一 RNA 的一级结构 RNA 是 AMP GMP CMP UMP 通过 3/ 5/ 磷酸二酯键形成的线形多聚体 P343 图 5 10 RNA 基本结构 1 组成 RNA 的戊糖是核糖

14 2 碱基中 RNA 的 U 替代 DNA 中的 T, 此外,RNA 中还有一些稀有碱基 3 天然 RNA 分子都是单链线形分子, 只有部分区域是 A 型双螺旋结构 双螺旋区一般占 RNA 分子的 50% 左右 二 RNA 的类型细胞中的 RNA, 按其在蛋白质合成中所起的作用, 主要可分为三种类型 核糖体 RNA rrna 转运 RNA trna 信使 RNA mrna 此外, 真核生物细胞中有少量核内小 RNA(small nuclear RNA snrna) P344 表 5 7 大肠杆菌中的 RNA 沉降系数 : 单位离心场中的沉降速度, 以 S 为单位, 即 秒 如 23S rrna, 单位离心场中沉降 秒 5S rrna, 单位离心场中沉降 秒三 trna 的结构 trna 约占全部 RNA 的 15% 主要功能 : 在蛋白质生物合成过程中转运氨基酸 已知一级结构的 trna 有 160 种, 每种 trna 可运载一种特定的 a.a, 一种 a.a 可由一种或多种 trna 运载 结构特点 1 分子量在 25kd 左右,70 90b, 沉降系数 4S 左右 2 碱基组成中有较多稀有碱基图 33 末端为 CpCpA OH, 用来接受活化的氨基酸, 此末端称接受末端 45 末端大多为 pg 或 pc 5 二级结构是三叶草形 P345 图 5 12 trna 的二级结构 ( 三叶草模型 ) 1966 年 Crick 对于 trna 能识别几种密码子的现象, 提出碱基配对的 摆动学说 : 认为除 A U G C 配对外, 还有非标准配对,I A I C I U, 并强调密码子的 5 端第 1 2 个碱基严格遵循标准配对, 而第 3 个碱基可以非标准配对, 具有一定程度的摆动灵活性 四 mrna 的结构 mrna 是从 DNA 上转录而来的, 其功能是依据 DNA 的遗传信息, 指导各种蛋白质的生物合成, 每一种蛋白质都由一种相应的 mrna 编码, 细胞内 mrna 种类很多, 大小不一, 每种含量极低 从功能上讲, 一个基因就是一个顺反子, 原核生物的 mrna 是多顺反子, 真核 mrna 是单顺反子 顺反子 : 是由顺反试验所规定的遗传单位, 相当于一种蛋白质的基因 1 真核 mrna (1) 3 端有一段约 核苷酸的 polya PolyA 是转录后, 经 polya 聚合酶添加上,polyA 聚合酶对 mrna 专一 原核 mrna 一般无 polya polya 与 mrna 半寿期有关, 新合成的 mrna, 其 polya 较长 ; 而衰老的 mrna, 其 polya 较短 polya 功能 : PolyA 是 mrna 由核进入胞质所必需的形式

15 PolyA 大大提高 mrna 在胞质中的稳定性 (2) 5 帽子帽子 5 末端的鸟嘌呤 N7 被甲基化, 鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连, 形成 5 5 磷酸二酯键 P346 帽子结构 帽子的功能 : 可抵抗 5 核酸外切酶降解 mrna 可为核糖体提供识别位点, 使 mrna 很快与核糖体结合, 促进蛋白质合成起始复合物的形成 2 原核 mrna( 多顺反子 ) 原核 mrna 由先导区 插入序列 翻译区和末端序列组成 没有 5/ 帽子和 3/polyA 举列 :MS2 病毒 mrna,3569 b, 有三个顺反子, 分别编码 A 蛋白 外壳蛋白和复制酶三种蛋白质 图 MS2 病 mrna 5 端先导区中, 有一段富含嘌呤的碱基序列, 典型的为 5 AGGAGGU 3, 位于起始密码子 AUG 前约 10 核苷酸处, 此序列由 Shine 和 Dalgarno 发现, 称 SD 序列 SD 序列和核糖体 16S 的 rrna 的 3 末端富含嘧啶碱基的序列互补, 这种互补序列与 mrna 对核糖体的识别有关 原核 mrna 代谢很快, 半寿期几秒至十几分钟 五 rrna 的结构 rrna 占总 RNA 的 80% 左右 功能 :rrna 是构成核糖体的骨架, 与核糖体结合蛋白一起构成核糖体, 为蛋白质的合成提供场所 大肠杆菌中有三类 rrna( 原核 ) 5S rrna 16S rrna 23S rrna 真核细胞有四类 rrna 5S rrna 5.8S rrna 18S rrna 28S rrna 图原核核糖体 ( rrna 部分 ) 图真核核糖体 ( rrna 部分 ) P346 图 5 14 大肠杆菌 5S rrna 结构第四节核酸的性质一 解离性质多聚核苷酸有两类可解离的基团 : 磷酸和碱基能发生两性解离 磷酸是中等强度的酸, 碱基的碱性较弱, 因此, 核酸等电点在较低的 DNA 等电点 ph 范围内

16 RNA 等电点 RNA 链中, 核糖 C 2 OH 的氢能与磷酸酯中的羟基氧形成氢链, 促进磷酸酯羟基氢原子的解离 二 水解性质 1 碱水解室温,0.1mol/LNaOH 可将 RNA 完全水解, 得到 2 或 3 磷酸核苷的混合物 图 在相同条件下, DNA 不被水解 这是因为 RNA 中 C 2 OH 的存在, 促进了磷酸酯键的水解 DNA RNA 水解难易程度的不同具有极为重要的生理意义 DNA 稳定, 遗传信息 RNA 是 DNA 的信使, 完成任务后降解 2 酶水解生物体内存在多种核酸水解酶 RNA 水解酶 RNase DNA 水解酶 DNase 核酸外一切酶核酸内切酶最重要的 : 限制性核酸内切酶三 光吸收性碱基具有共轭双键, 使碱基 核苷 核苷酸和核酸在 240~290nm 的紫外波段有强烈的光吸收, λmax=260nm 1 鉴定纯度纯 DNA 的 A260/A280 应为 1.8( ), 若大于 1.8, 表示污染了 RNA 纯 RNA 的 A260/A280 应为 2.0 若溶液中含有杂蛋白或苯酚, 则 A260/A280 比值明显降低 2 含量计算 1 ABS 值相当于 : 50ug/mL 双螺旋 DNA 或 :40ug/mL 单螺旋 DNA( 或 RNA) 或 :20ug/mL 核苷酸 3 增色效应与减色效应 P347 图 5 15 DNA 的紫外吸收光谱 增色效应 : 在 DNA 的变性过程中, 摩尔吸光系数增大减色效应 : 在 DNA 的复性过程中, 摩尔吸光系数减小 四 沉降特性 ( DNA) 不同构象的核酸 ( 线形 环形 超螺旋 ), 起密度和沉降速率不同, 用以将它们区分开来, 这一方法常用于质粒 DNA 的纯化 Cs Cl 密度梯度离心就可 P348 图 5 16 Cs Cl 密度梯度离心纯化质粒 DNA 相对沉降常数 线型双螺旋分子 1.00 松驰双链闭环 1.14 切刻双链环 1.14 单链环 1.14

17 线型单链 1.30 正超或负超螺旋双链环状 1.41 坍缩 3.0 五 变性 复性及杂交变性 复性是核酸的重要的物化性质, 相对蛋白质来说, 核酸可以耐受反反复复的变性 复性 这也是核酸研究技术的基础 1 变性 (1) 变性 : 核酸双螺旋区的氢键断裂, 变成单链, 不涉及共价键断裂 多核苷酸骨架上共价键的断裂称核酸的降解 DNA 的变性是爆发式的, 变性作用发生在一个很窄的温度范围内 P350 图 5 18 变性过程 热变性因素酸碱变性 (ph 小于 4 或大于 11, 碱基间氢键全部断裂 ) 变性剂 ( 尿素 盐酸胍 甲醛 ) 260nm 吸收值升高 变性后粘度降低, 浮力密度升高 二级结构改变, 部分失活 (2) 熔解温度 (Tm) 或称熔点 : DNA 的双螺旋结构失去一半时对应的温度 DNA 的 Tm 一般在 之间 浓度 50ug/mL 时, 双链 DNA A260=1.00, 完全变性 ( 单链 )A260= 1.37 当 A260 增加到最大增大值一半时, 即 时, 对应的温度即为 Tm (3) 影响 DNA 的 Tm 值的因素 1DNA 均一性均一性高, 熔解过程发生在很小的温度范围内 2G C 含量与 Tm 值成正比,G C 含量高, 则 Tm 越高, 测定 Tm, 可推知 G C 含量 G C%=(Tm 69.3) 2.44 P351 图 5 19 图 5 20 Tm 值与 GC 含量的关系 3 介质中离子强度其它条件不变, 离子强度高,Tm 高 P351 图 复性变性 DNA 在适当 ( 一般低于 Tm20 25 ) 条件下, 两条链重新缔合成双螺旋结构 变性 DNA 在缓慢冷却时 ( 快速冷却可防止复性 ), 可以复性 DNA 片段越大, 复性越慢 ;DNA 浓度越大, 复性越快 复性速度可用 Co t 衡量 Co 为变性 DNA 原始浓度 mol L 1,t 为时间, 以秒表示 P352 图 5 22, 不同 DNA 的复性时间 A.1 个核苷酸对 (A.U) 图上查出 Cot1/2=4 10 6mol.s/L

18 若浓度为 Co=1.0m mol/l 则复性 50% 所需时间 t=0.004 秒若要全部复性,Cot=10 4 t=0.1 秒 B.E.coli 碱基对图上查出 Cot1/2=10 mol.s/l 若浓度 Co=1.0 umol/l 则复性 50% 所需时间 t=107 秒, 约 115 天 复性 100%Cot=500 mol.s/l t=5 108 秒,5758 天 对于 E.coli, bp, 浓度达到 umol/l 级时, 浓度已很高 复性机制 :10 20bp 成 拉链 3 杂交 (DNA DNA DNA RNA) 将不同来源的 DNA 混合加热, 变性后, 慢慢冷却使它复性 若这些异源 DNA 之间, 在某些区域有相同的序列, 则复性时会形成杂交分子 第五节核酸研究技术一 核酸的分离纯化要求 : 尽可能保持其天然状态 条件温和, 防止过酸 过碱 避免剧烈搅拌, 抑制核酸酶 1 DNA 分离纯化真核 DNA 以核蛋白 (DNP) 形式存在,DNP 溶于水或盐 (1mol/L ), 但不溶于 0.14mol/L Nacl 中, 利用此性质, 可将 DNP 与 RNA 核蛋白分开, 提取出 DNP DNA 核蛋白可用水饱和的酚抽提, 去除蛋白质 还可用氯仿异戊醇去除蛋白质 2 RNA 的制备 ( 重点介绍 mrna 的分离 纯化 ) 用 0.14mol/L Nacl 使 DNP 沉淀, 上清中即为 RNA 核蛋白 (RNP) 去蛋白 : 盐酸胍 苯酚等必须防止 RNA 酶对 RNA 的破坏 二 核酸的凝胶电泳 1 琼脂糖电泳 1 核酸分子的大小, 迁移率与分子量的对数成反比 2 凝胶浓度 3 DNA 的构象, 超螺旋最快, 线形其次, 环形最慢 4 电流, 不大于 5V/cm 2 PAGE 电泳三 限制性核酸内切酶 (1979 年发现 ) 1 限制修饰系统图 2 II 型核酸内切酶核酸内切酶有 I II III 三种类型, 其中 II 型酶在 DNA 克隆中十分有用 II 型酶的特点 : 限制和修饰活性分开, 蛋白质结构是单一成分, 辅助因子 Mg2+, 位点序列旋转对称 ( 反向重复 ) II 型酶的切割频率识别位点 4 44= = =65536

19 Not I GCGGCCGC 限制酶的命名 :E.coRI 第一位 : 属名 E( 大写 ) 第二 三位 : 种名的头两个字母小写 co 第四位 : 菌株 R 第五位 : 罗马字, 从该细菌中分离出来的这一类酶的编号 同裂酶 : 来源不同的限制酶 ( 名称自然不同 ), 识别同样的核苷酸靶序列, 产生同样的切割, 形成同样的末端 BamH: GGATCC 同裂酶 BstI 识别位点相同, 切割位点相同, 产生同样的粘性末端 同尾酶 : 来源各异, 识别的靶序列不同, 但都产生相同的粘性末端 BamHI:GGATCC 同裂酶 :BstI GGATCC 同尾酶 :BclI TGATCA BglII AGATCT MboI GATC Sau3A GATC 星号活力 : 在一定条件下 ( 低离子强度, 碱性 ph, 或 50% 甘油 ), 限制酶的特异性降低 结果, 它的识别与切割所需的典型的核苷酸序列的数量和种类会发生变化 例如 HindIII AAGCTT 四 DNA 物理图谱及构建 ( 限制酶切图谱 DNA 酶切位点图谱 ) 在研究某一种 DNA 时, 弄清该 DNA 分子有哪些限制酶切位点是很重要的 建立物理图谱是进一步分析此 DNA 的基础, 末端标记法构建 DNA 物理图谱 : (1) 单酶完全降解和部分降解 (2) 双酶降解 图五 分子杂交 1 Southern Blotting P353 图 5 23 DNA 样品酶切电泳变性转膜固定杂交洗涤放射自显影变性 (NaOH 0.5mol/L ) 转膜 (NC 膜 ) 固定 (80,4 6h) 杂交 ( 高盐浓度,68, 几小时 ) Southern Blotting 可用于 DNA 之间同源性分析, 确定特异性 DNA 序列的大小和定位 可用 DNA 或 RNA 探针 2 Northern Blotting 研究对象是 mrna 检测可与探针 DNA 同源杂交的 mrna 分子的存在, 因而可以研究细胞内特定 mrna 的产生, 即特定基因

20 的表达 mrna 易形成局部二级结构, 因此, 总 RNA 或 mrna 需在变性条件下电泳, 乙二醛 甲醛可防止 RNA 形成二级结构 3 Western Blotting 是研究克隆基因表达产物 鉴定克隆株的常用技术 六 DNA 序列分析 ( 一 ) 化学裂解法 (Maxam Gilbert 法 ) DNA 一级结构测定原理 : 利用特异性的化学裂解法, 制备出具有同一标记末端, 而另一端是长度只差一个核苷酸的片段群, 然后将此片段群在能够分辨长度只差一个核苷酸 DNA 片段的 PAGE 上分离 一定浓度的特测片段 32P GCTACGTA 特异性化学裂解在 A 处 :32P GCT 和 32P GCTACGT 在 G 处 :32p GCTA 在 C 处 :32P G 和 32P GCTA 在 T 处 :32P GC 和 32P GCTACG 图 硫酸二甲酯特异切割 :G 甲酸特异切割 :G 和 A 肼在 Nacl 条件下切割 :C 肼在无 Nacl 条件下切割 :T 和 C 32P *ACTTCGACAA 硫酸二甲酯 : *ACTTC 甲酸 : *P *ACTTC *ACTTCG *ACTTCGAC *ACTTCGACA 肼 ( 有 Nacl): *A *ACTT *ACTTCGA 肼 ( 无 Nacl): *A *AC *ACT *ACTT *ACTTCGA 从下往上读 :CTACGTA 末端 G 不能读出 ( 二 ) 双脱氧终止法英国 Sanger 1955 确定牛胰岛素结构 1958 获诺贝尔化学奖

21 1980 设计出 DNA 测序法 1980 再获诺贝尔化学奖合成一段与待测 DNA 序列互补的 DNA 片段群 图 胰岛素的基因工程 :A 链 21a.a 63 个核苷酸 B 链 30a.a 90 个核苷酸 ( 三 ) 序列分析仪四色荧光基团标记的 ddntp 七 DNA 合成 ( 合成探针 引物 基因 ) 1 化学合成 DNA 合成仪 DNA 固相合成 ( 亚磷酸三酯法 ) 合成方向 :3 5 端 5 OH 用二对甲氧三苯甲基 (DMT) 保护, 碱基上氨基用苯甲酸保护 3 OH 用氨基磷酸化合物活化 P353 合成过程 保护 : 5 OH 活化 3 OH 保护所有 NH2 2 DNA 的酶合成 PCR 用 DNA 聚合酶 I 必备条件 : 1 模板 DNA( 单链 ) 2 引物 3DNA 聚合酶 4dATP dgtp dctp dttp 5 一定浓度的 Mg2+ 链合成方向 :5 3 端新的 DNA 链合成, 从引物 DNA 的 3 OH 开始 图 链的增长反应是引物 DNA 的 3 OH, 对脱氧核糖核苷三磷酸的 α 磷原子亲核进攻的结果 化学合成 : 方向 3 5, 不需 DNA 模板, 不用酶 生物合成 : 方向 5 3, 需模板, 引物, 用酶 第七章激素第一节概论重点 : 分泌 ( 来源 ) 化学本质 作用机理 常见激素的功能 一 激素的概念 1 激素早期概念 : 由动物器官产生, 通过血液到达靶器官, 并产生特异激动效应的一类化合物 现在概念 : 机体内一部分细胞产生, 通过扩散 血液运送至另一部分细胞, 并起代谢调节控制作用的一类微量化学信息分子 广义概念 : 多细胞生物体内, 协调不同细胞活动的化学信使 它使高等生物体的细胞 组织和器官, 既分

22 工又协作 2 分泌特点 顾天爵 P 314 (1) 内分泌 : 内分泌细胞分泌激素, 进入血液循环, 转运至靶细胞, 产生激动效应 (2) 旁分泌 : 部分细胞分泌激素, 通过扩散, 作用于邻近的细胞 (3) 自分泌 : 细胞分泌的激素对自身或同类细胞发挥作用 (4) 外激素 : 从体内分泌, 排出体外, 通过空气 水等传插, 引起同种生物产生生理效应 二 激素分类 ( 按化学本质分类 ) P421~423 表 含氮激素含氮激素是一大类激素, 包括蛋白质 肽 儿茶酚等水溶性大分子, 不易通过细胞膜 通过与膜受体结合, 诱导生成第二信使, 将信号转导入细胞内 胺类激素 : 儿茶酚 a.a 衍生物类激素 : 甲状腺素肽类激素 : 抗利尿素蛋白质类激素 : 生长素 胰岛素 促卵泡激素 (FSH) 黄体生成素(LH) 垂体和下丘脑分泌的激素都是含氮激素 ( 蛋白类 多肽类 ), 甲状腺 甲状旁腺 肾上腺髓质 胰岛 肠黏膜 胃黏膜 等分泌的激素也是含氮激素 2 甾体激素 ( 甾醇类激素 ) 肾上腺皮质 性腺 胎盘等分泌的激素都属此类 类固醇激素 甲状腺素等小分子脂溶性激素, 可通过细胞膜进入细胞内, 与细胞质内受体结合, 然后进入细胞核发挥作用 3 脂肪族激素 ( 脂肪酸衍生物激素 ) 主要是前列腺素 PG, 目前已知有几十种此类激素 三 激素作用的特点 1. 信号传递作用 2. 级联放大作用极微量的激素, 就可产生强烈的生理效应 在体内的水平一般在 mol/L( mol/l) 3. 相对特异性激素与受体结合是专一的, 受体在靶细胞膜表面或细胞内部, 甾醇类激素可穿过细胞膜 4. 作用的时效性有些激素到达靶细胞后, 几秒钟内起作用 ; 另一些需几小时至几天才达到最大生理效应, 在血液中寿命较短 5. 激素间的相互作用几种激素之间有时相互协同, 有时相互抑制 第二节激素的分泌与控制一 下丘脑分泌的激素 ( 多肽, 共有十种 ) 丘脑下部的神经细胞能分泌多种肽类激素, 它们经垂体门静脉系统, 到达腺垂体, 促进或抑制腺垂体某些激素的释放下丘脑激素直接控制垂体激素的分泌, 通过垂体间接控制其它外周内分泌腺的分泌 下丘脑激素由下丘脑的某些神经细胞分泌, 而这些细胞的分泌功能则由神经作用通过神经介质来调节 P421 1 促甲状腺激素释放因子 (TRF) 由焦谷 组 脯组成的三肽激素 功能 : 促进促甲状腺激素 (TSH) 的分泌 2 促黄体生成激素释放因子 (LRF)

23 卵巢分泌的雌性激素 ( 孕酮 雌二醇 ) 对 LRF 的分泌有负反馈抑制作用 3 促肾上腺皮质激素释放因子 (CRF) 促进垂体前叶释放促肾上腺皮质激素 (ACTH) 4 生长激素释放抑制因子 (GRIF) 能抑制生长激素的分泌, 且抑制胰高血糖素分泌, 促进胰岛素分泌 二 垂体分泌的激素 ( 蛋白质 ) ( 一 ) 垂体前叶激素 1 生长激素 (GH) 是蛋白质, 动物的生长激素分子量 不等, 人的 GH 分子量 21500,191 个 a.a 功能 : 刺激骨骼生长, 促进粘多糖及胶原的合成, 影响蛋白质 糖 脂代谢, 最终影响体重的增长 2 促甲状腺激素 (TSH) 功能 : 促进甲状腺的发育及分泌 促甲状腺激素的分泌受下丘脑分泌的促甲状腺激素释放因子的促进 3 促黄体生成激素 (LH) 功能 : 促进卵泡发育成黄体, 促进胆甾醇转变成孕酮并分泌孕酮, 阻止排卵, 抑制动情 4 促卵泡激素 (FSH) 功能 : 促使卵巢 ( 精巢 ) 发育, 促进卵泡 ( 或精子 ) 的生成和释放 5 催乳激素 (LTH) 功能, 刺激乳腺分泌乳汁, 刺激并维持黄体分泌孕酮 LTH 大大促进乳腺中 RNA 及蛋白质的合成, 还使乳腺中许多参与糖代谢 脂代谢的酶活力增大 6 促肾上腺皮质激素 (ACTH) 功能 : 促进体内储存的胆甾醇在肾上腺皮质中转化成肾上腺皮质酮, 并刺激肾上腺分泌激素 ( 二 ) 垂体后叶激素 ( 由下丘脑合成, 贮存在神经垂体中 ) 1 催产素结构 :P115 图 3 32 功能 : 使多种平滑肌收缩 ( 特别是子宫收缩 ) 孕酮可抑制催产素的作用 2 加压素 ( 抗利尿素 ) 功能 : 使小动脉收缩, 增高血压, 并可减少排尿, 调节水代谢 三 腺体分泌的激素 ( 外周内分泌腺 ) P 甲状腺 甲状旁腺 2. 肾上腺 ( 髓质 ) 3. 胰岛 4. 肾上腺 ( 皮质 ) 糖皮质 盐皮质 四 激素分泌的调节控制 P463 1 上级对下一级的调节大脑皮层 丘脑下部 垂体 促激素释放 ( 抑制 ) 因子

24 促激素外周腺体激素外围激素 最终靶细胞 2 负反馈作用是机体对激素的产生和分泌进行调节的基本方式之一 能维持激素浓度的相对稳定, 保持对激素效应的控制 外围激素对下丘脑或垂体的调节称长负反馈, 促激素对下丘脑的调节称短负调节 下丘脑本身产生的激素对下丘脑的调节称超短负反馈 3 酶的分步剪切调节有的激素经几个酶作用, 在不同水平上被分步剪切, 逐步被激活, 激素的效应也就因酶的分步剪切而得到调节 4 多元调节激素通远它们之间的相互制约 相互依赖而受到调控 第三节激素作用机理一 受体及特点胞外受体 胞内受体 1 受体 : 细胞中能识别配体 ( 神经递质 激素 细胞因子 ) 并与其特异结合, 引起各种生物效应的分子, 均称为受体 受体的化学本质是蛋白质, 在细胞表面的受体大多为糖蛋白 激素 细胞因子和神经递质的浓度都很低, 激素在 mol/L ( mol/l ) 之间, 而血液循环中具有相似结构的化合物 ( 蛋白 氨基酸 固醇等 ) 的浓度为 mol/L 之间 正是依赖高亲和力和特异性的受体, 激素才能与特异靶细胞结合并发挥作用, 而受体则成为细胞接受及传递信息的装置, 在细胞间信息传递过程中起重要作用 2 激素与受体结合的特点 ( 细胞因子 ) 1 高亲和力 HR=H+R 激素 (H) 与受体 (R) 的亲和力可用其解离常数 Kd 表示 Kd 在 mol/l Kd 越小, 表明亲和力越高, 激素的浓度很低也能与受体结合, 引起生物效应 2 高特异性此特性由受体的结合域与配体的结构部位, 以及受体与配体的构象决定 只有有相应受体的靶细胞, 才对激素起反应 没有相应受体的细胞, 同样也接触激素, 但不会引起反应 细胞因子 神经递质与其受体产关系与此相似 内分泌腺细胞血液靶细胞图 3 激素与受体结合是非共价的 可逆的 当激素与受体分离后, 激素的信使作用即中止 = 常数当 [H] 时则 [HR]

25 4 细胞的受体数目很大一般有数百至数千个, 甚至数万个 激素生物效应的强弱通常与同受体结合激素的量成正比, 但是当激素浓度升高至一定浓度时, 由于受体的数目有限, 激素与受体的结合曲线呈饱和状态 受体饱和以后, 激素的生物效应就不再随激素浓度升高而增强 图 3 受体的结构与功能激素与受体结合, 是信息传递至细胞的第一步 随后, 由受体构象的变化引起一系列信息传递过程, 因此, 所有受体包含二个功能部分 一个是与配体结合的结合域, 结合域的构象或活性基团, 决定其结合配体的特异性, 另一个是功能部分, 参与转导信息 1 受体 离子通道型受体本身构成离子通道, 当其结合域与配体 ( 激素 ) 结合后, 受体变构, 使通道开放或关闭, 引起或切断离子流动, 从而传递信号 例如 : 乙酰胆碱受体神经元的乙酰胆碱受体, 由 5 个亚基在细胞膜内呈五边形排列, 围成离子通道壁 当它与乙酰胆碱结合时, 膜通道开放, 膜外阳离子 (Na+ 为主 ) 内流, 引起突触后膜电位变化 2 受体 G 蛋白 效应蛋白型许多信息物质与细胞膜受体结合后, 受体变构, 激活相应的效应蛋白 ( 如酶或其它功能蛋白 ) 酶被激活后, 可催化生成一些小分子化学物质, 后者进入胞液内, 引起细胞产生相应的生物效应, 称为第二信使 在真核细胞中, 鸟苷三磷酸 (GTP) 结合蛋白 ( 简称 G 蛋白 ) 在联系细胞膜受体与效应蛋白质中起重要作用 3 受体 酪氨酸蛋白激酶型胰岛素及一些细胞生长因子的受体, 本身具有酪氨酸蛋白激酶活性 这些受体是跨膜糖蛋白, 胞外部分构成结合域以结合配体, 中间有 20 多个疏水 aa, 构成跨膜区, 胞内有较多可以被磷酸化的酪氨酸残基 4 受体 转录因子型类固醇激素及甲状腺激素的受体位于细胞内, 它们进入细胞内与细胞内受体结合后, 生成活化的激素 受体复合物, 该复合物转移入核内, 与所调控基因的特定部位结合, 然后启动转录 二 激素的作用机理 ( 一 ) camp 蛋白激酶 A 途径反应快, 几分钟 通过环核苷酸而起作用, 大部分含氮激素都以这种方式起作用 要点 : P424 图 8 1 激素通过 camp 起作用的示意图 含氮激素作为第一信使与靶细胞膜上的特异受体结合, 引发已结合在受体上的 G 蛋白生成 Gs 蛋白 GTP, Gs 蛋白活化膜上的腺苷酸环化酶, 活化的腺苷酸环化酶催化 ATP 转化成 camp camp 自由扩散到整个细胞, 对代谢酶起活化或抑制作用, 间接控制细胞的代谢过程 camp 激活依赖 camp 的蛋白激酶 ( 蛋白激酶 A PKA), 蛋白激酶 A 催化一些蛋白质的 Ser Thr 的羟基磷酸化, 从而改变这些酶的活性, 调节代谢 激素被称为第一信使 camp 被称为第二信使 对一些关键酶的磷酸化是调节代谢途径的快速方式, 蛋白激酶 A 能磷酸化的酶很多 被磷酸化的酶活性改变代谢调节磷酸化酶 b 激酶激活糖原分解, 抑制糖原合成 糖原合成酶抑制抑制糖原合成

26 丙酮酸激酶抑制抑制糖酵解 ( 二 ) IP3 Ca2+ 钙调蛋白激酶途径此途径的第二信使是 : 三磷酸肌醇 IP3 及 Ca2+ 要点 : 激素 ( 儿茶酚胺 血管舒张素 Ⅱ 抗利尿素 5 羟色胺等 ) 与细胞膜上相应受体结合, 激活 G 蛋白, 通过 G 蛋白介导, 激活磷脂酶 C(PLC, 磷酸肌醇酶 ) 后者可将磷脂酰肌醇 4.5 二磷酸 (PIP2) 水解成二脂酰甘油 DAG 及 IP3, 这二者都是第二信使 DAG 可激活蛋白激酶 C, 活化的蛋白激酶 C 可将多种靶蛋白中的 Ser Thr 残基磷酸化, 调节酶活性 IP3 是小分子化合物, 进入细胞液内, 从而将信息传导至细胞内 在内质网膜表面有 IP3 受体,IP3 受体是四聚体, 其亚基的羧基部分构成钙通道 IP3 与 IP3 受结合后, 变构, 钙通道打开, 贮于内质网的 Ca2+ 释放入细胞质内, 使胞质 Ca2+ 浓度升高 Ca2+ 升高可激活 Ca2+/ 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 (CaM 激酶 ) CaM 有 4 个结合 Ca2+ 位点, 当结合 Ca2+ 后变构, 一些依赖 Ca2+/CaM 的蛋白激酶就被激活, 从而可使许多蛋白质的 Ser Thr 残基磷酸化, 使酶激活或失活 Ca2+/CaM 复合物也可以直接地与靶酶起作用 可被 CaM 激酶磷酸化的酶有 : 糖原合成酶 磷酸化酶激酶 丙酮酸羧化酶 丙酮酸脱氢酶等几十种 钙调蛋白 EF 手 P451 图 8 20 EF 手构象 螺旋区 泡区一螺旋区结构的钙传感器家族成员之一 钙离子与许多生理活动有关, 是许多信号传导途径中的细胞内信使, 与细胞收缩 胞吐 胞饮 糖元代谢 神经递质释放 染色体运动 细胞死亡等都有密切关系 为什么选择钙离子 : 1 细胞内 Ca2+ 浓度可以大幅度地发生变化, 胞内有大量的磷酸酯, 因此胞内 Ca2+ 浓度很低 未被激动的细胞内, 胞质中 Ca2+ 水平为 0.1 umol/l, 比环境中的浓度低几个数量级 种十分悬殊的浓度差为细胞提供了接受信号的机会 : 为达到传递信号的目的, 可瞬间打开质膜或细胞内膜中的钙通道, 速迅升高胞质中 Ca2+ 浓度 2Ca2+ 与带负电荷的氧 (Glu Asp 侧链 ) 和不带电荷的氧 ( 主链 C=0) 都能结合, 可与 6~8 个氧原子配位结合, 使 Ca2+ 能和一个蛋白质的不同片段发生交联, 诱导蛋白质构象变化 钙调蛋白的结构特点 1 帕佛清蛋白 (12kd) 有 8 个氧原子 ( 三个 Asp 提供 4 个羧基氧, 一个 Glu 提供 2 个羧基氧, 一个主链羰基提供一个羰基氧, 一分子水提供一个氧 ), 等同地与每个 Ca2+ 结合 此蛋白具有两个相似的 Ca2+ 结合位点, 在二级结构中, 这种位点由此蛋白的 E 区 (α 螺旋 ) 和 F 区 (α 螺旋 ) 及结合 Ca2+ 的泡区构成, 它们的位置象右手的大姆指与食指夹着一个结合钙的泡区 这种螺旋区 泡区一螺旋区结构称为 EF 手 P451 图 牛脑的钙调蛋白 148 个 a.a 残基, 有 4 个可结合 Ca2+ 的结构域 当 Ca2+ 结合到 E 区和 F 区之间的泡区时, 引起每个 α 螺旋在它的轴线附近旋转并移位, 这使钙调蛋白转变成一种对靶蛋白具有很高亲合力的构象 钙调蛋白只在结合 Ca2+, 形成 Ca2+.CaM 复合物后才能有生物活性 1 直接与靶酶起作用 ( 蛋白激酶 C)

27 2 活化依赖于 Ca2+.CaM 复合物的蛋白激酶, 使靶酶磷酸化 ( 三 ) 受体 酪氨酸蛋白激酶途径激素与受体 酪氨酸蛋白激酶 (TPK) 结合后, 使原来无活性的 TPK 变为有活性的 TPK,TPK 催化受体分子自身 Tyr 残基磷酸化, 并进一步提高 TPK 的活性, 使其它底物蛋白磷酸化 ( 四 ) 细胞内受体途径 ( 基因表达学说 ) 反应慢, 几小时到几天, 这类激素的受体是 DNA 结合蛋白 甾醇类激素及少数含氮激素, 先进入细胞, 在胞质中与各自的受体结合, 生成激素 受体复合物, 此复合物穿过核膜, 与各自特定的基因调控序列结合, 使 DNA 转录出大量的 mrna, 并合成出大量的特异蛋白质 ( 酶 ) 作用过程 : P425 图 8 2 P458 图 8 25 此种作用方式的激素有 : 糖皮质激素 盐皮质激素 ( 醛甾酮 ) 雌激素( 雌二醇 孕酮 ) 雄激素( 睾酮 ) 甲状腺素等 受类固醇激素调控的基因中, 与激素 受体复合物结合的部位称激素应答元件 ( hormone response element HRE) HRE 往往是类似回文结构的序列糖皮质激素 受体复合物所结合的 HRE, 位于转录起始点上游几百个 bp 处 P425 表 8 3 一些激素的作用方式第四节激素作用举例一 肾上腺素 camp 方式属儿茶酚胺类化合物, 生成后在囊泡内储存, 在惊恐 低氧 血压降低等应激状态时, 囊泡通过泡吐作用释放 靶细胞 : 肌肉 脂肪 肝脏灭活 : 肝细胞 1 结构与功能肾上腺素及去甲肾上腺素均由 Tyr 转化而来 ( 由肾上腺髓质分泌 ), 对心脏 血管起作用时, 可使心跳加快 血管收缩 血压上升 它对糖代谢影响最大, 在肝细胞中可加强肝糖元分解, 迅速升高血糖 此外, 还能促进蛋白质 氨基酸 脂肪分解 P426 结构式 2 G 蛋白 ( 鸟苷酸结合蛋白 ) G 蛋白与激素受体偶连, 将信息传递给腺苷酸环化酶 (camp 途径 ) 或磷脂酶 (Ca2+ 途径 ), 从而产生胞内信使 ( 第二信使 :camp,ca2+), 因此,G 蛋白是偶连胞外信使和胞内信使的桥梁 G 蛋白的活化与去活化过程 : P428 图 G 蛋白是一个界面蛋白, 处于细胞膜的内缘, 与跨膜的激素受体偶连, 信号转导过程就发生在细胞膜上, 当细胞外的激素与跨膜的受体结合后引起受体构象变化, 然后激素 受体复合物激活膜内的 G 蛋白 无活性的 G 蛋白 (G β γ α GDP) 发生 GTP GDP 交换, 形成有活性的 G 蛋白 (Gs), 其催化亚基 Gα GTP 解离出来, 扩散到细胞内, 激活其效应子 ( 腺苷酸环化酶 PLC K+ 通道等 ) 每一个激素 受体复合物可以形成许多个分子 Gα GTP, 由此给出 放大 的效应

28 当激素停止分泌时, 结合在受体上的激素就逐渐解离下来 Gα GTP 缓慢水解, 释放掉 GTP,Gα 失去催化活性, 与 β γ 亚基重新形成无活性的 G 蛋白 (G β γ α GDP) 信号转导停止 结合态 GTP 水解, 表明 G 蛋白是一个 GTPase, 即这个调节蛋白具有一种内藏式的脱活作用, 缺乏激素时, GTP GDP 交换反应速度降低, 最终几乎所有的 G 蛋白均以结合着 GDP 的无活性形式存在 β 肾上腺素受体的构象 跨膜七螺旋区 P 430 β 肾上腺素受体结构 许多与 G 蛋白偶连的受体都是跨膜蛋白, 跨膜螺旋区结构是激活 G 蛋白的跨膜受体所具有的普遍特征 4 蛋白激酶 A 凡有 camp 的细胞, 都有一类蛋白激酶 (PKA),cAMP 通过蛋白激酶 A 发挥它的作用 蛋白激酶 A 的活化 P430 图 8 6 camp 激活蛋白激酶 A 5 肾上腺素的作用方式 ( 在促进糖元分解中的级联放大作用 ) P 431 图 8 7 肾上腺素对提高血糖的级联放大作用 当肾上腺素以 mol/L 的浓度到达肝细胞表面时, 迅速与肝细胞表面的肾上腺素受体结合, 使此局部构象变化, 激活与受体偶连的 G 蛋白, 从而激活膜上的腺苷酸环化酶, 产生 camp 少量的肾上腺素 ( mol/L), 能引起强烈反应, 产生 5mmol/L 葡萄糖 反应过程中信号逐级放大, 共约 300 万倍, 它在几秒钟内就可使磷酸化酶的活性达到最大 一旦肾上腺素停止分泌, 结合在肝细胞膜上的肾上腺素就解离下来, 产生一系列变化 : camp 不再生成, 遗留的 camp 被磷酸二酯酶分解 蛋白激酶 A 的两种亚基又联结成无活性的复合体 ( 催化亚基和调节亚基 ), 有活性的磷酸化酶激酶的磷酸化形式遭到脱磷酸作用, 变成无活性形式, 磷酸化酶 a 受到磷酸酶作用, 脱去磷酸变成无活性的磷酸化酶 b, 糖元分解停止 同时无活性的磷酸化形式的糖元合成酶经过脱磷酸作用, 又变得活跃起来, 继续合成糖元 二 甲状腺素 1 结构含碘落氨酸衍生物 在甲状腺中合成甲状腺球蛋白, 每分子此球蛋白含 2 4 个 T4 分子 当受促甲状腺激素刺激时, 溶酶体中的蛋白酶水解甲状腺球蛋白, 放出 T4 和 T3 血浆中 T3 和 T4 绝大部分与血浆中的蛋白质结合运输, 可防止 T3 T4 经肾丢失 T3 T4 在肝中失活, 肝中有一种与甲状腺素亲合力极强的蛋白质, 血流经过肝脏时,1/3 的甲状腺素被肝细胞摄取, 与葡萄糖醛酸或硫酸反应后失活, 由胆汁排出 还可脱氨 脱羧 脱碘而失活 2 功能增强新陈代谢, 引起耗氧量及产热量增加, 促进智力与体质发育 缺乏症 : 幼年发育迟缓, 行动呆笨等成年厚皮病 基础代谢降低过量 : 甲亢 基础代谢增高 眼球突出 心跳加快 消瘦 神经系统兴奋提高, 表现为神经过敏 3 作用方式在线粒体中促进 ATP 氧化磷酸化过程, 增加基础代谢 增加 RNA(tRNA mrna) 的合成, 促进个体生长发育 三 胰岛素及胰高血糖素 1 结构

29 P128 图 β 细胞胰岛素 A 链 21 a.a 残基 B 链 30 a.a 残基 2α 细胞胰高血糖素 29 a.a 残基 2 功能 1 胰岛素 : 提高组织摄取葡萄糖的能力, 抑制肝糖元分解, 促进肝糖元及肌糖元合成, 因此可降低血糖 缺乏 : 血糖升高, 尿中有糖, 糖尿病 过量 : 血糖过低, 能量供应不足, 影响大脑机能 2 胰高血糖素 : 增高血糖含量, 促进肝糖元分解 3 作用方式 : (1) 胰岛素 : 受体 酪氨酸蛋白激酶途径 P442 图 8 14 P443 图 8 15 胰岛素的受体是跨膜的酪氨酸激酶, 由 α 2β 2 组成,α 链处在细胞膜的外侧,β 链穿过细胞膜 胰岛素结合到受体的膜外部分上时是如何诱导处受体的膜内部分的酪氨酸激酶的活性的? 活化的受体对靶细胞中的哪些蛋白质进行磷酸化? 磷酸化的靶蛋白如何地具有多重的促进生长效应和多冲的代谢效应? 都不清楚 (2) 胰高血糖素 :camp 途径与肾上腺素类似, 通过 camp 途径, 提高肝糖元磷酸化酶活性, 促进肝糖原分解 ( 并不促使肌糖原分解 ) 第八章糖代谢自养生物分解代谢糖代谢包括异养生物自养生物合成代谢异养生物能量转换 ( 能源 ) 糖代谢的生物学功能物质转换 ( 碳源 ) 可转化成多种中间产物, 这些中间产物可进一步转化成氨基酸 脂肪酸 核苷酸 糖的磷酸衍生物可以构成多种重要的生物活性物质 :NAD FAD DNA RNA ATP 分解代谢 : 酵解 ( 共同途径 ) 三羧酸循环( 最后氧化途径 ) 磷酸戊糖途径 糖醛酸途径等 合成代谢 : 糖异生 糖原合成 结构多糖合成以及光合作用 分解代谢和合成代谢, 受神经 激素 别构物调节控制 第一节糖酵解 glycolysis 一 酵解与发酵 1 酵解 glycolysis ( 在细胞质中进行 ) 酵解酶系统将 Glc 降解成丙酮酸, 并生成 ATP 的过程 它是动物 植物 微生物细胞中 Glc 分解产生能量的共同代谢途径 在好氧有机体中, 丙酮酸进入线粒体, 经三羧酸循环被彻底氧化成 CO2 和 H2O, 产生的 NADH 经呼吸链氧化而产生 ATP 和水, 所以酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏 若供氧不足,NADH 把丙酮酸还原成乳酸 ( 乳酸发酵 ) 2 发酵 fermentation

30 厌氧有机体 ( 酵母和其它微生物 ) 把酵解产生的 NADH 上的氢, 传递给丙酮酸, 生成乳酸, 则称乳酸发酵 若 NAPH 中的氢传递给丙酮酸脱羧生成的乙醛, 生成乙醇, 此过程是酒精发酵 有些动物细胞即使在有 O2 时, 也会产生乳酸, 如成熟的红细胞 ( 不含线粒体 ) 视网膜 二 糖酵解过程 (EMP) Embden Meyerhof Pathway,1940 在细胞质中进行 1 反应步骤 P79 图 13 1 酵解途径, 三个不可逆步骤是调节位点 (1) 葡萄糖磷酸化形成 G 6 P 反应式 此反应基本不可逆, 调节位点 G0= 4.0Kcal/mol 使 Glc 活化, 并以 G 6 P 形式将 Glc 限制在细胞内 催化此反应的激酶有, 已糖激酶和葡萄糖激酶 激酶 : 催化 ATP 分子的磷酸基 (r 磷酰基 ) 转移到底物上的酶称激酶, 一般需要 Mg2+ 或 Mn2+ 作为辅因子, 底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征 P 80 图 13 2 己糖激酶与底物结合时的构象变化 已糖激酶 : 专一性不强, 可催化 Glc Fru Man( 甘露糖 ) 磷酸化 己糖激酶是酵解途径中第一个调节酶, 被产物 G 6 P 强烈地别构抑制 葡萄糖激酶 : 对 Glc 有专一活性, 存在于肝脏中, 不被 G 6 P 抑制 Glc 激酶是一个诱导酶, 由胰岛素促使合成, 肌肉细胞中已糖激酶对 Glc 的 Km 为 0.1mmol/L, 而肝中 Glc 激酶对 Glc 的 Km 为 10mmol/L, 因此, 平时细胞内 Glc 浓度为 5mmol/L 时, 已糖激酶催化的酶促反应已经达最大速度, 而肝中 Glc 激酶并不活跃 进食后, 肝中 Glc 浓度增高, 此时 Glc 激酶将 Glc 转化成 G 6 P, 进一步转化成糖元, 贮存于肝细胞中 (2) G 6 P 异构化为 F 6 P 反应式 : 由于此反应的标准自由能变化很小, 反应可逆, 反应方向由底物与产物的含量水平控制 此反应由磷酸 Glc 异构酶催化, 将葡萄糖的羰基 C 由 C1 移至 C2, 为 C1 位磷酸化作准备, 同时保证 C2 上有羰基存在, 这对分子的 β 断裂, 形成三碳物是必需的 (3) F 6 P 磷酸化, 生成 F 1.6 P 反应式 : 此反应在体内不可逆, 调节位点, 由磷酸果糖激酶催化 磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶, 又是酵解途径的第二个调节酶 (4) F 1.6 P 裂解成 3 磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮 (DHAP) 反应式 : 该反应在热力学上不利, 但是, 由于具有非常大的 G0 负值的 F 1.6 2P 的形成及后续甘油醛 3 磷酸氧化的放能性质, 促使反应正向进行 同时在生理环境中, 3 磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸, 驱动反应向右进行 该反应由醛缩酶催化, 反应机理

31 P 83 (5) 磷酸二羟丙酮 (DHAP) 异构化成 3 磷酸甘油醛 反应式 :( 注意碳原子编号的变化 ) 由磷酸丙糖异构酶催化 已糖转化成 3 磷酸甘油醛后,C 原子编号变化 :F 1.6 P 的 C1 P C6 P 都变成了 3 磷酸甘油醛的 C3 P 图解 : (6) 3 磷酸甘油醛氧化成 1.3 二磷酸甘油酸 反应式 : 由磷酸甘油醛脱氢酶催化 此反应既是氧化反应, 又是磷酸化反应, 氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行 反应机理 : P84 图 磷酸甘油醛脱氢酶的催化机理 碘乙酸可与酶的 SH 结合, 抑制此酶活性, 砷酸能与磷酸底物竞争, 使氧化作用与磷酸化作用解偶连 ( 生成 3 磷酸甘油酸 ) (7) 1.3 二磷酸甘油酸转化成 3 磷酸甘油酸和 ATP 反应式 : 由磷酸甘油酸激酶催化 这是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应, 也是酵解过程中第一次产生 ATP 的反应 一分子 Glc 产生二分子三碳糖, 共产生 2ATP 这样可抵消 Glc 在两次磷酸化时消耗的 2ATP (8) 3 磷酸甘油酸转化成 2 磷酸甘油酸反应式 : 磷酸甘油酸变位酶催化, 磷酰基从 C3 移至 C2 (9) 2 磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 反应式 : 烯醇化酶 2 磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键 ( G= 17.6Kj /mol) 而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键 ( G= 62.1Kj /mol), 因此, 这一步反应显著提高了磷酰基的转移势能 (10) 磷酸烯醇式丙酮酸生成 ATP 和丙酮酸 反应式 : 不可逆, 调节位点 由丙酮酸激酶催化, 丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶, 这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应, 磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给 ADP, 生成 ATP 和丙酮酸 EMP 总反应式 :

32 1 葡萄糖 +2Pi+2ADP+2NAD+ 2 丙酮酸 +2ATP+2NADH+2H++2H2O 2 糖酵解的能量变化 P87 图 13 5 糖酵解途径中 ATP 的生成 无氧情况下 : 净产生 2ATP(2 分子 NADH 将 2 分子丙酮酸还原成乳酸 ) 有氧条件下 :NADH 可通过呼吸链间接地被氧化, 生成更多的 ATP 1 分子 NADH 3ATP 1 分子 FAD 2ATP 因此, 净产生 8ATP( 酵解 2ATP,2 分子 NADH 进入呼吸氧化, 共生成 6ATP) 但在肌肉系统组织和神经系统组织 : 一个 Glc 酵解, 净产生 6ATP(2+2*2) 甘油磷酸穿梭 : 2 分子 NADH 进入线粒体, 经甘油磷酸穿梭系统, 胞质中磷酸二羟丙酮被还原成 3 磷酸甘油, 进入线粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮, 但在线粒体中的 3 磷酸甘油脱氢酶的辅基是 FAD, 因此只产生 4 分子 ATP 1: 胞液中磷酸甘油脱氢酶 2: 线粒体磷酸甘油脱氢酶 罗纪盛 P 259 P 260 苹果酸穿梭机制 : 胞液中的 NADH 可经苹果酸脱氢酶催化, 使草酰乙酸还原成苹果酸, 再通过苹果酸 2 酮戊二酸载休转运, 进入线粒体内, 由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化, 生成 NADH 和草酰乙酸 而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用, 消耗 Glu 而形成 Asp Asp 经线粒体上的载体转运回胞液 在胞液中, Asp 经胞液中的 Asp 转氨酶作用, 再产生草酰乙酸 经苹果酸穿梭, 胞液中 NADH 进入呼吸链氧化, 产生 3 个 ATP 图 苹果酸脱氢酶 ( 胞液 ) α 酮戊二酸转位酶苹果酸脱氢酶 ( 线粒体基质 ) 谷 草转氨酶 Glu Asp 转位酶谷 草转氨酶草酰乙酸 : 苹果酸 : α 酮戊二酸 : 3 糖酵解中酶的反应类型 P88 表 13 1 糖酵解反应 氧化还原酶 (1 种 ):3 磷酸甘油醛脱氢酶转移酶 (4 种 ): 己糖激酶 磷酸果糖激酶 磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶裂合酶 (1 种 ): 醛缩酶异构酶 (4 种 ): 磷酸 Glc 异构酶 磷酸丙糖异构酶 磷酸甘油酸变位酶 烯醇化酶三 糖酵解的调节参阅 P120 糖酵解的调节

33 糖酵解过程有三步不可逆反应, 分别由三个调节酶 ( 别构酶 ) 催化, 调节主要就发生在三个部位 1 已糖激酶调节别构抑制剂 ( 负效应调节物 ):G 6 P 和 ATP 别构激活剂 ( 正效应调节物 ):ADP 2 磷酸果糖激酶调节 ( 关键限速步骤 ) 抑制剂 :ATP 柠檬酸 脂肪酸和 H+ 激活剂 :AMP F 2.6 2P ATP: 细胞内含有丰富的 ATP 时, 此酶几乎无活性 柠檬酸 : 高含量的柠檬酸是碳骨架过剩的信号 H+: 可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒 3 丙酮酸激酶调节抑制剂 : 乙酰 CoA 长链脂肪酸 Ala ATP 激活剂 :F 1.6 P 四 丙酮酸的去路 1 进入三羧酸循环 2 乳酸的生成在厌氧酵解时 ( 乳酸菌 剧烈运动的肌肉 ), 丙酮酸接受了 3 磷酸甘油醛脱氢酶生成的 NADH 上的氢, 在乳酸脱氢酶催化下, 生成乳酸 总反应 : Glc + 2ADP + 2Pi 2 乳酸 + 2ATP + 2H2O 动物体内的乳酸循环 Cori 循环 : 图 肌肉收缩, 糖酵解产生乳酸 乳酸透过细胞膜进入血液, 在肝脏中异生为 Glc, 解除乳酸积累引起的中毒 Cori 循环是一个耗能过程 :2 分子乳酸生成 1 分子 Glc, 消耗 6 个 ATP 3 乙醇的生成酵母或其它微生物中, 经糖酵解产生的丙酮酸, 可以经丙酮酸脱羧酶催化, 脱羧生成乙醛, 在醇脱氢酶催化下, 乙醛被 NADH 还原成乙醇 总反应 :Glc+2pi+2ADP+2H+ 2 乙醇 +2CO2+2ATP+2H20 在厌氧条件下能产生乙醇的微生物, 如果有氧存在时, 则会通过乙醛的氧化生成乙酸, 制醋 4 丙酮酸进行糖异生五 其它单糖进入糖酵解途径除葡萄糖外, 其它单糖也可进行酵解 P 91 图 13 6 各种单糖进入糖酵解的途径 1. 糖原降解产物 G 1 P 2.D 果糖有两个途径 3.D 半乳糖 4.D 甘露糖 第二节三羧酸循环葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段 1 糖酵解产生丙酮酸 ( 2 丙酮酸 2ATP 2NADH) 2 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰 CoA

34 3 三羧酸循环 ( CO2 H2O ATP NADH) 4 呼吸链氧化磷酸化 ( NADH ATP ) 三羧酸循环 : 乙酰 CoA 经一系列的氧化 脱羧, 最终生成 CO2 H2O 并释放能量的过程, 又称柠檬酸循环 Krebs 循环 原核生物 : 1~4 阶段在胞质中真核生物 : 1 在胞质中, 2~4 在线粒体中一 丙酮酸脱羧生成乙酰 CoA 1 反应式 : 此反应在真核细胞的线粒体基质中进行, 这是连接糖酵解与 TCA 的中心环节 2 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系, 位于线粒体膜上, 电镜下可见 E.coli 丙酮酸脱氢酶复合体 : 分子量 : , 直径 45nm, 比核糖体稍大 酶辅酶每个复合物亚基数丙酮酸脱羧酶 ( E1) TPP 24 二氢硫辛酸转乙酰酶 ( E2) 硫辛酸 24 二氢硫辛酸脱氢酶 ( E3) FAD NAD+ 12 此外, 还需要 CoA Mg2+ 作为辅因子这些肽链以非共价键结合在一起, 在碱性条件下, 复合体可以解离成相应的亚单位, 在中性时可以重组为复合体 所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上, 活性中间物可以从个酶活性位置转到另一个酶活性位置, 因此, 多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应的活性 3 反应步骤 P 93 反应过程 又 一 中 (1) 丙酮酸脱羧形成羟乙基 TPP (2) 二氢硫辛酸乙酰转移酶 ( E2) 使羟乙基氧化成乙酰基 (3)E2 将乙酰基转给 CoA, 生成乙酰 CoA (4)E3 氧化 E2 上的还原型二氢硫辛酸 (5)E3 还原 NAD+ 生成 NADH 4 丙酮酸脱氢酶系的活性调节从丙酮酸到乙酰 CoA 是代谢途径的分支点, 此反应体系受到严密的调节控制, 此酶系受两种机制调节 (1) 可逆磷酸化的共价调节丙酮酸脱氢酶激酶 ( EA)( 可被 ATP 激活 ) 丙酮酸脱氢酶磷酸酶 ( EB) 磷酸化的丙酮酸脱氢酶 ( 无活性 ) 去磷酸化的丙酮酸脱氢酶 ( 有活性 ) (2) 别构调节 ATP CoA NADH 是别构抑制剂 ATP 抑制 E1

35 CoA 抑制 E2 NADH 抑制 E3 5 能量 1 分子丙酮酸生成 1 分子乙酰 CoA, 产生 1 分子 NADH(3ATP) 二 三羧酸循环 ( TCA) 的过程 TCA 循环 : 每轮循环有 2 个 C 原子以乙酰 CoA 形式进入, 有 2 个 C 原子完全氧化成 CO2 放出, 分别发生 4 次氧化脱氢, 共释放 12ATP 1 反应步骤 P95 图 13 9 概述三羧酸循环 (1) 乙酰 CoA+ 草酰乙酸 柠檬酸反应式 : 柠檬酸合酶,TCA 中第一个调节酶 : 受 ATP NADH 琥珀酰 CoA 和长链脂肪酰 CoA 的抑制 ; 受乙酰 CoA 草酸乙酸激活 柠檬酸合酶上的两个 His 残基起重要作用 : 一个与草酰乙酸羰基氧原子作用, 使其易受攻击 ; 另一个促进乙酰 CoA 的甲基碳上的质子离开, 形成烯醇离子, 就可与草酰乙酸缩合成 C C 键, 生成柠檬酰 CoA, 后者使酶构象变化, 使活性中心增加一个 Asp 残基, 捕获水分子, 以水解硫酯键, 然后 CoA 和柠檬酸相继离开酶 氟乙酰 CoA 可与草酰乙酸生成氟柠檬酸, 抑制下一步反应的酶, 据此, 可以合成杀虫剂 灭鼠药 图氟乙酸本身无毒, 氟柠檬酸是乌头酸酶专一的抑制剂, 氟柠檬酸结合到乌头酸酶的活性部位上, 并封闭之, 使需氧能量代谢受毒害 它存在于某些有毒植物叶子中, 是已知最能致死的简单分子之一 LD50 为 0.2mg/Kg 体重, 它比强烈的神经毒物二异丙基氟磷酸的 LD50 小一个数量级 (2) 柠檬酸 异柠檬酸反应式 : 这是一个不对称反应, 由顺鸟头酸酶催化 P 101 图 顺乌头酸酶与柠檬酸的不对称结合 顺乌头酸酶只能以两种旋光异构方式中的一种与柠檬酸结合, 结果, 它催化的第一步脱水反应中的氢全来自草酰乙酸部分, 第二步的水合反应中的 OH 也只加在草酰乙酸部分 这种酶与底物以特殊方式结合 ( 只选择两种顺反异构或旋光异构中的一种结合方式 ) 进行的反应称为不对称反应 结果,TCA 第一轮循环释放的 CO2 全来自草酰乙酸部分, 乙酰 CoA 羰基碳在第二轮循环中释放, 甲基碳在第三轮循环中释放 50%, 以后每循环一轮释放余下的 50% 柠檬酸上的羟基是个叔醇, 无法进一步被氧化 因此, 柠檬酸需转变成异柠檬酸, 将不能被氧化的叔醇, 转化成可以被氧化的仲醇 90% 柠檬酸 4% 顺乌头酸 6% 异柠檬酸组成平衡混合物, 但柠檬酸的形成及异柠檬酸的氧化都是放能反应, 促使反应正向进行 (3) 异柠檬酸氧化脱羧生成 α 酮戊二酸和 NADH 反应式 :

36 这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应, 异柠檬酸脱氢酶, TCA 中第二个调节酶 : Mg2+(Mn2+ ) NAD+ 和 ADP 可活化此酶, NADH 和 ATP 可抑制此酶活性 细胞在高能状态 : ATP/ADP NADH/NAD+ 比值高时, 酶活性被抑制 线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶, 一种以 NAD+ 为电子受体, 另一种以 NADP+ 为受体 前者只在线粒体中, 后者在线粒体和胞质中都有 (4) α 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA 和 NADH 反应式 : α 酮戊二酸脱氢酶系, TCA 循环中的第三个调节酶 : 受 NADH 琥珀酰 CoA Ca2+ ATP GTP 抑制 α 酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体, 与丙酮酸脱氢酶系相似 ( 先脱羧, 后脱氢 ) (5) 琥珀酰 CoA 生成琥珀酸和 GTP 反应式 : 琥珀酰 CoA 合成酶 ( 琥珀酸硫激酶 ) 这是 TCA 中唯一的底物水平磷酸化反应, 直接生成 GTP 在高等植物和细菌中, 硫酯键水解释放出的自由能, 可直接合成 ATP 在哺乳动物中, 先合成 GTP, 然后在核苷二磷酸激酶的作用下, GTP 转化成 ATP (6) 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 ( 反丁烯二酸 ) 和 FADH 反应式 : 琥珀酸脱氢酶是 TCA 循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂, 可阻断三羧酸循环 (7) 延胡索酸水化生成 L 苹果酸反应式 : 延胡索酸酶具有立体异构特性, OH 只加入延胡索酸双键的一侧, 因此只形成 (8) L 苹果酸脱氢生成草酰乙酸和 NADH 反应式 : L 型苹果酸 L 苹果酸脱氢酶平衡有利于逆反应, 但生理条件下, 反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸, 其在细胞中浓度极低, 少于 10 6mol/L, 使反应向右进行 2 TCA 循环小结 (1) 三羧酸循环示意图 ( 标出 C 编号的变化 ) P95 图 13 9 (2) 总反应式 : 丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP 4NADH+ FADH2 + GTP + 3CO2 + H2O 乙酰 CoA + 3NAD+ + FAD + GDP 3NADH+ FADH2 + GTP + 2CO2 + H2O (3) 一次底物水平的磷酸化 二次脱羧反应, 三个调节位点, 四次脱氢反应 3NADH FADH2 进入呼吸链 (4) 三羧酸循环中碳骨架的不对称反应同位素标记表明, 乙酰 CoA 上的两个 C 原子在第一轮 TCA 上并没有被氧化 被标记的羰基碳在第二轮 TCA 中脱去 在第三轮 TCA 中, 两次脱羧, 可除去最初甲基碳的 50%, 以后每循环一次, 脱去余下甲基碳的

37 50% u 问题 : 标记 Glucose 的第二位碳原子, 跟踪 EMP TCA 途径,C2 的去向 3 一分子 Glc 彻底氧化产生的 ATP 数量 ( 在肝脏中 ) 反应酶 ATP 消耗产生 ATP 方式 ATP 数量合计糖酵解已糖激酶 磷酸果糖激酶 1 1 磷酸甘油醛脱氢酶 NADH 呼吸链氧化磷酸化 2 3 磷酸甘油酸激酶底物水平磷酸化 2 1 丙酮酸激酶底物水平磷酸化 2 1 TCA 丙酮酸脱氢酶复合物 NADH 异柠檬酸脱氢酶 NADH 2 3 α 酮戊二酸脱氢酶复合物 NADH 2 3 琥珀酸脱氢酶 FADH2 2 2 苹果酸脱氢酶 NADH2 3 琥珀酰 CoA 合成酶底物水平磷酸化 2 1 净产生 :38ATP 在骨骼肌 脑细胞中, 净产生 : 36ATP 甘油磷酸穿梭, 1 个 NADH 生成 2 个 ATP 苹果酸穿梭, 1 个 NADH 生成 3 个 ATP 4 三羧酸循环的代谢调节参阅 P122 图 三羧酸循环的调节 (1) 柠檬酸合酶 ( 限速酶 ) 受 ATP NADH 琥珀酰 CoA 及脂酰 CoA 抑制 受乙酰 CoA 草酰乙酸激活 (2) 异柠檬酸脱氢酶 NADH ATP 可抑制此酶 ADP 可活化此酶, 当缺乏 ADP 时就失去活性 (3) α 酮戊二酸脱氢酶受 NADH 和琥珀酰 CoA 抑制 三 TCA 的生物学意义 1 提供能量线粒体外的 NADH, 可通过 3 磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭机制, 运到线粒体内, 经呼吸链再氧化, 这两种机制在不同组织的细胞中起作用 (1) 磷酸甘油穿梭机制 : 磷酸二羟丙酮 +NADH+H+ 3 磷酸甘油 +NAD+ 3 磷酸甘油进入线粒体, 将 2H 交给 FAD 而生成 FADH2,FADH2 可传递给辅酶 Q, 进入呼吸链, 产生 2ATP(3 磷酸甘油脱氢酶的辅酶是 FAD) (2) 苹果酸穿梭机制 : 胞液中 NADH 可经苹果酸酶催化, 使草酰乙酸还原成苹果酸, 再通过苹果酸 α 酮戊二酸载体转运, 进入线粒体, 由线粒体内苹果酸脱氢酶催化, 生成 NADH 和草酰乙酸, NADH 进入呼吸链

38 氧化, 生成 3ATP ( 苹果酸脱氢酶的辅酶是 NAD+) 1 分子 Glc 在肝 心中完全氧化, 产生 38ATP, 在骨骼肌 神经系统组织中, 产生 36ATP 2 TCA 是生物体内其它有机物氧化的主要途径, 如脂肪 氨基酸 糖 3 TCA 是物质代谢的枢纽一方面,TCA 是糖 脂肪 氨基酸等彻底氧化分解的共同途径, 另一方面, 循环中生成的草酰乙酸 α 酮戊二酸 柠檬酸 琥珀酰 CoA 和延胡索酸等又是合成糖 氨基酸 脂肪酸 卟啉等的原料, 因而 TCA 将各种有机物的代谢联系起来 TCA 是联系体内三大物质代谢的中心环节, 为合成其它物质提供 C 架 四 TCA 的回补反应三羧酸循环中间物的的回补在 TCA 循环中, 有些中间产物是合成其它物质的前体, 如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰 CoA, Glu Asp 可以从 α 酮戊二酸和草酰乙酸衍生而成, 一旦草酰乙酸浓度下降, 则会影响 TCA 循环, 因此这些中间产物必须不断补充, 以维持 TCA 循环 产生草酰乙酸的途径有三个 : (1) 丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸 P102 反应式 : 丙酮酸羧化酶是一个调节酶, 乙酰 CoA 可以增加其活性 需要生物素为辅酶 (2) 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸 P102 反应式 : 在脑 心脏中存在这个反应 (3) Asp Glu 转氨可生成草酰乙酸和 α 酮戊二酸 Ile Val Thr Met 也会形成琥珀酰 CoA, 最后生成草酰乙酸 五 乙醛酸循环三羧酸循环是所有生物共有的有氧化谢途径, 某些植物和微生物除进行酸循环, 作为 TCA 的补充 循环途径 : P 103 图 TCA 外, 还有一个乙醛 乙醛酸循环是通过一分子乙酰 CoA 和草酰乙酸缩合成柠檬酸, 经异柠檬酸, 由异柠檬酸裂解酶裂解成乙醛酸和琥珀酸 琥珀酸经脱氢 水化 脱氢生成草酰乙酸, 补偿开始消耗掉的草酰乙酸 乙醛酸缩与另一分子乙酰 CoA 合成苹果酸, 脱氢生成草酰乙酸 过量的草酰乙酸可以糖异生成 Glc, 因此, 乙醛酸循环可以使脂肪酸的降解产物乙酰 CoA 经草酰乙酸转化成 Glc, 供给种子萌发时对糖的需要 植物中, 乙醛酸循环只存在于子苗期, 而生长后期则无乙醛酸循环 哺乳动物及人体中, 不存在乙醛酸循环, 因此, 乙酰 CoA 不能在体内生成糖和氨基酸 总反应 : 2 乙酰 CoA + NAD+ + 2H2O 琥珀酸 + 2CoA + NADH + 2H+ 第三节磷酸已糖支路 ( HMS) 也称磷酸戊糖途径, 发生在胞质中

39 细胞内 Glc 的氧化分解, 除通过糖酵解, 三羧酸循环和发酵外, 还能直接氧化分解 即反应开始, 在 G 6 P 上的 C2 原子上直接氧化, 通过一系列转化被分解, 此为磷酸戊糖途径 两个事实 : 1 用碘乙酸和氟化物抑制糖酵解 ( 磷酸甘油醛脱氢酶 ) 发现 Glc 的消耗并不因此而受影响, 证明葡萄糖还有其它的分解途径 2 用 14C 分别标记 Glc 的 C1 和 C6, 然后分别测定 14CO2 生成量, 发现 C1 标记的 Glc 比 C6 标记的 Glc 更快 更多地生成 14CO2, 如果糖酵解是唯一的代谢途径, 那么 14C1 和 14C2 生成 14CO2 的速度应该相同 一 反应过程 Glc 经磷酸戊糖途径氧化分解可分为两个阶段 第一阶段 : 6 磷酸葡萄糖氧化脱羧生成 5 磷酸核糖第二阶段 : 磷酸戊糖分子重排, 产生不同碳链长度的磷酸单糖 1 6 磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成 5 磷酸核酮糖 P104 反应式 :: 在此氧化脱羧阶段中, Glc 经两次脱氢, 一次脱羧, 生成 5 磷酸核酮糖及 NADPH 6 磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的调控酶, NADPH 反馈抑制此酶活性 2 磷酸戊糖异构生成 5 磷酸核糖及 5 磷酸木酮糖 P105 反应式 : 5 磷酸木酮糖产率 : 2/3 5 磷酸核糖产率 : 1/3 3 磷酸戊糖通过转酮 转醛反应生成酵解途径的中间产物 ( F 6 P,3 磷酸甘油醛 ) (1) 转酮反应 : P105 反应式 : 5 磷酸木酮糖将自身的二碳单位 ( 羟乙酰基 ) 转到 5 磷酸核糖的 C1 上, 生成 3 磷酸甘油醛和 7 磷酸景天庚酮糖 转酮酶需 TPP 为辅酶, 作用机理与丙酮酸脱氢酶中的 TPP 类似 (2) 转醛反应 P106 反应式 : 转醛酶将 7 磷酸庚酮糖上的三碳单位 ( 二羟丙酮基 ) 转到 3 磷酸甘油醛的 C1 上, 生成 4 磷酸赤鲜糖和 6 磷酸果糖 (3) 转酮反应 ( 转酮酶 ) P107 反应式 : 4 磷酸赤鲜糖接受另一分子 5 磷酸木酮糖上的二碳单位 ( 羟乙酰基 ), 生成 6 磷酸果糖和 3 磷酸 甘油醛 磷酸戊糖分子重排的总结果是 : 2 个 5 磷酸木酮糖 + 1 个 5 磷酸核糖 2 个 (F 6 P) + 1 个 3 磷酸甘油醛由于 5 磷酸木酮糖可以由 5 磷酸核糖经差向酶转化而来, 所以上式可写成 : 3 个 5 磷酸核糖 2 个 (F 6 P ) + 1 个 3 磷酸甘油醛

40 因此, 在细胞中若形成过量的磷酸戊糖可以经磷酸戊糖途径转化为 6 磷酸果糖及 3 磷酸甘油醛, 与糖酵解途径相连 二 磷酸戊糖途径小结 1 通过此途径, 可将 G 6 P 彻底氧化 G 6 P + 12NADP+ + 6H2O 12NADPH + 12H+ + 6CO2 相当于 (36 1) 个 ATP 图 磷酸已糖支路 第一阶段 : 图 第二阶段 图 2 转酮酶 (TPP) 转醛酶催化的反应是可逆的它们转移的是酮, 受体是醛 转酮酶转移的是二碳单位 ( 羟乙酰基 ), 转醛酶转移的是三碳单位 ( 二羟丙酮基 ) 3 磷酸戊糖途径的中间产物, 可进入糖酵解途径的中间产物中, 反之亦可 主要是 6 磷酸果糖和 3 磷酸甘油醛 4 碳的释放磷酸戊糖途径释放 14C1 在 TCA 循环中 : 先释放 : C3 C4( 丙酮酸脱羧 ) TCA 第二轮后释放 : C2 C5( 乙酰 CoA 的羰基碳 : CH3C*=O CoA,100%) TCA 第三轮后释放 : C1 C6( 乙酰 CoA 的甲基碳 : *CH3C=O CoA, 每循环一轮释放 50%)) 三 磷酸戊糖途径的调节 6 磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的限速酶, 催化不可逆反应 其活性主要受 NADP+/NADPH 比例的调节 机体内, NAD+/NADH 为 700, 而 NADP+/NADPH 仅为 0.014, 这就使 NADPH 可以进行有效地反馈抑制调节 6 磷酸葡萄糖脱氢酶和 6 磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性 只有 NADPH 被生物合成消耗后, 才能解除抑制 非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物的浓度 5 磷酸核糖过多时可以转化为 6 磷酸果糖和 3 磷酸甘油醛进行酵解 四 磷酸戊糖途径与糖酵解途径的协调调节 G 6 P 的流向取决于对 NADPH 磷酸戊糖及 ATP 的需要 (1) 需要核糖 5 P( 用于合成嘌呤核苷酸 ) 的量比 NADPH 的量大得多时, 大多数 G 6 P 转变成 5 磷酸核糖 还可由转酮酶 转醛酶催化, 将 2 分子 F 6 P 和一分子甘油醛 3 P 转变成 3 分子核糖 5 P G 6 P + 2NADP+ +H2O 核糖 5 P + 2NADPH + 2H+ 2 果糖 6 P + 甘油醛 3 P 3 核糖 5 P (2) 对 NADPH 和 5 磷酸核糖的需要量平衡时, 代谢就通过氧化阶段由 G 6 P 氧化脱羧, 生成 2 个 NADPH 和 1 个核糖 5 P 反应 :G 6 P+2NADP++H2O 核糖 5 P+2NADP+2H++CO2

41 (3) 需要 NADPH 的量比 5 磷酸核糖的量多得多时, G 6 P 就完全氧化成 CO2 反应式 :6(G 6 P)+12NADP++6H2O 6(5 磷酸核糖 ) +12NADPH+12H++6CO2 生成的 5 磷酸核糖通过非氧化重组及 Glc 异生作用, 再合成 G P 6 G 6 P + 12NADP+ + 6H2O 12NADPH + 12H+ + 6CO2 (4) 需要 NADPH 和 ATP 更多时, G 6 P 转化成丙酮酸 磷酸戊糖途径 3 磷酸甘油醛 +6 磷酸果糖 糖酵解 3(G 6 P)+6NADP++5NAD++5Pi+8ADP 5 丙酮酸 +6NADPH+5NADH2+8ATP+2H2O+8H++3CO2 五 磷酸戊糖途径的生理意义 1 产生大量的 NADPH, 为细胞的各种合成反应提供主要的还原力 NADPH 作为主要的供氢体, 为脂肪酸 固醇 四氢叶酸等的合成, 非光合细胞中硝酸盐 亚硝酸盐的还原, 及氨的同化等所必需 哺乳动物的脂肪细胞和红细胞中占 50%, 肝中占 10 % 2 中间产物为许多化合物的合成提供原料产生的磷酸戊糖参加核酸代谢 4 磷酸赤藓糖与糖酵解中的磷酸烯醇式丙酮酸 ( PEP) 可合成莽草酸, 经莽草酸途径可合成芳香族 a.a 3 是植物光合作用中 CO2 合成 Glc 的部分途径 4 NADPH 主要用于还原反应, 其电子通常不经电子传递链传递, 一般不用于 ATP 合成 如 NADPH 用于供能, 需通过两个偶联反应, 进行穿梭转运, 将氢转移至线粒体 NAD+ 上 胞液内 :α 酮戊二酸 +CO2+NADPH+H+= 异柠檬酸 +NADP+ 异柠檬酸能自由通过线粒体膜, 传递氢 线粒体内 : 异柠檬酸 +NAD+=α 酮戊二酸 +CO2+NADH+H+ 一分子 Glc 经磷酸戊糖途径, 完全氧化, 产生 12 分子 NADPH, 可生成 (36 1)=35ATP 第四节糖醛酸途径 P109 糖醛酸途径 : 从 G 1 P 或 G 6 P 开始, 经 UDP 葡萄糖醛酸生成糖醛酸的途径 在肝脏中糖醛酸可与 ( 毒素 药物等 ) 含 OH COOH NH2 SH 基的异物 ( 毒素 药物等 ) 结合, 生成可溶于水的化合物, 随尿排出, 具有解毒作用 一 糖醛酸途径 : P108 图 二 糖醛酸的生理意义 1. 在肝中糖醛酸与药物 ( 含芳环的苯酚 苯甲酸 ) 或含 OH COOH NH2 SH 基的异物结合成可溶于水的化合物, 随尿 胆汁排出, 起解毒作用 2. UDP 糖醛酸是糖醛酸基的供体, 用于合成粘多糖 ( 硫酸软骨素 透明质酸 肝素等 ) 3. 从糖醛酸可以转变成抗坏血酸 ( 人及灵长动物不能, 缺少 L 古洛糖酸内酯氧化酶 ) 4. 从糖醛酸可以生成 5 磷酸木酮糖, 可与磷酸戊糖途径连接 第五节糖的合成代谢糖的合成代谢有 : 光合作用, 糖异生, 单糖 多糖, 结构多糖的生物合成一 光合作用 : 葡萄糖的生物合成卡尔文循环 Calvin 由 CO2 和 H2O 合成已糖, 是绿色植物光合作用的基本过程

42 合成动力 ( 能量 ) 是叶绿素吸收的光能 第一阶段 : 原初反应, 吸收光能, 并将光能转化成电能 第二阶段 : 电子传递和光合磷酸化 将电能转化成化学能, 推动 ATP 和 NADPH 的合成, 后两者称为同化力 同时水被分解放出 O2 第三阶段 :CO2 的固定和还原, 又称 CO2 同化 利用同化力将固定在 1 5 二磷酸核酮糖 ( RuBP) 上的 CO2, 通过一系列反应进行还原, 最终产和 F 6 P, 再由此转化成果糖或 Glc 卡尔文循环生成的中间产物, 大多是 3 碳至 7 碳糖的磷酸酯 二 糖的异生作用糖异生是指从非糖物质合成 Glc 的过程 植物利用光 CO2 和 H2O 合成糖 动物可以将丙酮酸 甘油 乳酸及某些氨基酸等非糖物质转化成糖 1 糖异生的证据及生理意义证据 : 大鼠禁食 24h, 肝糖原由 7% 降至 1% 再喂乳酸 丙酮酸或 TCA 中间产物, 肝糖原会增加 意义 : 糖异生是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径 红细胞及大脑是以 Glc 为主要能量, 成人每天需 160 克 Glc, 而其中 120 克 Glc 用于脑代谢 糖异生主要在肝脏中进行, 肾上腺皮质中也有, 脑和肌肉细胞中很少 因此, 在血中葡萄糖浓度降低时首先是脑受到伤害 2 异生途径糖异生起源于细胞线粒体内 由丙酮酸生成 Glc 是糖异生的主要途径 P112 图 糖异生及降解途径 从丙酮酸到葡萄糖的糖异生途径不是糖酵解的简单逆转, 因为在糖酵解中有 3 步是不可逆步骤, 糖异生时必须饶过这 3 步 :1Glc 到 G 6 P,2F 6 P 到 F 1.6 P 3PEP 到丙酮酸 (1) 丙酮酸被羧化成草酰乙酸 ( 线粒体内 ) 丙酮酸 + CO2 + ATP 草酰乙酸 + ADP 丙酮酸羟化酶需要生物素为辅酶 人和哺乳动物的丙酮酸羧化酶主要存在于肝脏和肾的线粒体内, 所以细胞液中的丙酮酸要经过运载载体进入线粒体后才能羧化成草酰乙酸 丙酮酸羧化酶还催化三羧酸循环的回补反应, 所以, 草酰乙酸既是糖异生的中间物, 又是三羧酸循环的中间物, 丙酮酸羧化酶联系着三羧酸循环和糖异生作用丙酮酸羧化酶是别构酶, 受乙酰 CoA 和高比值 ATP/ADP 的激活 若细胞内 ATP 含量高, 则三羧酸循环的速度降低, 糖异生作用加强 (2) 草酰乙酸被还原成苹果酸 ( 线粒体内 ) 该反应的逆反应就是 TCA 生成的苹果酸从线粒体内运到线粒体外 (3) 苹果酸被重新氧化成草酰乙酸 ( 线粒体外 ) (4) 草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸

43 丙酮酸羧化激酶与草酰乙酸的 Km 值为 9nM, 高于细胞内的生理浓度, 所以草酰乙酸的浓度可以调节反应速度和糖异生的速度 (5) 磷酸烯醇式丙酮酸沿糖酵解的逆方向生成 1.6 二磷酸果糖 (6) F 1.6 P F 6 P 果糖二磷酸酶这是糖异生的关键反应, 果糖二磷酸酶被 AMP 2.6 二磷酸果糖强烈抑制, 但被 ATP 柠檬酸和 3 磷酸甘油酸激活 6 磷酸果糖异构化为 6 磷酸葡萄糖 (7) 6 磷酸葡萄糖生成葡萄糖. 糖异生总反应 : 2 丙酮酸 +4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H20 Glc+2NAD++4ADP+2GDP+6Pi. 从 2 分子丙酮酸形成 Glc 共消耗 6 个 ATP,2 个 NADH 在糖异生中, 有三步反应与糖酵解途径不同 : 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸 1.6 二磷酸果糖 F 6 P G 6 P Glc 3 糖异生途径的前体 P113 图 糖异生途径的前体 凡是能生成丙酮酸或成草酰乙酸的物质都可以变成葡萄糖, 如 TCA 中全部的中间产物, 大多数氨基酸植物微生物经过乙醛酸循环, 可将乙酰 CoA 转化成草酰乙酸, 因此可以将脂肪酸转变成糖 动物体中不存在乙醛酸循环, 因此不能将乙酰 CoA 转变成糖 非生糖氨基酸 : Ile Leu Tyr Trp 反刍动物胃 肠道细菌分解纤维素, 产生乙酸 丙酸 丁酸等, 其中奇数碳脂肪酸可转变成琥珀酰 CoA, 进入 TCA, 生糖 4 糖异生和糖酵解的代谢协调调控 P123 参阅 P123 糖异生和糖酵解在细胞中是两个相反的代谢途径, 同时, 又是协调的 1 高浓度 G 6 P 抑制已糖激酶, 活化 G 6 P 酶, 抑制酵解, 促进异生 2 酵解和异生的控制点是 F 6 P 与 F 1.6 2P 的转化 糖异生的关键调控酶是 F 1.6 2P 酶, 而糖酵解的关键调控酶是磷酸果糖激酶 ATP 促进酵解, 柠檬酸促进糖异生 F 2.6 P 是强效应物, 促进酵解, 减弱异生 3 丙酮酸到 PEP 的转化在糖异生中是由丙酮酸羧化酶调节, 在酵解中被丙酮酸激酶调节 乙酰 CoA 激活丙酮酸羧化酶的活性, 抑制丙酮酸脱氢酶的活性, 因此乙酰 CoA 过量时, 可促进 Glc 生成 4 酵解与异生途径, 一个途径开放, 另一途径就关闭, 可避免无数循环

44 无效循环 : 由不同酶催化的两个相反代谢, 反应条件不一样, 一个方向需则进行水解, 结果使 ATP 水解, 消耗能量, 反应物无变化 酵解和异生中有三个点可能产生无效循环 : P124 ATP 参加, 另一方向 这种无效循环只能产生热量供自身需要 5 激素对酵解和异生的调控肾上腺素 胰高血糖素和糖皮质激素促进异生, 胰岛素加强酵解 三 糖原的合成与分解糖原是葡萄糖的储存形式, 主要发生在肝脏 骨骼肌中 ( 一 ) 糖原分解代谢 ( 二 ) 糖原合成代谢 (1) UDP 葡萄糖焦磷酸化酶 G 1 P+UTP UDP 葡萄糖 +ppi. ppi 水解, 反应向右 (2) 糖原合成酶 a OH, 有活性 B O P, 少活性 新的 Glc 残基加在糖原引物的非还原端的 Glc 残基的 C4 羟基上, 形成 α 1.4 糖苷键,UDP 被延长的糖原分子末端 Glc 残基 C4 上的羟基取代 (3) 分枝酶 ( 三 ) 糖原代谢的调节 P124 第九章脂代谢脂类的生理功能 a. 生物膜的骨架成分磷脂 糖脂 b. 能量贮存形式甘油三酯 c. 参与信号识别 免疫糖脂 d. 激素 维生素的前体固醇类激素, 维生素 D A K E e. 生物体表保温防护脂肪贮存量大, 热值高, 39KJ 70kg 人体, 贮存的脂肪可产生 : kJ 蛋白质 kJ 糖原 2520kJ Glc 168kJ 脂肪的热值 : 1g 脂肪产生的热量, 是等量蛋白质或糖的 2.3 倍 第一节脂类的消化 吸收和转运一 脂类的消化和吸收 1 脂类的消化 ( 主要在十二指肠中 ) 食物中的脂类主要是甘油三酯 80 90% 还有少量的磷脂 6 10% 胆固醇 2 3% 胃的食物糜 ( 酸性 ) 进入十二指肠, 刺激肠促胰液肽的分泌, 引起胰脏分泌 HCO 3 至小肠 ( 碱

45 性 ) 脂肪间接刺激胆汁及胰液的分泌 胆汁酸盐使脂类乳化, 分散成小微团, 在胰腺分泌的脂类水解酶作用下水解 胰腺分泌的脂类水解酶 : 1 三脂酰甘油脂肪酶 ( 水解三酰甘油的 C1 C3 酯键, 生成 2 单酰甘油和两个游离的脂肪酸 胰脏分泌的脂肪酶原要在小肠中激活 ) 2 磷脂酶 A2( 水解磷脂, 产生溶血磷酸和脂肪酸 ) 3 胆固醇脂酶 ( 水解胆固醇脂, 产生胆固醇和脂肪酸 ) 4 辅脂酶 ( Colipase)( 它和胆汁共同激活胰脏分泌的脂肪酶原 ) 2 脂类的吸收脂类的消化产物, 甘油单脂 脂肪酸 胆固醇 溶血磷脂可与胆汁酸乳化成更小的混合微团 (20nm), 这种微团极性增大, 易于穿过肠粘膜细胞表面的水屏障, 被肠粘膜的拄状表面细胞吸收 被吸收的脂类, 在柱状细胞中重新合成甘油三酯, 结合上蛋白质 磷酯 胆固醇, 形成乳糜微粒 (CM), 经胞吐排至细胞外, 再经淋巴系统进入血液 小分子脂肪酸水溶性较高, 可不经过淋巴系统, 直接进入门静脉血液中 二 脂类转运和脂蛋白的作用甘油三脂和胆固醇脂在体内由脂蛋白转运 脂蛋白 : 是由疏水脂类为核心 围绕着极性脂类及载脂蛋白组成的复合体, 是脂类物质的转运形式 载脂蛋白 :( 已发现 18 种, 主要的有 7 种 ) 在肝脏及小肠中合成, 分泌至胞外, 可使疏水脂类增溶, 并且具有信号识别 调控及转移功能, 能将脂类运至特定的靶细胞中 脂蛋白的分类及功能 : P151 表 15 1 各种脂蛋白的组成 理化性质 生理功能三 贮脂的动用皮下脂肪在脂肪酶作用下分解, 产生脂肪酸, 经血浆白蛋白运输至各组织细胞中 血浆白蛋白占血浆蛋白总量的 50%, 是脂肪酸运输蛋白, 血浆白蛋白既可运输脂肪酸, 又可解除脂肪酸对红细胞膜的破坏 贮脂的降解受激素调节 促进 : 肾上腺素 胰高血糖素 肾上腺皮质激素抑制 : 胰岛素植物种子发芽时, 脂肪酶活性升高, 能利用脂肪的微生物也能产生脂肪酶 第二节脂肪酸和甘油三酯的分解代谢一 甘油三酯的水解甘油三酯的水解由脂肪酶催化 组织中有三种脂肪酶, 逐步将甘油三酯水解成甘油二酯 甘油单酯 甘油和脂肪酸 这三种酶是 : 脂肪酶 ( 激素敏感性甘油三酯脂肪酶, 是限速酶 ) 甘油二酯脂肪酶甘油单酯脂肪酶 肾上腺素 胰高血糖素 肾上腺皮质激素都可以激活腺苷酸环化酶, 使 camp 浓度升高, 促使依赖 camp 的蛋白激酶活化, 后者使无活性的脂肪酶磷酸化, 转变成有活性的脂肪酶, 加速脂解作用 胰岛素 前列腺素 E1 作用相反, 可抗脂解 油料种子萌发早期, 脂肪酶活性急剧增高, 脂肪迅速水解 二 甘油代谢

46 在脂肪细胞中, 没有甘油激酶, 无法利用脂解产生的甘油 甘油进入血液, 转运至肝脏后才能被甘油激酶 磷酸化为 3 磷酸甘油, 再经磷酸甘油脱氢酶氧化成磷酸二羟丙酮, 进入糖酵解途径或糖异生途径 P152 反应式 : 三 脂肪酸的氧化 ( 一 ) 饱和偶数碳脂肪酸的 β 氧化 1 β 氧化学说早在 1904 年,Franz 和 Knoop 就提出了脂肪酸 β 氧化学说 用苯基标记含奇数碳原子的脂肪酸, 饲喂动物, 尿中是苯甲酸衍生物马尿酸 用苯基标记含隅数碳原子的脂肪酸, 饲喂动物, 尿中是苯乙酸衍生物苯乙尿酸 结论 : 脂肪酸的氧化是从羧基端 β 碳原子开始, 每次分解出一个二碳片断 产生的终产物苯甲酸 苯乙酸对动物有毒害, 在肝脏中分别与 Gly 反应, 生成马尿酸和苯乙尿酸, 排出体外 β- 氧化发生在肝及其它细胞的线粒体内 2 脂肪酸的 β 氧化过程脂肪酸进入细胞后, 首先被活化成酯酰 CoA, 然后再入线粒体内氧化 (1) 脂肪酸的活化 ( 细胞质 ) RCOO + ATP + CoA SH RCO S CoA + AMP + Ppi 生成一个高能硫脂键, 需消耗两个高能磷酸键, 反应平衡常数为 1, 由于 PPi 水解, 反应不可逆 细胞中有两种活化脂肪酸的酶 : 内质网脂酰 CoA 合成酶, 活化 12C 以上的长链脂肪酸线粒体脂酰 CoA 合成酶, 活化 4~10C 的中 短链脂肪酸 (2) 脂肪酸向线粒体的转运中 短链脂肪酸 (4 10C) 可直接进入线粒体, 并在线粒体内活化生成脂酰 CoA 长链脂肪酸先在胞质中生成脂酰 CoA, 经肉碱转运至线粒体内 肉 ( 毒 ) 碱 :L β 羟基 r 三甲基铵基丁酸 P154. 图 15 1 脂酰 CoA 以脂酰肉碱形式转运到线粒体内 线粒体内膜外侧 ( 胞质侧 ): 肉碱脂酰转移酶 Ⅰ 催化, 脂酰 CoA 将脂酰基转移给肉碱的 β 羟基, 生成脂酰肉碱 线粒体内膜 : 线粒体内膜的移位酶将脂酰肉碱移入线粒体内, 并将肉碱移出线粒体 线粒体内 : 膜内侧 : 肉碱脂酰转移酶 Ⅱ 催化, 使脂酰基又转移给 CoA, 生成脂酰 CoA 和游离的肉碱 脂酰 CoA 进入线粒体后, 在基质中进行 β 氧化作用, 包括 4 个循环的步骤 (3) 脂酰 CoA 脱氢生成 β 反式烯脂酰 CoA P154 反应式 : 线粒体基质中, 已发现三种脂酰 CoA 脱氢酶, 均以 FAD 为辅基, 分别催化链长为 C4 C6,C6 C14,C6 C18 的脂酰 CoA 脱氢 (4) 2 反式烯脂酰 CoA 水化生成 L β 羟脂酰 CoA P155 反应式 : β 烯脂酰 CoA 水化酶 (5) L β 羟脂酰 CoA 脱氢生成 β 酮脂酰 CoA

47 P155 反应式 : L β 羟脂酸 CoA 脱氢酶 (6) β 酮脂酰 CoA 硫解生成乙酰 CoA 和 (n 2) 脂酰 CoA P155 反应式 : 酮脂酰硫解酶 3 脂肪酸 β 氧化作用小结 结合 P154 图 15 1 和 P156 图 15 2, 回顾脂肪酸 β 氧化过程 (1) 脂肪酸 β 氧化时仅需活化一次, 其代价是消耗 1 个 ATP 的两个高能键 (2) 长链脂肪酸由线粒体外的脂酰 CoA 合成酶活化, 经肉碱运到线粒体内 ; 中 短链脂肪酸直接进入线粒体, 由线粒体内的脂酰 CoA 合成酶活化 (3) β 氧化包括脱氢 水化 脱氢 硫解 4 个重复步骤 (4) β 氧化的产物是乙酰 CoA, 可以进入 TCA 4 脂肪酸 β 氧化产生的能量以硬脂酸为例,18 碳饱和脂肪酸胞质中 : ⑴ 活化 : 消耗 2ATP, 生成硬脂酰 CoA 线粒体内 : ⑵ 脂酰 CoA 脱氢 :FADH2, 产生 2ATP ⑶β 羟脂酰 CoA 脱氢 :NADH, 产生 3ATP ⑷β 酮脂酰 CoA 硫解 : 乙酰 CoA TCA,12ATP (n 2) 脂酰 CoA 第二轮 β 氧化活化消耗 : 2ATP β 氧化产生 : 8 (2+3)ATP = 40 9 个乙酰 CoA: 9 12 ATP = 108 净生成 : 146ATP 饱和脂酸完全氧化净生成 ATP 的数量 :(8.5n 7)ATP (n 为偶数 ) 硬脂酸燃烧热值 : 2651 kcal β 氧化释放 :146ATP ( 7.3Kcal)= Kcal 转换热效率 5 β 氧化的调节 ⑴ 脂酰基进入线粒体的速度是限速步骤, 长链脂酸生物合成的第一个前体丙二酸单酰 CoA 的浓度增加, 可抑制肉碱脂酰转移酶 Ⅰ, 限制脂肪氧化 ⑵[NADH]/[NAD+] 比率高时,β 羟脂酰 CoA 脱氢酶便受抑制 ⑶ 乙酰 CoA 浓度高时 ; 可抑制硫解酶, 抑制氧化 ( 脂酰 CoA 有两条去路 : 1 氧化 2 合成甘油三酯 )( 二 ) 不饱和脂酸的 β 氧化 1 单不饱和脂肪酸的氧化 P157 油酸的 β 氧化 3 顺 2 反烯脂酰 CoA 异构酶 ( 改变双键位置和顺反构型 ) (146 2)ATP

48 2 多不饱和脂酸的氧化 P158 亚油酸的 β 氧化 3 顺 2 反烯脂酰 CoA 异构酶 ( 改变双键位置和顺反构型 ) β 羟脂酰 CoA 差向酶 ( 改变 β 羟基构型 :D L 型 ) ( )ATP ( 三 ) 奇数碳脂肪酸的 β 氧化奇数碳脂肪酸经反复的 β 氧化, 最后可得到丙酰 CoA, 丙酰 CoA 有两条代谢途径 : 1 丙酰 CoA 转化成琥珀酰 CoA, 进入 TCA 详细过程 P158 动物体内存在这条途径, 因此, 在动物肝脏中奇数碳脂肪酸最终能够异生为糖 反刍动物瘤胃中, 糖异生作用十分旺盛, 碳水化合物经细菌发酵可产生大量丙酸, 进入宿主细胞, 在硫激酶作用下产丙酰 CoA, 转化成琥珀酰 CoA, 参加糖异生作用 2 丙酰 CoA 转化成乙酰 CoA, 进入 TCA P159 这条途径在植物 微生物中较普遍 有些植物 酵母和海洋生物, 体内含有奇数碳脂肪酸, 经 β 氧化后, 最后产生丙酰 CoA ( 四 ) 脂酸的其它氧化途径 1 α 氧化 ( 不需活化, 直接氧化游离脂酸 ) 植物种子 叶子 动物的脑 肝细胞, 每次氧化从脂酸羧基端失去一个 C 原子 RCH2COOH RCOOH+CO2 α 氧化对于降解支链脂肪酸 奇数碳脂肪酸 过分长链脂肪酸 ( 如脑中 C22 C24) 有重要作用 2 ω 氧化 (ω 端的甲基羟基化, 氧化成醛, 再氧化成酸 ) 动物体内多数是 12C 以上的羧酸, 它们进行 β 氧化, 但少数的 12C 以下的脂酸可通过 ω 氧化途径, 产生二羧酸, 如 11C 脂酸可产生 11C 9C 和 7C 的二羧酸 ( 在生物体内并不重要 ) ω 氧化涉及末端甲基的羟基化, 生成一级醇, 并继而氧化成醛, 再转化成羧酸 ω 氧化在脂肪烃的生物降解中有重要作用 泄漏的石油, 可被细菌 ω 氧化, 把烃转变成脂肪酸, 然后经 β 氧化降解 四 酮体的代谢脂肪酸 β 氧化产生的乙酰 CoA, 在肌肉和肝外组织中直接进入 TCA, 然而在肝 肾脏细胞中还有另外一条去路 : 生成乙酰乙酸 D β 羟丁酸 丙酮, 这三种物质统称酮体 酮体在肝中生成后, 再运到肝外组织中利用 1 酮体的生成酮体的合成发生在肝 肾细胞的线粒体内 形成酮体的目的是将肝中大量的乙酰 CoA 转移出去, 乙酰乙酸占 30%,β 羟丁酸 70%, 少量丙酮 ( 丙酮主要由肺呼出体外 ) 肝脏线粒体中的乙酰 CoA 走哪一条途径, 主要取决于草酰乙酸的可利用性 饥饿状态下, 草酰乙酸离开 TCA, 用于异生合成 Glc 当草酰乙酸浓度很低时, 只有少量乙酰 CoA 进入 TCA, 大多数乙酰 CoA 用于合成酮体 当乙酰 CoA 不能再进入 TCA 时, 肝脏合成酮体送至肝外组织利用, 肝脏仍可继续氧化脂肪酸 酮体的生成途径 :

49 P164 图 15 5 酮体的生成过程 肝中酮体生成的酶类很活泼, 但没有能利用酮体的酶类 因此, 肝脏线粒体合成的酮体, 迅速透过线粒体并进入血液循环, 送至全身 2 酮体的利用肝外许多组织具有活性很强的利用酮体的酶 (1) 乙酰乙酸被琥珀酰 CoA 转硫酶 (β 酮脂酰 CoA 转移酶 ) 活化成乙酰乙酰 CoA 心 肾 脑 骨骼肌等的线粒体中有较高的酶活性, 可活化乙酰乙酸 乙酰乙酸 + 琥珀酰 CoA 乙酰乙酰 CoA+ 琥珀酸 然后, 乙酰乙酰 CoA 被 β 氧化酶系中的硫解酶硫解, 生成 2 分子乙酰 CoA, 进入 TCA (2) β 羟基丁酸由 β 羟基丁酸脱氢酶催化, 生成乙酰乙酸, 然后进入上述途径 (3) 丙酮可在一系列酶作用下转变成丙酮酸或乳酸, 进入 TCA 或异生成糖 肝脏氧化脂肪时可产生酮体, 但不能利用它 ( 缺少 β 酮脂酰 CoA 转移酶 ), 而肝外组织在脂肪氧化时不产生酮体, 但能利用肝中输出的酮体 在正常情况下, 脑组织基本上利用 Glc 供能, 而在严重饥饿状态,75% 的能量由血中酮体供应 3 酮体生成的生理意义酮体是肝内正常的中间代谢产物, 是肝输出能量的一种形式 酮体溶于水, 分子小, 能通过血脑屏障及肌肉毛细管壁, 是心 脑组织的重要能源 脑组织不能氧化脂酸, 却能利用酮体 长期饥饿, 糖供应不足时, 酮体可以代替 Glc, 成为脑组织及肌肉的主要能源 正常情况下, 血中酮体 0.03~0.5 mmal/2 在饥饿 高脂低糖膳食时, 酮体的生成增加, 当酮体生成超过肝外组织的利用能力时, 引起血中酮体升高, 导致酮症酸 ( 乙酰乙酸 β 羟丁酸 ) 中毒, 引起酮尿 4 酮体生成的调节 (1) 饱食 : 胰岛素增加, 脂解作用抑制, 脂肪动员减少, 进入肝中脂酸减少, 酮体生成减少 饥饿 : 胰高血糖素增加, 脂肪动员量加强, 血中游离脂酸浓度升高, 利于 β 氧化及酮体的生成 (2) 肝细胞糖原含量及代谢的影响 : 进入肝细胞的游离脂酸, 有两条去路 : 一条是在胞液中酯化, 合成甘油三酯及磷脂 ; 一是条进入线粒体进行 β 氧化, 生成乙酰 CoA 及酮体 肝细胞糖原含量丰富时, 脂酸合成甘油三酯及磷脂 肝细胞糖供给不足时, 脂酸主要进入线粒体, 进入 β 氧化, 酮体生成增多 (3) 丙二酸单酰 CoA 抑制脂酰 CoA 进入线粒体乙酰 CoA 及柠檬酸能激活乙酰 CoA 羧化酶, 促进丙二酰 CoA 的合成, 后者能竞争性抑制肉碱脂酰转移酶 Ⅰ, 从而阻止脂酰 CoA 进入线粒体内进行 β 氧化 第三节脂肪酸及甘油三脂的合成代谢所有的生物都可用糖合成脂肪酸, 有两种合成方式 A. 从头合成 ( 乙酰 CoA) 在胞液中 (16 碳以下 ) B. 延长途径 在线粒体或微粒体中高等动物的脂类合成在肝脏 脂肪细胞 乳腺中占优势 一 饱和脂肪酸的从头合成合成部位 : 细胞质中合成的原料 : 乙酰 CoA( 主要来自 Glc 酵解 ) NADPH ( 磷酸戊糖途径 ) ATP HCO3

50 1 乙酰 CoA 的转运 细胞内的乙酰 CoA 几乎全部在线粒体中产生, 而合成脂肪酸的酶系在胞质中, 乙酰 CoA 必须转运出来 转运方式 : 柠檬酸 丙酮酸循环 P165 图 15 6 循环图示 : 乙酰 CoA 从线粒体内到胞液中的转运 2 丙二酸单酰 CoA 的生成 ( 限速步骤 ) 脂肪合成时, 乙酰 CoA 是脂肪酸的起始物质 ( 引物 ), 其余链的延长都以丙二酸单酰 CoA 的形式参与合成 P165 反应式 : 所用的碳来自 HCO3 ( 比 CO2 活泼 ), 形成的羧基是丙二酸单酰 CoA 的远端羧基乙酰 CoA 羧化酶 :( 辅酶是生物素 ) 为别构酶, 是脂肪酸合成的限速酶, 柠檬酸可激活此酶, 脂肪酸可抑制此酶 3 脂酰基载体蛋白 (ACP) 脂肪酸合成酶系有 7 种蛋白质, 其中 6 种是酶,1 种是脂酰基载体蛋白 (ACP), 它们组成了脂肪酸合成酶复合体 ACP 上的 Ser 羟基与 4 磷酸泛酰巯基乙胺上的磷酸基团相连,4 磷酸泛酰巯基乙胺是 ACP 和 CoA 的共同活性基团 P167 图 15 8 磷酸泛酰巯基乙胺是 CoA 和 ACP 的活性基团 脂肪酸合成过程中的中间产物, 以共价键与 ACP 辅基上的 SH 基相连,ACP 辅基就象一个摇臂, 携带脂肪酸合成的中间物由一个酶转到另一个酶的活性位置上 4 脂肪酸的生物合成步骤 P170 图 脂肪酸生物合成的程序 第一阶段 : 缩合 第二阶段 : 还原 第三阶段 : 释放 (1) 原初反应 : 乙酰基连到 β 酮脂酰 ACP 合成酶上 (2) 丙二酸酰基转移反应 : 生成丙二酸单酰 S ACP 此时一个丙二酸单酰基与 ACP 相连, 另一个脂酰基 ( 乙酰基 ) 与 β 酮脂酰 ACP 合成酶相连 (3) 缩合反应 : 生成 β 酮脂酰 S ACP 同位素实验证明, 释放的 CO2 来自形成丙二酸单酰 CoA 时所羧化的 HCO3, 羧化上的 C 原子并未掺入 脂肪酸,HCO3 在脂酸合成中只起催化作用 (4) 第一次还原反应 : 生成 β 羟脂酰 S ACP 注意 : 形成的是 D 型 β 羟丁酰 S ACP, 而脂肪分解氧化时形成的是 L 型 (5) 脱水反应 : 形成 β 烯脂酰 S ACP