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1 免费考研网 制作 免费考研网 制作 生化笔记 牛 B 版 蛋白质的结构与功能 考点 : 组成蛋白质的 20 种氨基酸的类别 分类依据及几种特殊氨基酸的分类 ; 氨基酸的理化性质 成肽反应及体内重要的生物活性肽 ; 蛋白质的分类及分子结构 ; 蛋白质的结构 ( 包括一级结构与空间结构 ) 与功能的关系 ; 蛋白质的理化性质 分离纯化的基本方法及其原理 ; 蛋白质一级结构的测定 ( 即多肽链中氨基酸序列分析 ) 和空间结构的测定 重点 : 氨基酸的分类及理化性质, 蛋白质的一级和空间结构及其与功能的关系, 分离纯化蛋白质的原理和方法 难点 : 蛋白质一级结构的测定, 这也是众多研究者花费多年才解决的难题, 我们只需弄清楚其要步骤及各步的基本原理和方法即可 基本知识与理论 : 一 蛋白质的生物学功能 ( 了解即可 ) 蛋白质是生命的物质基础, 没有蛋白质就没有生命, 生物体结构越复杂, 其蛋白质种类和功能越繁多, 其主要的生物学功能是 : ( 一 ) 催化和调节能力 某些蛋白质是酶, 催化生物体内的物质代谢反应 某些蛋白质是激素, 具有一定的调节功能, 如胰岛素调节糖代谢 体内信号转导也常通过某 第 1 页

2 些蛋白质介导 FREEKA~1.TXT ( 二 ) 转运功能 某些蛋白具有运载功能, 如血红蛋白是转运氧气和二氧化碳的工具, 血清白蛋白可以运输自由脂肪酸及胆红素等 ( 三 ) 收缩或运动功能 某些蛋白质赋予细胞与器官收缩的能力, 可以使其改变形状或运动 如骨骼肌收缩靠肌动蛋白和肌球蛋白 ( 四 ) 防御功能 如免疫球蛋白, 可抵抗外来的有害物质, 保护机体 ( 五 ) 营养和储存功能 如铁蛋白可以储存铁 ( 六 ) 结构蛋白 许多蛋白质起支持作用, 给生物结构以强度及保护, 如韧带含弹性蛋白, 具有双向抗拉强度 ( 七 ) 其他功能 如病毒和噬菌体是核蛋白, 病毒可以致病 二 蛋白质的分子组成 ( 一 ) 元素组成 组成蛋白质分子的主要元素有碳 氢 氧 氮 硫 有些还含有少量磷或金属元素 各种蛋白质的含氮量很接近, 平均为 16%, 且蛋白质是体内的主要含氮物, 因此可以根据生物样品的含氮量推算出蛋白质的大致含量 ( 二 ) 氨基酸 氨基酸是蛋白质的基本组成单位, 存在于自然界的氨基酸有 300 余种, 但组成人体蛋白质的氨基酸仅有 20 种, 且均属 L-α- 氨基酸 ( 甘氨酸除外 ) 即左旋氨基酸, 因为甘氨酸无手性碳原子 ( 与四个不同的原子或基团相连的碳原子 ), 大多数有手性碳原子的是手性分子, 手性分子有旋光活性 根据它们的侧链 R 的结构和性质可分为四类 : 1. 非极性疏水性氨基酸 : 这类氨基酸的特征是在水中的溶解度小于极性氨基酸 第 2 页

3 2. 极性中性氨基酸 : FREEKA~1.TXT 这类氨基酸的特征是比非极性氨基酸易溶于水, 且羧基数等于氨基数, 故为中性氨基酸, 但因为羧基电离能力较大, 故其实际上具有弱酸性 3. 酸性氨基酸 : 天冬氨酸 谷氨酸 这两种氨基酸都含有两个羧基, 在生理条件下带负电, 故为酸性氨基酸 4. 碱性氨基酸 : 赖氨酸 精氨酸和组氨酸 这类氨基酸在生理条件下带正电, 故为碱性氨基酸 还需要记住这 20 种氨基酸的英文缩写符号, 尤其是三字符号, 并且这四种类别的氨基酸中还有几种特殊的氨基酸, 也需记住它们的独特特征 它们是芳香族氨基酸 : 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸分子中含有芳香环 含硫氨基酸 : 甲硫氨酸 半胱氨酸分子中含硫元素, 甲硫氨酸也叫蛋氨酸 亚氨基酸 : 脯氨酸, 其氨基处于环中, 为亚氨基酸 支链氨基酸 : 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸, 这三种均含有支链 其中有八种氨基酸人体内不能自身合成, 必须从食物中获得, 称为必需氨基酸, 它们是缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苏氨酸 蛋氨酸 赖氨酸 苯丙氨酸和色氨酸 三 氨基酸的理化性质 ( 一 ) 两性电离及等电点 氨基酸分子中含有碱性的 α- 氨基和酸性的 α- 羧基, 能与酸或碱类物质结合成盐, 故它是一种两性电解质 在某一 ph 值的溶液中氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势与程度相等, 成为兼性离子, 呈电中性, 此时溶液的 ph 称为该氨基酸的等电点 (pi) 这里有一个等电点的计算问题 : 1. 侧链 R 为非极性基团或虽为极性但不解离的, 此种氨基酸的等电点主要由 α- 氨基和 α- 羧基的解离常数的负对数 pk1,pk2 决定,pI=1[]2(pK1+pK2) 2. 侧链基团可以解离, 则由 α- 氨基,α- 羧基及 R 基团解离情况共同决定, 只需写出电离式, 取其兼性离子两边的 pk 值的平均值即可 如赖氨酸其电离式为 : 由电离式可以看出, 其兼性离子两边 pk 值分别是 pkα-nh3+ 和 pkε-nh3+ 而与 α- 羧基无关故其 pi=1[]2( )=9.74 ( 二 ) 紫外吸收性质 第 3 页

4 色氨酸 酪氨酸在 280nm 波长附近有最大的紫外吸收峰, 由于大多数蛋白质含有这类氨基酸, 所以测定蛋白质溶液 280nm 的光吸收值, 是分析溶液中蛋白质含量的快速简便方法 ( 三 ) 茚三酮反应 : 氨基酸 + 茚三酮水合物 还原茚三酮 + 氨, 还原茚三酮 + 氨 + 茚三酮 蓝紫色化合物 此化合物最大吸收峰在 570nm 波长处, 由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比, 因此可以作为氨基酸定量分析的方法 四 肽 ( 一 ) 肽键 两分子氨基酸可由一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去一分子水缩合成二肽, 两个氨基酸之间产生的酰胺键称为肽键, 具有不典型双键性质 由 10 个以内的氨基酸缩合而成的肽称为寡肽, 更多的氨基酸相连而构成多肽 pr 是具有更大分子量的多肽链, 但多肽和 pr 在分子量上很难划出明确界限, 实际应用中只有一个习惯上的划分 肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全, 称为氨基酸残基 多肽链中自由氨基末端称为 N 端, 自由羧基末端称为 C 端, 命名从 N 端指向 C 端 ( 二 ) 生物活性肽 1. 谷胱甘肽 由谷氨酸和甘氨酸和半胱氨酸组成的三肽 第一个肽键比较特殊, 由谷氨酸 γ- 羧基与半胱氨酸的氨基组成 分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团 此巯基具有还原性, 要记住谷胱甘肽的生理作用 :1 作为体内重要的还原剂 ; 保护蛋白质或酶免遭氧化, 使它们处在活性状态 2 可还原细胞内产生的 H2O2, 避免细胞受损 3 其巯基具有嗜核特性, 能与外源的致癌剂或药物等结合, 从而阻断它们与 DNA RNA 或蛋白质结合, 保护机体免遭损害 2. 多肽类激素及神经肽 体内有许多激素属寡肽或多肽, 如催产素 促肾上腺皮质激素, 促甲状腺激素等 神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类, 如脑啡肽 β- 内啡肽等 五 pr 的分类 pr 的分类分单纯 pr 结合 pr, 后者除 aa 外, 还含有非 pr 部分即辅基, 绝大部分辅基以共价健与 pr 部分相连, 根据形状分纤维 pr 及球状 pr 六 蛋白质的分子结构 ( 要注意构成各级结构的化学键 ) 可分为一级 二级 三级 四级结构四个层次, 后三者统称为高级结构或空间构象 蛋白质 第 4 页

5 的空间构象涵盖了蛋白质分子中每一个原子在三维空间的相对位置, 并非所有 pr 都有四级结构, 由二条或二条以上多肽链形成的 pr 才有四级结构 ( 一 ) 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序 主要化学键是肽键和二硫键 一级结构是蛋白质空间结构和特异生物学功能的基础 氨基酸排列顺序的差别意味着从多肽链骨架伸出的侧链 R 基团的性质和顺序对于每一种蛋白质是特异的 因为 R 基团大小不同, 所带电荷数目不同, 对水的亲和力不相同, 所以蛋白质的空间构象也不同 ( 二 ) 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构, 也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置, 并不涉及氨基酸残基侧链的构象 维系二级结构的化学键主要是氢键 二级结构的主要形式包括 :α- 螺旋结构 β 一折叠 β- 转角和无规则卷曲 1. 肽单元 参与肽键的 6 个原子 Cα1 C O N H Cα2 位于同一平面, 且 Cα1 Cα2 在平面上所处的位置为反式构型, 此 6 个原子即构成了肽单元, 其基本结构为 图中的 A B 键是单键, 可自由旋转, 也正由于这两个单键的自由旋转角度, 决定了相邻肽单元之间的相对空间位置 其中的肽键有一定程度双键性质, 不能自由旋转 2.α- 螺旋 多肽链主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升, 每隔 3.6 个残基螺旋上升一圈, 每个氨基酸残基向上平移 0.15nm, 故螺距为 0.54nm 螺旋的走向为右手螺旋 α- 螺旋的每个肽键的 N-H 和第四个肽键的羰基氧形成氢键, 氢键的方向与螺旋长轴基本平行, 侧链 R 基团则伸向螺旋外 3.β- 折叠 多肽链充分伸展, 每个肽单元以 C 为旋转点折叠成锯齿状结构, 侧链 R 基团交错位于锯齿状结构的上下方 可由两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段折叠成锯齿状结构 平行肽段间靠链间肽键羰基氧和亚氨基氢形成氢键, 使构象稳定, 此氢键方向与折叠的长轴垂直 两条平行肽链走向可相同或相反, 由一条肽链折返形成的 β- 折叠多为反式, 反式平行较顺式平行更为稳定 4.β- 转角和无规卷曲 β- 转角常发生于肽链进行 180 度回折时的转角上, 通常由 4 个氨基酸残基组成, 其第一个残基的羰基氧与第四个残基的氨基氢可形成氢键 β- 转角第二个残基常为脯氨酸, 因为其 N 原子位于环中, 形成肽键 N 原子上已没有 H, 不能再形成氢键, 故走向转折 β- 转角常发生在蛋白质分子的表面, 这与蛋白质的生物学功能有关 无规卷曲用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构 5. 模序 指在许多蛋白质分子中, 可发现两个或三个具有二级结构的肽段, 在空间上相互接近, 形成一个具有特殊功能的空间结构, 称为模序 实际上它是一种超二级结构 一个模序总有其特征性的氨基酸序列, 并发挥特殊的功能 常见的 α- 螺旋 环 α- 螺旋结构及锌指结构, 前者可结合 Ca2+, 后者可结合 Zn2+, 使 α- 螺旋能镶嵌于 DNA 的大沟中 因此含此结 第 5 页

6 构的 pr 可与 DNA 或 RNA 结合, 这对于 pr 调控 DNA 的转录和 pr 翻译过程是必要的 一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 α- 螺旋或 β- 折叠, 就会出现相应的二级结构,aa 残基带相同的电荷或侧链太大, 都会妨碍二级结构的形成, 此外还有一个分子伴侣的概念, 其作用就是使肽链正确折叠, 从而形成正确的空间构象 ( 三 ) 蛋白质的三级结构 指整条肽键中全部氨基酸残基的相对空间位置, 也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置 三级结构的形成和稳定主要靠疏水键 盐键 二硫键 氢键和范德华力等次级键 其中疏水键是最主要的稳定力量 疏水键是蛋白质分子中疏水基团之间的结合力, 酸性和碱性氨基酸的 R 基团可以带电荷, 正负电荷互相吸引形成盐键, 与氢原子共用电子对形成的键为氢键 分子量大的蛋白质三级结构其整条肽链中常可分割成多折叠得转为紧密的结构域, 实际上结构域也是一种介于二级和三级结构之间的结构层次, 每个结构域执行一定的功能 ( 四 ) 蛋白质的四级结构 蛋白质的四级结构是由有生物活性的两条或多条肽链组成, 肽链与肽链之间不通过共价键相连, 而由非共价键维系 每条多肽链都有其完整的三级结构, 称为蛋白质的亚基, 这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用, 称为蛋白质的四级结构 在四级结构中, 各亚基之间的结合力主要是疏水作用, 氢键和离子键也参与维持四级结构 含有四级结构的蛋白质, 单独的亚基一般没有生物学功能, 只有完整的四级结构才有生物学功能 七 蛋白质结构与功能的关系 ( 一 ) 蛋白质一级结构与功能的关系 要明白三点 : 1. 一级结构是空间构象和功能的基础, 空间构象遭破坏的多肽链只要其肽键未断, 一级结构未被破坏, 就能恢复到原来的三级结构, 功能依然存在 2. 即使是不同物种之间的多肽和蛋白质, 只要其一级结构相似, 其空间构象及功能也越相似 3. 物种越接近, 其同类蛋白质一级结构越相似, 功能也相似 但一级结构中有些氨基酸的作用却是非常重要的, 若蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代, 都会严重影响其空间构象或生理功能, 产生某种疾病, 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病, 称为 分子病 ( 二 ) 蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关 其构象发生改变, 功能活性 第 6 页

7 也随之改变 以肌红蛋白 (Mb) 和血红蛋白 (Hb) 为例阐述蛋白质空间结构与功能的关系 Mb 与 Hb 都是含有血红素辅基的蛋白质 携带氧的是血红素中的 Fe2+,Fe2+ 有 6 个配位键, 其中四个与吡咯环 N 配位结合, 一个与蛋白质的组氨酸残基结合, 另一个即可与氧结合 而血红素与蛋白质的稳定结合主要靠以下两种作用 : 一是血红素分子中的两个丙酸侧链与肽链中氨基酸侧链相连, 另一作用即是肽链中的组氨酸残基与血红素中 Fe2+ 配位结合 Mb 只有一条肽链, 故只结合一个血红素, 只携带 1 分子氧, 其氧解离曲线为直角双曲线, 而 Hb 是由四个亚基组成的四级结构, 共可结合 4 分子氧, 其氧解离曲线为 S 形曲线, 从曲线的形状特征可知,Hb 第一个亚基与 O2 结合, 可促进第二 第三个亚基与 O2 的结合, 前三个亚基与 O2 结合, 又大大促进第四个亚基与 O2 结合, 这种一个亚基与其配体结合后, 能影响蛋白质分子中另一亚基与配体结合能力的效应, 称协同效应,O2 与 Hb 之间是促进作用, 称正协同效应 之所以会有这种效应, 是因为未结合 O2 时,Hb 结构紧密, 此时 Hb 与 O2 亲和力小, 随着 O2 的结合, 其亚基之间键断裂, 空间结构变得松弛, 此种状态 Hb 与 O2 亲和力即增加 这种一个氧分子与 Hb 亚基结合后引起亚基构象变化的效应称变构效应, 有关此效应会在后面酶一章中详细解释 肌红蛋白只有一条肽链, 不存在协同效应 由此可见,Hb 与 Mb 在空间结构上的不同, 决定了它们在体内发挥不同的生理功能 八 蛋白质的理化性质及其分离纯化 ( 一 ) 蛋白质的理化性质 pr 既具有 aa 的相关性质, 又具有作为生物大分子的一些独特的性质 1. 蛋白质的两性电离及等电点, 这与 aa 的性质相似, 其氨基 羧基及侧链的某些基团皆可解离 当蛋白质溶液处于某一 ph 时, 蛋白质解离成正负离子的趋势相等, 即成为兼性离子, 净电荷为零, 此时溶液的 ph 称为蛋白质的等电点 蛋白质溶液的 ph 大于等电点时, 该蛋白质颗粒带负电荷, 反之带正电荷 体内各种蛋白质的等电点不同, 但大多数接近于 ph5.0, 所以在人体体液 ph7.4 的环境下, 大多数蛋白质解离成阴离子, 带负电 2. 蛋白质的胶体性质这是 pr 作为生物大分子才有的性质可将蛋白质溶液看作胶体溶液 pr 作为溶液稳定存在的两大因素 : 一是蛋白质颗粒表面大多为亲水基团, 可吸引水分子, 使颗粒表面形成一层水化膜, 从而阻断蛋白质颗粒的相互聚集, 防止溶液中蛋白质的沉淀析出 ; 二是蛋白质颗粒表面可带相同电荷颗粒之间相互排斥不易聚集沉淀, 也可以起稳定颗粒的作用 若去除蛋白质颗粒这两个稳定因素, 蛋白质极易从溶液中沉淀 3. 蛋白质的变性 沉淀和凝固这也是 pr 区别于 aa 的特有性质 (1) 变性 : 蛋白质在某些理化因素的作用下, 其空间结构受到破坏, 从而改变其理化性质, 并失去其生物活性, 称为变性 一般认为蛋白质变性并不涉及一级结构的改变, 故若蛋白质变性较轻, 在去除变性因素后, 其仍可恢复原有的构象和功能, 称复性 但若其空间构象遭到严重破坏, 则去除变性因素也不能复性, 称不可逆变性 引起变性的因素有各种物理或化学因素 蛋白质变性后因其空间结构受到破坏, 其性质也受影响, 如易沉淀, 粘度增加, 作为酶其催化活性丧失等 虽然变性后蛋白质失去水化膜, 其疏水侧链暴露, 但只要其溶液 ph 值不等于蛋白质酶等电点, 蛋白质仍可不沉淀, 故变性后, 蛋白质溶解度减少却并不一定沉淀 第 7 页

8 医学上消毒灭菌, 就是基于蛋白质变性的原理, 而生物制品的制备和保存则必须防止蛋白质变性 (2) 沉淀 : 蛋白质在溶液中的稳定因素是水化膜及电荷, 因而凡是能消除蛋白质表面的水化膜并中和电荷的试剂均可以引起蛋白质的沉淀 常用的有中性盐 有机溶剂 某些生物碱试剂 大分子酸类及重金属盐类等 (3) 凝固 : 蛋白质经强酸 强碱作用发生变性后, 仍能溶解于强碱或强酸溶液中, 若将 ph 调至等电点, 则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物, 此絮状物仍可溶于强酸和强碱中, 如再加热则絮状物可变成较坚固的凝块, 此凝块不易再溶于强酸与强碱中, 这种现象称为蛋白质的凝固作用 如鸡蛋煮熟后本来流动的蛋清变成了固体, 实际上凝固是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果 4. 蛋白质的紫外吸收 由于蛋白质分子中含有有共轭双键的酪氨酸 色氨酸, 因此在 280nm 波长处有特征性吸收峰, 这与 aa 相似 在此波长范围内, 蛋白质的吸收光度值与其浓度成正比关系, 因此可作蛋白质定量测定 5. 蛋白质的呈色反应 1 茚三酮反应 : 与氨基酸作用原理相似 2 双缩脲反应 : 肽键 + 硫酸铜 稀碱溶液紫色 红色物, 氨基酸不出现此反应, 故可检测蛋白质水解程度 ( 二 ) 蛋白质的分离与纯化 蛋白质的分离纯化过程就是巧妙利用蛋白质分子在大小 形状 所带电荷种类与数量 极性与非极性氨基酸比例 溶解度 吸附性质以及对其他生物大分子亲和力上的差异, 将杂蛋白除去的过程, 即利用蛋白质物理 化学性质的差异, 将不同的蛋白质采用恰当的方法分开, 常用的方法如下 : 1. 根据蛋白质两性电离及等电点分离的方法 : 1 等电点沉淀法 : 因为蛋白质在其等电点的 ph 值附近易沉淀析出, 故利用各种蛋白质等电点的不同, 即可将蛋白质从混合溶液中分开 2 电泳 : 指蛋白质在一定 ph 情况下带电荷, 在电场中能由电场一极向另一极移动的现象 这实际上也利用了蛋白质分子 形状的不同, 因为游动快慢与蛋白质所带电荷的性质 数目 分子 形状有关, 对带相同性质电荷的蛋白质来说, 带电多 分子小及为球状分子的蛋白质游动速率大, 故不同蛋白质得以分离 根据支撑物不同, 可分为薄膜电泳和凝胶电泳等 不同支持物, 分辨率不同, 如正常人血清蛋白电泳仅分出五条区带, 而聚丙烯酰胺凝胶电泳可分出 30 多条带 电泳结束后, 用蛋白质显色剂呈色, 即可看到一条条已经分离的蛋白质条带 3 离子交换层析 : 在某一特定 ph 值时, 混合蛋白质溶液中各种蛋白质所带电荷数目及性质 第 8 页

9 不同, 事先在层析柱中装上离子交换剂, 其所带电荷性质与蛋白质电荷性质相反, 当蛋白质混合溶液流经层析柱时, 即可被吸附于柱上, 随后用与蛋白质带相同性质电荷的洗脱剂洗脱, 蛋白质可被置换下来, 由于各种蛋白质带电量不同, 离子交换剂结合的紧密度不同, 带电量小的蛋白质先被洗脱下来, 增加洗脱液离子强度, 带电量多的也被洗脱下来, 可将蛋白质分离 2. 利用蛋白质分子量不同分离的方法 1 透析 : 利用特殊膜制成透析袋, 此膜只允许小分子化合物透过, 而蛋白质是高分子化合物故留在袋内, 故把袋置于水中, 蛋白质溶液中的小分子杂质可被去除, 如去除盐析后蛋白质中混杂的盐类 也常利用此方法浓缩蛋白质 即袋外放吸水剂, 小分子的水即可透出, 蛋白质溶液可被浓缩 2 分子筛 : 也叫凝胶过滤, 是层析的一种 层析柱内填充带有网孔的凝胶颗粒 蛋白质溶液加于柱上, 小分子蛋白进入孔内, 大分子蛋白不能进入孔内而直接流出, 小分子因在孔内被滞留而随后流出, 从而蛋白质得以分离 3 超速离心 : 蛋白质胶体溶液与氯化钠等真溶液不同之处在于 : 蛋白质在强大离心场中, 在溶液中会逐渐沉降, 各种蛋白质沉降所需离心力场不同, 故可用超速离心法分离蛋白质及测定其分子量, 因其结果准确又不使蛋白质变性, 故是目前分离生物高分子常用的方法 3. 与蛋白质的沉淀的性质相关的分离方法 : 1 盐析 : 硫酸铵 硫酸钠等中性盐因能破坏蛋白质在溶液中稳定存在的两大因素, 故能使蛋白质发生沉淀 不同蛋白质分子颗粒大小不同, 亲水程度不同, 故盐析所需要的盐浓度不同, 从而将蛋白质分离, 如用硫酸铵分离清蛋白和球蛋白, 在半饱和的硫酸铵溶液中, 球蛋白即可从混合溶液中沉淀析出除掉, 而清蛋白在饱和硫酸铵中才会沉淀 盐析的优点是不会使蛋白质发生变性 2 丙酮沉淀 : 丙酮可溶于水, 故能与蛋白质争水破坏其水化膜, 使蛋白质沉淀析出, 在 ph 值和离子强度适当的情况下更佳, 但丙酮使蛋白质变性, 故应低温快速分离, 还可用其他有机溶剂 3 重金属盐沉淀 : 因其带正电荷, 可与蛋白质负离子结合形成不溶性蛋白盐沉淀, 可利用此性质以大量清蛋白抢救重金属盐中毒的人 ( 三 ) 多肽链中氨基酸序列分析 主要步骤及原理如下 : 1. 纯化蛋白质 : 用于序列分析的蛋白质应是分子大小均一, 电游呈现一条带具有一定纯度的样品 2. 分析蛋白质的氨基酸组成 : 用酸 碱等将蛋白质肽链水解为游离氨基酸, 再用电泳 层析等方法分离 鉴定所有游离氨基酸的种类和含量, 现在可用氨基酸自动分析仪来快速测定 第 9 页

10 3. 测定肽链中 N 末端和 C 末端为何种氨基酸 ; 若蛋白质由两条以上肽链组成, 通过末端氨基酸的测定还可估计蛋白质中的肽链数目 1N 末端氨基酸测定 : 二硝基氟苯 丹磺酰氯都可与末端氨基反应, 再用盐酸等将肽链水解, 将带有二硝基氟苯或丹磺酰氯的氨基酸水解下来, 即可分离鉴定出为何种氨基酸, 因丹磺酰氯具强烈荧光更易鉴别 2C 末端氨基酸测定 : 用相应的羧肽酶将 C 末端氨基酸水解下来, 因各种羧肽酸水解氨基酶的专一性不同, 故可对 C 末端氨基酸做出鉴定 4. 将链间 链内二硫键打开, 否则会阻碍蛋白水解溶剂的作用, 常用巯基化合物还原法 5. 选择适当的酶或化学试剂将肽链部分水解成适合作序列分析的小肽段, 常用的方法有 : 1 胰蛋白酶法 : 水解赖氨酸或精氨酸的羧基形成的肽键, 故若蛋白质分子中有 4 个精氨酸或赖氨酸残基, 可得 5 个肽段 2 胰凝乳蛋白酶法 : 水解芳香族氨基酸羧基侧的肽键 3 溴化氰法 : 水解甲硫氨酸羧基侧的肽键 6. 测定各肽段的氨基酸排列顺序 : 一般采用 Edman 降解法 因 PITC( 异硫氰酸苯酯 ) 只与 N 末端氨基酸作用, 用冷稀酸将此末端残基水解下来, 鉴定为何种氨基酸衍生物, 残留的肽段 N 末端可继续与 PITC 反应, 依次逐个鉴定出氨基酸的排列顺序 7. 多肽链用两种方法分别裂解成几组肽段, 并测定每一方法中每一肽段的氨基酸排列顺序, 用肽段重叠法确定整条肽链的氨基酸顺序, 若用两种方法找不出重叠肽段, 就需用第三种 第四种方法, 直到找出重叠肽段 8. 确定二硫键位置 : 用电泳法将拆开二硫键的肽段条带与未拆开二硫键的条带进行对比即可定位二硫键的位置 如此以来, 一个完整蛋白质分子的一级结构即可被测定 ( 四 ) 蛋白质空间结构测定 常用的方法有 X 射线晶体衍射法和二维核磁共振技术, 还可根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维空间结构 核酸的结构与功能 考点 : 第 10 页

11 核酸的分子组成 ; DNA 的一级结构 高级结构及其功能 ; 几种主要 RNA(mRNA trna) 的结构与功能 ; DNA 的理化性质及应用 重点 : DNA 的二级结构 双螺旋结构的特点 ;DNA 的变性复性特点及此特点在分子生物学中的应用是 基本知识与理论 : 一 核酸的化学组成 核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子 包括两类 : 一类为脱氧核糖核酸 (DNA ), 另一类为核糖核酸 (RNA) DNA 存在于细胞核和线粒体内, 携带遗传信息 ;RNA 存在于细胞质和细胞核中, 参与细胞内遗传信息的表达 核酸的基本组成单质是核苷酸, 而核苷酸又是由碱基 戊糖 磷酸组成 ( 一 ) 碱基 构成核苷酸的碱基主要有五种, 分属嘌呤和嘧啶两类 嘌呤类化合物包括腺嘌呤 A 和鸟嘌呤 G 两种 嘧啶类化合物有三种, 胞嘧啶 C 和胸腺嘧啶 T 尿嘧啶 U 嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键, 因此对波长 260nm 左右的紫外光有较强吸收, 这一性质可用于对核酸 核苷酸 及碱基进行定性定量分析 ( 二 ) 戊糖与核苷 核苷酸 戊糖是核苷酸的另一个主要成分,RNA 和 DNA 主要区别有两点 : 一是构成 DNA 的碱基为 A T G C, 而 RNA 的碱基为 A U C G, 二是构成 DNA 的核苷酸的戊糖是 β-d-2- 脱氧核糖, 而构成 DNA 的核苷酸的戊糖为 β-d 核糖 即 RNA 糖环上 2 号碳原子处连的是 -OH, 而 DNA 此处连的是 -H 表示碱基和糖环上各原子次序时, 在碱基杂环上标以顺序 1,2, 3 ; 在糖环上标以 l,2,3 以作区别 碱基与戊糖通过糖苷键连接成核苷 连接位置是 C-1 核苷与磷酸通过磷酸酯键连接成核苷酸连接位置是 C-5 此处可连接一个 二个 三个磷酸基团, 称为核苷一磷酸 核苷二磷酸 核苷三磷酸 体内还有一种核苷酸, 即 C-3 与 C-5 与同一磷酸基团相连, 在信号转导中起重要作用 二 DNA 的结构与功能 DNA 与蛋白质一样, 也有其一级 二级 三级结构 ( 一 ) DNA 的一级法构 第 11 页

12 指 DNA 分子中核苷酸的排列顺序 由于核苷酸的差异主要表现在碱基上, 因此也叫做碱基序列 四种核苷酸按一定排列顺序, 通过磷酸二酯键连成主要核苷酸链, 连接都是由前一核苷酸 3 -OH 与下一核苷酸 5 - 磷酸基形成 3-5 磷酸二酯键, 故核苷酸链的两个末端分别是 5 - 游离磷酸基和 3 - 游离羟基, 书写应从 5 到 3 ( 二 )DNA 的二级结构 即双螺旋结构模型, 要与蛋白质的 α- 螺旋相区别 1.Chargaff 规则 DNA 分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量相等, 鸟嘌呤与胞嘧啶的含量相等 ; 因此 DNA 中嘌呤与嘧啶的总数相等 : 即 A+G=C+T 2. 双螺旋结构模型 1953 年 Watson 和 Crick 正式提出了关于 DNA 二级结构的右手双螺旋结构模型, 主要内容有 : (1)DNA 分子由两条反向平行的多聚核苷酸链围绕同一中心轴盘曲而成, 两条链均为右手螺旋, 链呈反平行走向, 一条走向是 5 3, 另一条是 3 5 (2)DNA 链的骨架由交替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成, 位于双螺旋的外侧, 碱基配对位于双螺旋的内侧 (3) 两条多聚核苷酸链以碱基之间形成氢键配对而相连, 即 A 与 T 配对, 形成两个氢键,G 与 C 配对, 形成三个氢键 碱基相互配对又叫碱基互补 RNA 中若也有配对区,A 是与 U 以两个氢键配对互补 (4) 碱基对平面与螺旋轴几乎垂直, 相邻碱基对沿轴转 36, 上升 0.34nm 每个螺旋结构含 10 对碱基, 螺旋的螺距为 3.4nm, 直径是 2.0nm DNA 两股链之间的螺旋形成凹槽 : 一条浅的, 叫小沟 ; 一条深的, 叫大沟 大沟是蛋白质识别 DNA 的碱基序列发生相互作用的基础, 使蛋白质和 DNA 可结合而发生作用 DNA 双螺旋结构要与 pr 的相区别 :DNA 是两条核苷酸链通过碱基之间氢键相连而成, 而蛋白质的 α- 螺旋是一条肽链自身盘曲而成, 其氢键是其内部第一位肽键的 N-H 与第四个肽键的羰基氧形成的 (5)DNA 双螺旋结构的稳定主要由互补碱基对之间的氢键和碱基堆积力来维持 碱基堆积力是碱基对之间在垂直方向上的相互作用, 可以使 DNA 分子层层堆积, 分子内部形成疏水核心, 这对 DNA 结构的稳定是很有利的, 碱基堆积力对维持 DNA 的二级结构起主要作用 3.DNA 结构的多样性 第 12 页

13 DNA 右手双螺旋结构是 DNA 分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构, 但并不是不变的, 当改变溶液的离子强度或相对湿度时,DNA 结构会发生改变, 除了 Waston-Crick 模型 (B-DNA) 外, 还存在 Z-DNA 和 A-DNA ( 三 )DNA 三级结构 真核生物 DNA 分子很大,DNA 链很长, 但却要存在于小小的细胞核内, 因此 DNA 必须在二级结构的基础上紧密折叠, 这就形成了三级结构 1. 超螺旋 原核生物 DNA 的三级结构 绝大部分原核生物 DNA 是共价闭合的环状双螺旋分子, 此环形分子可再次螺旋形成超螺旋, 真核生物线粒体 叶绿体 DNA 也为环形分子, 能形成超螺旋, 非环形 DNA 分子在一定条件下局部也可形成超螺旋 2. 真核细胞基因组 DNA 真核细胞核内染色体即是 DNA 高级结构的主要表现形式 组蛋白 H 2A H2B H3 H4 各两分子组成组蛋白八聚体 DNA 双螺旋缠绕其上构成核心颗粒, 颗粒之间再以 DNA 和组蛋白 H1 连成核小体, 核小体再经多步旋转折叠形成棒状染色体, 存在于细胞核中 ( 四 )DNA 的功能 DNA 的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板, 是生命遗传繁殖的物质基础, 也是个体生命活动的基础 三 RNA 的结构与功能 RNA 通常以单链形式存在, 这与 DNA 双链形成螺旋不同, 但也可以有局部的二级结构或三级结构 RNA 分子比 DNA 分子小, 它的功能多样, 种类较多, 主要有信使 RNA 核蛋白体 RNA 转运 RNA 小核 RNA 及核不均一 RNA 等 各类 RNA 在遗传信息表达为氨基酸序列过程中发挥不同的作用 ( 一 ) 信使 RNA(mRNA) 在细胞核内以 DNA 单链为模板转录生成 hnrna,hnrna 经过剪切变为成熟的 mrna, 出核后在胞质内为蛋白质合成提供模板 成熟 mrna 的结构特点 : 1. 具有 5 端帽子结构 即在 5 端加上一个 7- 甲基鸟苷 ; 且原来第一个核苷酸 C2 也是甲基化, 这种 mgpppgm 即为帽子结构, 其形成过程如下 : 2.3 端多聚腺苷酸尾 第 13 页

14 在 mrna3 端有一段多聚腺苷酸节段, 是在转录后切掉一段多余的 RNA 后逐个添加上去的, 这个多聚尾可能与 mrna 从核内向细胞质的转位及 mrna 的稳定性有关 3. 生物体内 mrna 种类多, 含量少, 代谢活跃, 在各种 RNA 分子中,mRNA 半衰期最短, 这是细胞内蛋白质合成速度的调控点之一 ( 二 ) 核蛋白体 RNA(rRNA) 的结构与功能 rrna 是细胞内含量最多的 RNA, 与核糖体蛋白共同构成核糖体 蛋白质的合成部位, 参与蛋白质的合成 核蛋白体由大亚基和小亚基组成 1. 原核生物 : 小亚基由 16SrRNA 和 20 多种蛋白质组成 大亚基由 5S 23SrRNA 与 30 余种蛋白质组成 2. 真核生物 : 小亚基由 18SrRNA 与 30 余种蛋白质组成 大亚基由 5S 5.8S 28SrRNA 和近 50 种蛋白质构成 ( 三 ) 转运 RNA(tRNA) 的结构与功能 1.tRNA 的一级结构 trna 是细胞内分子量最小的一类核酸, 含有大量稀有碱基 : 如甲基化的嘌呤 双氢尿嘧啶 次黄嘌呤和假尿嘧啶核苷 假尿嘧啶核苷与一般的嘧啶核苷区别在于以杂环上 C-5 而非 N-1 与糖环 C-1 连成糖苷键 trna 的作用是携带相应的氨基酸将其转运到核蛋白体上以供蛋白质合成 2.tRNA 的二级结构 呈三叶草样二级结构 : 一些能局部互补配对的区域形成局部对链, 不能配对的部分膨出成环状 此结构从 5 末端起第一个环为二氢尿嘧啶环 (Tφ), 第二个环为反密码子环, 因其环中部的三个碱基可与 mrna 中三联体密码子形成碱基互补配对, 在蛋白质合成过程中解读密码子, 把正确的氨基酸引入合成位点 第三个环为假尿嘧啶环 (DHU), 所有 trna3 末端为 CCA-OH 结构, 与氨基酸在此缩合成氨基酰 -trna, 起到转运氨基的作用 3.tRNA 的三级结构 trna 的三级结构呈倒 L 形,T 与 DHU 在二级结构上各处一方, 但在三级结构上却相距很近, 维系 trna 三级结构主要是依赖核苷酸之间形成的各种氢键 ( 四 ) 其他类型的 RNA 如小核 RNA(snRNA) 参与 hnrna 的加工 还有一类 RNA 分子本身具有自我催化功能, 可完成 rrna 的剪接 这种具有催化作用的 RNA 被称为核酶 要与核酸酶区别, 后者是指可水 第 14 页

15 解核酸的酶, 故按照底物不同可分为 DNA 酶和 RNA 酶 四 核酸的理化性质及其应用 ( 一 ) 核酸的一般理化性质 1 核酸为多元酸, 具有较强的酸性 2DNA 是线性高分子, 粘度极大, 在机械力作用下易断裂, 因此提取 DNA 过程中应注意不能过度用力, 比如剧烈震荡吹打等 3 由于核酸所含的嘌呤和嘧啶分子中都有共轭双键, 使核酸分子在紫外 260nm 波长处有最大吸收峰, 这个性质可用于核酸的定量测定 这要与 pr 在 280mm 波长处有最大的吸收峰相区别, 又因为分子生物学实验核酸提取过程中, 蛋白质是最常见的杂质, 故常用 UD260/UD280 来检测提取的核酸纯度如何 ( 二 ) DNA 的变性 复性和杂交 1. 变性, 这是 DNA 最重要的一个性质 1DNA 双链之间以氢键连接, 氢键是一种次级键, 能量较低, 易受破坏, 在某些理化因素作用下,DNA 分子互补碱基对之间的氢键断裂, 使 DNA 双螺旋结构松散, 变成单链, 即为 DNA 变性 DNA 变性只涉及二级结构改变, 不伴随一级共价键的断裂 2 监测 DNA 是否变性的一个最常用的指标是 DNA 在紫外区 260nm 波长处的吸收光值变化 因为 DNA 变性时, DNA 双链发生解离, 共轭双键更充分暴露, 故 DNA 变性,DNA 在 260nm 处的吸收光度值增加, 并与解链程度有一定的比例关系, 这种关系叫做 DNA 的增色效应 3DNA 的变性从开始到解链完全, 是在一个相当窄的温度内完成的, 在这一范围内, 紫外光吸收值增加达到最大增加值的 50% 时的温度叫做 DNA 的解链温度 (Tm) 一种 DNA 分子的 Tm 值的大小与其所含碱基中的 G+C 的比例相关也与 DNA 分子大小及变性条件有关,G+C 的比例越高, DNA 分子越长, 溶液离子强度越高,Tm 值越大 4 加热 低盐及强酸 强碱均可使 DNA 变性 2. 复性 变性 DNA 在适当条件下, 两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象, 这种现象称为复性 热变性的 DNA 经缓慢冷却后即可复性, 这一过程也叫退火, 一般认为, 比 Tm 值低 25 的温度是 DNA 复性的最佳条件 3.DNA 复性的实际应用 杂交 : 通过变性 DNA 的复性性质, 我们可知道,DNA 单链之间 RNA 单链之间 一条 DNA 和一条 RNA 链之间只要存在序列互补配对区域, 不管是整条链互补, 还是部分序列互补, 即可重新形成整条双链或部分双链, 这即为核酸分子杂交, 这在分子生物学研究中有极大的应用, 比如 : 可用于在基因组中对特异基因的定位及检测, PCR 技术扩增目的基因等, 很多分子生物学实验技术应用的都是核酸分子杂交的原理, 如 Southern Blot, Northern Blot, 包括 PCR 技术等 五 核酸酶 指水解核酸的酶, 根据底物不同分 DNA 酶 RNA 酶, 根据作用位点不同分核酶外切酶和核酸内切酶, 其中限制性核酸内切酶在分子生物学技术中的应用尤为重要 第 15 页

16 1.1.3 酶 FREEKA~1.TXT 考点 : 酶的定义 分子结构与功能 ; 酶促反应的特点与机制 ; 酶的反应动力学, 即研究各种因素对酶促反应速度的影响 ; 酶活性的测定 ; 酶活性及含量的调节 ; 同工酶变构酶的定义 ; 辅酶与维生素 重点 : 酶的活性中心的组成, 因为这是理解酶作用机制的基础 ; 酶促反应动力学, 尤其是米氏方程 Km 含义, 双倒数曲线及各类抑制剂对 Km Vmax 的影响 ; 对同工酶 变构酶的理解 基本理论与知识 : 一 酶的概念 酶通常的定义是指由活细胞合成的对其特异底物起高效催化作用的蛋白质, 是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂, 但现在已发现存在核酶, 其本质为 RNA 而非蛋白质, 主要参与 RNA 的剪接 根据酶的结构特点可分单体酶 寡聚酶 多酶体系和多功能酶 二 酶的分子组成 根据分子组成, 酶分为单纯酶和结合酶 单纯酶 : 仅由氨基酸组成 结合酶 : 包括两部分 蛋白质部分, 称酶蛋白, 决定反应的特异性 非蛋白质部分, 多为小分子有机化合物或金属离子, 决定反应的种类与性质 第 16 页

17 辅助因子又分两种 : FREEKA~1.TXT 辅基 : 与酶蛋白结合紧密, 不能通过透析超滤方法除去, 反应中不离开酶蛋白 辅酶 : 与酶蛋白结合疏松, 可用透析 超滤方法去除, 反应中可离开酶蛋白, 将携带的质子或 基团转移出去 金属离子多为酶的辅基, 可分为金属酶 金属激活酶, 小分子有机化合物有的属于辅酶, 有的属于辅基 结合酶两部分结合在一起形成的复合物称全酶, 只有全酶才有催化作用 三 酶的活性中心 酶分子中与酶的活性密切相关的化学基团叫做酶的必需基团 这些必需基团在一级结构上可能相距很远, 但在空间结构上彼此靠近, 组成具有特定空间结构的区域, 能与底物特异地结合并将底物转化成产物, 这一区域叫做酶的活性中心, 对结合酶来说, 辅基或辅酶参与酶活性中心的组成 酶是一类催化剂, 具有一般催化剂的特点, 但酶是蛋白质, 又具有其自身的特点 : 1. 酶促反应具有极高的效率, 酶能比一般催化剂更有效地降低反应的活化能, 使底物只需较少的能量便能进人活化状态 2. 酶促反应具有高度特异性, 一种酶只作用于一种或一类化合物或一定的化学键, 进行一种类型的反应, 得到一定结构的产物, 这种现象称为酶的特异性 分绝对特异性, 相对特异性和立体异构特异性 3. 酶促反应的可调节性 : 酶促反应受多种因素的调控, 以适应机体不断变化的内外环境和生命活动的需要 五 酶促反应的机制 ( 一 ) 酶 - 底物复合物的形成和诱导契合假说 : 酶分子构象与作用物结构并不一定完全吻合, 当两者接近时其结构相互诱导 相互变形和相互适应, 进而相互紧密结合, 即可更利于反应的进行 底物在酶的诱导下发生变形, 处于不稳定状态, 易于受酶的攻击, 底物这种不稳定状态叫做过渡态 ( 二 ) 邻近效应与定向排列 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心, 使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系 实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应, 大大提高反应效率 ( 三 ) 多元催化 第 17 页

18 多元催化指酶同时具有酸和碱的特性 因为酶分子中含有不同功能基团, 它们 pk 值不同, 解离度不同, 故可起酸的催化作用, 也可起碱的催化作用, 这种多功能基团的协同作用可极大地提高酶的催化作用 ( 四 ) 表面效应 酶的活性中心内多为疏水环境, 底物与酶反应常在酶分子的内部疏水环境中进行, 疏水环境排斥了介于底物与酶分子之间的水膜, 也消除了水分子对酶和底物功能基团的干扰, 有利于底物与酶分子间的直接接触 总之, 一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用, 这是酶促反应提高效率的原因 六 酶促反应动力学 酶促反应动力学研究的是酶促反应速度及其影响因素, 这些因素包括酶浓度 底物浓度 ph 温度 抑制剂 激活物等 注意酶促反应动力学中的反应速度一般指反应刚开始的速度, 即初速度 ( 一 ) 底物浓度对反应速度的影响 1. 在其他因素不变情况下, 底物浓度的变化对反应速度 ( 统一用初速度来比较 ) 的影响的作图呈矩形双曲线 在底物浓度较低时,V 随 S 的增加而急剧上升, 两者呈正比关系, 因为此时尚有大量游离酶分子可被利用 随着底物浓度的增加, 反应速度不再呈正比加速, 因为此时酶已大部分与底物结合, 所含游离酶不多, 故随底物浓度的增加, 可再利用的酶量有限, 故反应速度增加的幅度下降 若继续增加底物浓度, 反应速度不再上升, 此时酶的活性中心已被底物饱和 为解释酶促反应 S 与 V 的关系, 提出了著名的米氏方程式, 即 :V=Vmax S []Km+ S 当底物浓度很低时,Km> S, 分母 S 可不计, 此时 V=Vmax S []Km,Vmax Km 对同一底物 同一酶 相同反应环境来说是一常数, 故反应速度与底物浓度成正比 当底物浓度很高时,Km< S,Km 可不计,V=Vmax, 反应速度达最大速度, 再增加 S, 也不影响反应速度 故从米氏方程中, 即可看出底物浓度对反应速度的影响 2.Km 的含义 : 1Km 是酶的特征常数, 它只与酶的结构 酶所催化的底物和反应环境有关, 与酶浓度无关 对于同一底物, 不同两酶有不同的 Km 值, 对于同一酶, 不同底物也有不同的 Km 值 第 18 页

19 2 由米氏方程, 当 V=1[]2Vmax 时, 可得 Km= S, 由此可见,Km 值表示酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度 31/Km 可近似表示酶对底物亲和力的大小,1/Km 越大表示二者亲和力越大, 表示不需要很高的底物浓度, 便可得到最大反应速度, 要注意的是只有在中间产物解离成反应物的速度大大超过其分解成产物速度时才适用 3. 要求 Km Vmax, 根据底物浓度对速度的矩形曲线求有很大难度, 故将米氏方程要采取适当变换, 作出直线图, 方可更容易准确地求出 Km Vmax 值, 双倒数作图法是最常用的方法 将米氏方程取倒数 :1 V=Km[]Vmax 1 S +1 Vmax ( 二 ) 酶浓度对反应速度的影响 在酶促反应系统中, 当底物浓度大大超过酶的浓度, 使酶被底物饱和时, 反应速度与酶的浓度变化成正比 很显然若底物浓度很小, 酶的浓度本来就很大, 再增加酶浓度, 对促进反应没什么意义 所以我们研究酶浓度对反应速度的影响, 一般不考虑这种情况 ( 三 ) 温度对反应速度的影响 酶是蛋白质, 温度对酶促反应速度具有双重影响, 温度升高一方面可加快反应速度, 同时也增加酶的变性 故当温度升高到一定程度时, 酶开始变性, 反应速度也开始下降低 温度一般会使酶活性破坏, 故生化实验中, 要保持酶活性, 常采用低温贮存, 一些菌种也须低温保存 酶促反应速度最快时的环境温度称为酶促反应的最适温度 ( 四 )ph 对反应速度的影响 酶活性受其反应环境的 ph 影响因为酶活性中心某些基团必须在某一解离状态, 酶才会发挥最大催化活性, 此外, 底物也一样, 在某一解离状态, 才会与酶有最大亲和力, 故需一定 ph 值, 且不同的酶对 ph 有不同要求 酶活性最大时的 ph 为酶的最适 ph 值 ( 五 ) 抑制剂对反应速度的影响 能减弱或停止酶作用的物质称为酶的抑制剂 要注意的是必须不引起酶蛋白变性才可, 某种物质使酶发生变性失活不属于抑制剂范畴 若抑制剂与酶结合牢固不能用简单的透析或超滤法去除, 此类抑制剂为不可逆抑制剂 ; 若用简单的透析和超滤法去除抑制剂, 酶又重新表现原有活性的抑制剂称为可逆性抑制 1. 不可逆抑制作用 此类抑制剂通常以共价健与酶的活性中心上的必需基团相结合, 使酶失活, 根据抑制剂与酶结合的专一性, 可分为专一性抑制剂和非专一性抑制剂 2. 可逆抑制作用 第 19 页

20 此类抑制剂通常以非共价键与酶或酶 底物复合物可逆性结合, 使酶活性降低或消失 可逆性抑制作用的类型可分为以下三种 : (1) 竞争性抑制作用 : 竞争性抑制是在酶作用体系中有与酶的底物结构相似的物质存在, 能与底物竞争与酶活性中心的结合, 使有活性的酶数量减少 如磺胺类药物通过竞争性抑制二氢叶酸还原酶, 干扰核酸合成, 从而影响细菌生长繁殖, 发挥其抑菌作用 只要 [S] 足够高,Vmax 仍可达到, 但此时需较高的 [S] 故竞争性抑制使 Km 增加,Vmax 不变 (2) 非竞争性抑制作用 : 非竞争性抑制不影响底物与酶的结合, 两者在酶分子上结合的位点不同, 故酶与底物的亲和力不受影响,Km 值不变, 同样道理再增加 [S], 也消除不了抑制剂与酶的结合, 相当于减少了酶分子, 故 Vmax 降低 (3) 反竞争性抑制作用 : 此类抑制剂仅与底物和酶形成的中间产物结合, 使中间产物的量下降, 反竞争性抑制使中间产物不易转化为产物, 因而酶与底物的亲和力增加,Km 减小, Vmax 减小 要熟记三类抑制剂对酶反应 Km Vmax 影响, 可通过双倒数曲线来更直观的表现出来 ( 六 ) 激活剂的影响 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂 激活剂可分为必需激活剂和非必需激活剂 必需激活剂对酶促反应是不可缺少的, 否则酶将无活性 非必活激活剂不存在时, 酶仍有一定的催化活性, 酶促反应仍可以进行 ( 七 ) 酶活性测定 要测定生物组织中酶蛋白含量会很难, 故通常我们通过测定酶活性来确定酶量, 而酶活性用酶反应速度来表示 测定时要求影响酶促反应速度的各种因素保持恒定, 如 1 底物量要够多, 使酶可被饱和 2 根据反应时间使酶处于反应最适温度条件下 3 根据缓冲液性质使酶处于最适 ph 条件下 4 在反应体系中含有适当的辅助因子, 激活剂, 去除抑制剂 5 若无连续监测装置, 要能及时使反应终止 6 反应体系做处理, 防止其他酶类干扰待测酶的活性 上述各种条件都是为了使酶发挥最大催化活性, 以充分反应待测酶活力 七 酶的调节 主要通过改变酶活性和含量来实现 ( 一 ) 酶活性的调节 1. 酶原与酶原的激活 酶原是指无活性的酶的前体 酶原激活后转化为酶, 即具有催化活性 酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程, 常通过水解掉一个或几个短肽而实现 酶原的激活有重要的生理意义 : 保证酶在其特定的部位与环境发挥其催化作用 此外, 酶原还可视为酶的贮存方式, 但需要使酶原转化为有活性的酶, 发挥对机体的保护作用 第 20 页

21 2. 变构酶 FREEKA~1.TXT 体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心以外的某一部位可逆地结合, 使酶发生变构并改变其催化活性, 这种调节方式叫变构调节 受变构调节的酶叫变构酶 根据对反应速度的影响分为变构激活剂 变构抑制剂 变构酶常由多亚基构成, 包括催化亚基和调节亚基 有多个亚基的酶存在协同效应, 若底物即为效应剂, 则效应剂对酶的影响与 O2 对血红蛋白携氧力的影响相似 变构酶的 S 对反应速度的影响曲线为 S 形曲线, 不符合米氏方程 3. 酶的共价修饰调节 酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合, 改变酶的活性, 这一过程称为酶的共价修饰或化学修饰 如磷酸化与去磷酸化, 乙酰化与去乙酰化 甲基化与去甲基化等 酶的共价修饰是体内快速调节的一种重要方式 ( 二 ) 酶含量的调节 1. 酶蛋白合成的诱导和阻遏 : 指在酶蛋白合成过程中, 在转录水平上, 促进或减少酶的生物合成 与前面变构 共价修饰调节不同, 酶的诱导与阻遏作用是对代谢缓慢而长效的调节 2. 酶降解的调控 酶是蛋白质, 也在不断的自我更新, 可以通过改变酶分子的降解速度来调节细胞内酶的含量 ( 三 ) 同工酶 指催化相同的化学反应, 而酶蛋白的分子结构 理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶 同工酶一般指在基因水平上, 由不同基因编码的多肽链或同一基因, 不同 mrna 翻译的多肽链组成的 pr 翻译后经修饰生成的多种不同形式的 pr 分子不属于同工酶 同工酶催化相同的化学反应, 但对同底物表现不同的 Km 值 乳酸脱氢酶有五种同工酶, 肌酸激酶有三种同工酶, 它们在不同组织器官中的含量与分布不同, 由于此使不同的组织细胞有不同的代谢特点, 也可根据此对疾病做出早期诊断 八 酶的分类 根据酶促反应的性质, 酶可分为六大类 :1 氧化还原酶类 2 转移酶类 3 水解酶类 4 裂解酶类 5 异构酶类 6 合成酶类 九 血清酶的变化与疾病诊断 临床上常通过测定血清中某些酶的活性来协助诊断某些疾病, 如急性心肌炎时血清转氨酶活性升高, 前列腺癌患者有大量酸性磷酸酶释放入血 许多药物可通过抑制生物体内的某些酶 第 21 页

22 来达到治疗的目的, 如前述的磺胺药 十 维生素与辅酶 全酶由酶蛋白和辅酶或辅基组成, 辅酶与酶蛋白结合疏松, 可以用透析 超滤的方法进行分离 酶辅基则常以共价健与酶蛋白结合, 也可以是非共价键牢固结合, 均不易与酶蛋白分离 维生素是体内重要的辅酶组成表 3-1 部分, 常见的维生素见表 糖代谢 考点 : 糖酵解的过程 意义及调节 ; 糖有氧氧化的过程 意义及调节, 能量生成的计算 ; 磷酸戊糖途径的过程 意义 ; 糖原合成 分解的过程及调节 ; 糖异生的过程 意义 调节 乳酸循环 ; 血糖的来源 去路及血糖水平的调节 重点 : 糖代谢各条途径中的限速步骤和关键酶及与能量生成相关的步骤 ; 区分各途径在机体的主要发生组织器官和具体的亚细胞定位 ; 记住其中关键酶的主要调节因素和糖氧化过程能量生成的计算 基本理论与知识 : 一 概述 ( 一 ) 糖的生理功能 糖的主要生理功能是提供能量, 还可提供碳源, 参与组成机体组织, 组成具有特殊生理功能的糖蛋白 ( 二 ) 糖的消化吸收 食物中糖主要在小肠消化, 吸收是一个依赖于特定载体转运的, 主动耗能的过程, 同时伴有 Na+ 的转运 二 糖的无氧分解 第 22 页

23 ( 一 ) 糖酵解的过程和调节 指在缺氧情况下, 葡萄糖生成乳酸的过程, 全部反应都在胞浆中进行, 其基本过程如下 : 由上面整个过程, 可以得出如下结论 : 1. 反应过程中有三步不可逆反应 :A C I 过程, 其他均为可逆反应, 故催化这三步反应的酶为整个过程的限速酶, 是葡萄糖无氧酵解的三个调节点, 因为可逆反应的酶活性改变, 并不能决定反应方向, 其反应方向由底物 \ 产物浓度控制 2.1mol 葡萄糖无氧酵解, 可生成 4molATP, 但在第 A C 步骤中消耗 2molATP, 故净生成 2molATP 糖酵解生成 ATP 的过程全靠底物水平磷酸化生成, 要与后面的氧化磷酸化相区别, 前者将底物的高能磷酸基直接转移给 ADP 生成 ATP, 而后者 ATP 的生成伴有电子传递给氧生成 H2O 的过程 3. 最后一步丙酮酸生成乳酸需要的 NADH+H+ 来自于第 E 步, 这是在缺氧条件下, 若是在有氧条件下, 丙酮酸不变成乳酸, 而是进入线粒体进行有氧氧化, 这时第 E 步生成的 NADH+H+ 也要进入线粒体进行氧化磷酸化生成 ATP, 若经 α- 磷酸甘油穿梭, 生成 2molATP, 若经苹果酸天冬氨酸穿梭,1molNADH+H+ 生成 3molATP, 这也就是 1mol 葡萄糖有氧氧化可生成 38 或 36molATP 的原因 4. 第一步中己糖激酶存在于肝细胞中的也称为葡萄糖激酶, 其 Km 值远大于其他几种己糖激酶同工酶, 且受激素调控, 这些特性使其在糖代谢中起着重要的生理作用 5. 要记得催化三步不可逆反应的关键酶 : 己糖激酶,6- 磷酸果糖激酶 -1, 丙酮酸激酶, 两步能量生成的过程是第 F I 步, 催化这两步的酶是磷酸甘油酸激酶, 丙酮酸激酶, 机体对糖酵解的调节主要是对三个关键酶的调节, 主要调节特点如下 : 需要说明的是 :11,6- 双磷酸果糖是 6- 磷酸果糖激酶 -1 反应产物, 这种产物正反馈作用较少见, 一般来说, 产物皆起抑制作用, 而在此是为便利于糖的分解 22,6- 双磷酸果糖是 6- 磷酸果糖激酶 -1 最强的变构激活剂, 可与 AMP 一起解除 ATP 柠檬酸的变构抑制作用 32,6- 双磷酸果糖也是通过激酶催化 6- 磷酸果糖生成, 胰高血糖素可通过共价修饰使此激酶活性降低, 减少 2,6- 二磷酸果糖的含量, 从而抑制糖酵解, 升高血糖 4 葡萄糖激酶不受 6- 磷酸葡萄糖的影响, 因为不存在其变构部位, 但胰岛素可通过转录途径促进此酶的合成 总之, 糖酵解是葡萄糖分解供能的一条重要途径, 当消耗能量多, 细胞内 ATP/AMP 的比例下降,6- 磷酸果糖激酶 -1 和丙酮酸激酶均被激活, 加速糖的分解以供能 第 23 页

24 ( 二 ) 糖酵解的生理意义 其最重要的生理意义在于迅速提供能量, 这对于肌肉收缩更为重要, 肌肉内 ATP 只要收缩几秒即可耗尽, 此时即使不缺氧, 葡萄糖有氧氧化反应时间长, 来不及满足需要, 而通过糖酵解则可迅速获得能量 此外成熟红细胞全靠糖酵解供能, 神经细胞 白细胞等不缺氧依赖其提供部分能量 三 糖的有氧氧化 葡萄糖在有氧条件下, 彻底氧化成 H2O 和 CO2 的过程即有氧氧化 是葡萄糖分解代谢的主要途径 ( 一 ) 过程 分为三个阶段 : 第一阶段, 葡萄糖循糖酵解途径分解成丙酮酸, 在胞浆中进行 第二阶段, 丙酮酸进入线粒体, 氧化脱羧成乙酰 CoA, 第二阶段, 乙酰 CoA 进行三羧酸循环及氧化磷酸化, 反应也在线粒体中进行 1. 第一阶段 : 如糖酵解生成丙酮酸的过程 2. 第二阶段 : 此过程为不可逆反应,1mol 丙酮酸生成 1molNADH+H+, 酶复合体由丙酮酸脱氢酶 二氢硫辛酰胺转乙酰酶 二氢硫辛酰胺脱氢酶, 相应的辅酶分别是 TPP 硫辛酸 FAD 及 NAD+ 3. 第三阶段 : 氧化磷酸化以后再讲, 三羧酸循环主要过程如下 : 从反应过程, 有如下结论 : 1 有三步不可逆反应 :1,3,4 步, 催化这三步的酶分别是柠檬酸合酶, 异柠檬酸脱氢酶, α- 酮戊二酸脱氢酶复合体, 是三羧酸循环的限速酶, 也是反应的调节点 2 有一步底物水平磷酸化, 第 5 步, 生成 GTP, 这也是三羧酸循环中唯一一个直接生成高能磷酸键的反应 31mol 乙酰 CoA 三羧酸循环可生成 3molNADH+H+ 和 1molFADH2, 而 NADH+H+ 和 FADH2 需将电子传递给氧时才生成 ATP, 故循环本身意义主要并不是释放能量, 而在于通过 4 次脱氢, 为氧化磷酸化生成 ATP 提供还原当量 4 因为草酰乙酸是循环利用, 故草酰乙酸连同其他循环中的中间产物只起催化剂作用, 本身并无量的变化, 虽然其间通过原子置换, 生成的 CO2 并不来自于乙酰 CoA, 但三羧酸循环一周, 实际上氧化了 1 分子乙酰 CoA, 这些中间产物不能直接在循环中被氧化成 CO2, 也不能从乙酰 CoA 通过循环合成中间产物 第 24 页

25 ( 二 ) 有氧氧化 ATP 合成的计算 1 分子葡萄糖糖酵解成丙酮酸, 生成 2 分子 ATP,2 分子 NADH+H+( 氧化磷酸化生成 6 分子或 4 分子 ATP),2 分子丙酮酸 2 分子乙酰 CoA,2 分子 NADH+H+( 氧化磷酸化生成 6 分子 ATP),2 分子乙酰 CoA 三羧酸循环 : 底物水平磷酸化 2 分子 ATP 6 分子 NADH+H+ 氧化磷酸化生成 6 3=18 分子 ATP 2 分子 FADH2 氧化磷酸化生成 2 2=4 分子 ATP 故一共为 2+6 或 =38 或 36 分子 ATP ( 三 ) 有氧氧化的调节 1. 糖酵解调节前面已述 氧化磷酸化速度对三羧酸循环起重要作用 若前者能有效进行,NADH+H+ FADH2 能及时转化为 NAD+ FAD, 则会促进三羧酸循环而进行 3. 当机体处于饥饿状态时, 大量脂肪酸被动员利用, 乙酰 CoA/CoA 和 NADH/NAD+ 比例升高, 抑制糖的有氧氧化, 大多数器官组织利用脂肪酸供能以确保大脑对葡萄糖的需要 4. 细胞消耗 ATP 时,ATP 降低,ADP AMP 含量升高, 有氧氧化过程中的多种限速酶均被激活, 加速有氧氧化, 补充 ATP 5. 巴斯德效应 : 指糖的有氧氧化抑制糖酵解的现象 四 磷酸戊糖途径 葡萄糖通过此途径可代谢生成磷酸核糖 NADPH 和 CO2, 主要意义不是生成 ATP ( 一 ) 反应过程 反应在胞浆进行, 分两个阶段, 第一阶段是氧化反应 生成磷酸戊糖 NADPH 和 CO2, 第二阶段是非氧化反应 1. 第一阶段 : 磷酸核糖生成 2. 第二阶段 : 基团转移反应 因为机体需要的 NADPH+H+ 远远大于磷酸核糖, 故剩余的核糖要继续进行此步反应, 通过 第 25 页

26 一系列基团转移反应, 将核糖转变为 6- 磷酸果糖和 3- 磷酸甘油醛而进入糖分解途径 ( 二 ) 调节 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的限速酶, 其活性决定 6- 磷酸葡萄糖进入此途径的流量 其活性的调节主要靠 NADPH/NADP+ 的影响, 当比例升高时, 磷酸戊糖途径被抑制, 比例降低时被激活, 如饥饿后重饲, 脂肪酸合成需大量 NADPH, 则此酶含量明显升高, 所以磷酸戊糖途径的流量取决于机体对 NADPH 的要求 ( 三 ) 生理意义 1.NADPH 是供氢体 机体多种生物合成反应, 如合成脂肪 胆固醇 鞘磷脂等都需要大量 NADPH 2.NADPH 参与体内羟化反应 体内羟化反应主要与生物转化有关, 激素 药物 毒物在肝的生物转化需要此反应, 将这些物质灭活或增加水溶性使其易排出 有些羟化反应与生物合成有关, 如从胆固醇合成胆汁酸等 3.NADPH 是谷胱甘肽还原酶的辅酶, 与谷胱甘肽还原酶一起维持谷胱甘肽的还原状态 还原型谷胱甘肽在体内有重要作用, 前已述及 4. 为核酸生物合成提供核糖 磷酸核糖是体内合成嘌呤和嘧啶核苷酸的原料 肌组织内缺乏 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶, 不能通过氧化反应生成核糖, 靠 3- 磷酸甘油醛和 6- 磷酸果糖之间的基团转移反应生成 五 糖原的合成和分解 ( 一 ) 糖原的合成 机体摄入的糖只有一小部分转变为糖原贮存, 大部分变成脂肪后储存, 肌糖原可供肌肉收缩的急需, 肝糖原则是血糖的重要来源 其基本过程是 : UDPG 的葡萄糖转移到糖链末端, 以 α-1,4 糖苷键相连, 糖链延长到一定长度, 分支酶将 6-7 个葡萄糖转移到糖链上, 此时是以 α-1,6 糖苷键相连 ( 二 ) 糖原的分解 其生理意义就在于当机体需要葡萄糖时它可以迅速被动用以供急需, 其中肝糖原可迅速的补充血糖 第 26 页

27 磷酸化酶只对 α-1,4 糖苷键起作用, 生成 1- 磷酸葡萄糖, 分支处酶 α-1,6 糖苷键通过 α-1,6- 葡萄糖苷酶直接水解成葡萄糖 注意 : 由于肌肉内没有葡萄糖 -6- 磷酸酶, 所以肌糖原不能分解成葡萄糖, 只有肝和肾可以补充血糖 ( 三 ) 糖原合成与分解的调节 糖原合酶 磷酸化酶催化的是不可逆反应, 故二者分别是糖原合成和分解的限速酶 它们主要受共价修饰的调节 磷酸化酶经共价修饰磷酸化后有活性, 去磷酸化后失活 而糖原合成酶与它正好相反, 去磷酸型有活性而磷酸化型则无活性 催化磷酸化的是蛋白激酶, 催化去磷酸化的是磷蛋白磷酸酶 磷酸化酶还受葡萄糖的变构抑制 胰岛素通过共价修饰使磷酸化酶活性降低, 抑制糖原分解, 促进糖原合成, 胰高血糖素正好相反 肌糖原合成分解主要受肾上腺素调节 六 糖异生 从非糖物质前体生成葡萄糖的反应称为糖异生 糖异生的主要原料为乳酸 氨基酸和甘油 糖异生主要在肝脏进行, 肾皮质也有异生糖的能力, 在长期饥饿时, 肾糖异生能力大大加强 ( 一 ) 过程 糖异生途径基本是糖酵解的逆反应过程, 但由于己糖激酶, 磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的反应不可逆, 故此三种酶催化的三步反应的逆过程需要另外的酶催化, 其余反应则是二条途径共同的 1. 从丙酮酸到磷酸烯醇式丙酮酸 : 乳酸和生糖氨基酸采取不同的途径 2. 从 1,6- 双磷酸果糖到 6- 磷酸果糖 1,6- 双磷酸果糖果糖双磷酸酶 -16- 磷酸果糖 3. 从 6- 磷酸葡萄糖到葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖葡萄糖 -6- 磷酸酶葡萄糖有以下几点需要注意 : 第 27 页

28 1. 丙酮酸羧化酶辅酶为生物素, 因为此羧化酶仅存在于线粒体中, 故丙酮酸必须进入线粒体反应 2. 羧化后的草酰乙酸不能直接透过线粒体, 所以必须转化为天冬氨酸或苹果酸出线粒体 实验表明乳酸经天冬氨酸途径, 生糖氨基酸经苹果酸出线粒体进一步反应 3. 在生糖氨基酸途径中草酰乙酸转化为苹果酸所要的 NADH+H+ 来自线粒体内脂肪酸 β 氧化或三羧酸循环, 每一途径实际都消耗了 2 分子 ATP ( 二 ) 调节 : 糖异生和糖酵解途径的协调主要靠其中的 2 个底物循环进行调节, 对糖酵解途径主要调节酶的抑制无疑也起了促进糖异生的效力 如促进丙酮酸激酶活性的 1,6 一二磷酸果糖, 可抑制糖异生, 胰高血糖素抑制 2,6- 双磷酸果糖的生成, 从而减少 1,6- 双磷酸果糖, 抑制糖酵解, 促进糖异生, 肝内丙氨酸是主要的糖异生原料, 但其可抑制丙酮酸激酶, 从而抑制糖异生主要通过对以下几种酶的调节来调控糖异生 ( 三 ) 生理意义 1. 糖异生最主要的生理意义是在空腹或饥饿状态下保持血糖浓度的相对稳定, 因为饥饿状态下, 肝糖原会很快耗尽, 此时主要靠糖异生来升高血糖, 这对保持脑组织正常功能有重要意义, 因为脑不能利用脂肪酸, 它主要依赖葡萄糖, 至饥饿后期也依赖酮体供能 而红细胞完全靠糖来供能 2. 补充肝糖原, 尤其在饥饿后进食时, 葡萄糖激酶活性决定肝细胞摄取利用葡萄糖的能力, 因葡萄糖激酶 Km 值太高, 肝摄取葡萄糖能力低, 故饥饿后进食, 肝细胞可直接利用丙酮酸等三碳化合物合成糖原, 这称为三碳途径 3. 调节酸碱平衡, 长期饥饿, 肾糖异生增强, 有利于维持酸碱平衡 ( 四 ) 乳酸循环 肌肉收缩是葡萄糖通过酵解生成乳酸 ( 尤其是氧供不足时 ), 肌肉内糖异生活性低, 所以乳酸通过血液入肝, 在肝内异生成葡萄糖, 葡萄糖释放入血后又被肌肉摄取, 这就构成了乳酸循环, 其生理意义在于避免损失乳酸及防止因乳酸堆积引起的酸中毒, 此循环是耗能过程,2 分子乳酸异生成 1 分子葡萄糖要消耗 6 分子 ATP 七 血糖及其调节 ( 一 ) 血糖的来源和去路 机体在严密的调控机制下维持血糖恒定, 这也是血糖来源和去路发生平衡的结果, 血糖来源为各种渠道生成的葡萄糖释放入血液中, 血糖的去路是被周围组织及肝的摄取利用 第 28 页

29 ( 二 ) 血糖水平的调节 FREEKA~1.TXT 机体血糖水平维持稳定主要靠激素的调节, 重要的激素有胰岛素 胰高血糖素 糖皮质激素和肾上腺素, 若糖代谢及调节障碍, 可发生糖尿病或低血糖 尤其糖尿病是危害人类健康的重要疾病, 患者葡萄糖得不到有效利用, 可导致机体发生一系列代谢紊乱, 造成各种严重的病理状态 1. 胰岛素 胰岛素是体内唯一降低血糖的激素, 也是唯一同时促进糖原 脂肪 蛋白质合成的激素 血糖升高时, 立即引起胰岛素分泌 其降血糖是多方面作用的结果 : 1 促进葡萄糖转运入细胞, 降低血液中糖含量 2 通过共价修饰使糖原合成酶活性增加, 磷酸化酶活性降低, 加速糖原合成, 抑制糖原分解 3 激活丙酮酸脱氢酶, 加快糖的有氧氧化 4 通过抑制 PEP 羧激酶的合成以及减少糖异生的原料, 抑制糖异生 5 抑制脂肪组织内的脂肪酶, 减少脂肪动员, 使组织利用葡萄糖增加 2. 胰高血糖素 是体内主要升高血糖的激素 其升血糖的机制几乎与胰岛素相反 : 1 抑制糖原合成酶, 激活磷酸化酶使糖原分解增加, 糖原合成降低 2 减少 2,6- 双磷酸果糖的合成, 抑制糖酵解, 加速糖异生 3 促进 PEP 羧激酶的合成, 抑制丙酮酸激酶, 增强糖异生 4 通过激活脂肪酶, 加速脂肪动员, 从而间接升血糖 3. 肾上腺素 : 肾上腺素是迅速而强有力升高血糖的激素, 主要在应激时起作用, 对经常性, 尤其是进食引起的血糖波动无生理意义 主要是通过加快糖原分解, 促进糖异生升高血糖 4. 肾上腺皮质醇 : 是肾上腺皮质分泌的类固醇激素, 主要是糖皮质激素, 它能促进肌肉蛋白质分解, 增强糖异生, 同时抑制肝外组织摄取葡萄糖, 从而升高血糖 脂类代谢 第 29 页

30 考点 : FREEKA~1.TXT 甘油三酯合成及分解代谢, 包括脂肪酸的代谢过程和能量计算 ; 酮体的生成 利用 意义及调节 ; 磷脂 胆固醇的代谢 ; 血浆脂蛋白的分类 组成 生理功能 代谢 ; 高脂血症的定义 重点 : 脂肪酸分解 合成中的关键酶及几步主要的步骤 ( 包括与能量生成相关的及不可逆的反应 ) 其分解的能量生成的计算以及分解 合成的红细胞定位 ; 酮体的生成及利用 生理意义 ; 各类血浆脂蛋白组成中含量最多的成分及各自的生理功能 基本知识与理论 一 概论 脂类主要包括以下几种 : 1. 脂肪 : 由甘油和脂肪酸合成, 体内脂肪酸来源有二 : 一是机体自身合成, 二是食物供给特别是某些不饱和脂肪酸, 机体不能合成, 称必需脂肪酸, 如亚油酸 α- 亚麻酸 2. 磷脂 : 由甘油与脂肪酸 磷酸及含氮化合物生成 3. 鞘脂 : 由鞘氨酸与脂肪酸结合的脂, 含磷酸者称鞘磷脂, 含糖者称为鞘糖脂 4. 胆固醇脂 : 胆固醇与脂肪酸结合生成 二 脂类消化与吸收 : 消化主要在小肠上段经各种酶及胆汁酸盐的作用, 水解为甘油 脂肪酸等 脂类的吸收含两种情况 : 中链 短链脂肪酸构成的甘油三酯乳化后即可吸收肠粘膜细胞内水解为脂肪酸及甘油门静脉入血 长链脂肪酸构成的甘油三酯在肠道分解为长链脂肪酸和甘油一酯, 再吸收肠粘膜细胞内再合成甘油三酯, 与载脂蛋白 胆固醇等结合成乳糜微粒淋巴入血 三 甘油三酯代谢 第 30 页

31 ( 一 ) 合成代谢 甘油三酯是机体储存能量及氧化供能的重要形式 1. 合成部位及原料 肝 脂肪组织 小肠是合成的重要场所, 以肝的合成能力最强, 注意 : 肝细胞能合成脂肪, 但不能储存脂肪 合成后要与载脂蛋白 胆固醇等结合成极低密度脂蛋白, 入血运到肝外组织储存或加以利用 若肝合成的甘油三酯不能及时转运, 会形成脂肪肝 脂肪细胞是机体合成及储存脂肪的仓库 合成甘油三酯所需的甘油及脂肪酸主要由葡萄糖代谢提供 其中甘油由糖酵解生成的磷酸二羟丙酮转化而成, 脂肪酸由糖氧化分解生成的乙酰 CoA 合成 2. 合成基本过程 1 甘油一酯途径 : 这是小肠粘膜细胞合成脂肪的途径, 由甘油一酯和脂肪酸合成甘油三酯 2 甘油二酯途径 : 肝细胞和脂肪细胞的合成途径 脂肪细胞缺乏甘油激酶因而不能利用游离甘油, 只能利用葡萄糖代谢提供的 3- 磷酸甘油 ( 二 ) 分解代谢 即为脂肪动员, 在脂肪细胞内激素敏感性甘油三酯脂的酶作用下, 将脂肪分解为脂肪酸及甘油并释放入血供其他组织氧化 甘油甘油激酶 3- 磷酸甘油磷酸二羟丙酮糖酵解或有氧氧化供能, 也可转变成糖 脂肪酸与清蛋白结合转运入各组织经 β- 氧化供能 ( 三 ) 脂肪酸的分解代谢 β- 氧化 在氧供充足条件下, 脂肪酸可分解为乙酰 CoA, 彻底氧化成 CO2 和 H2O 并释放出大量能量, 大多数组织均能氧化脂肪酸, 但脑组织例外, 因为脂肪酸不能通过血脑屏障 其氧化具体步骤如下 : 1. 脂肪酸活化, 生成脂酰 CoA 1 分子脂肪酸活化消耗 2 个高能磷酸键, 相当于 2 分子 ATP 第 31 页

32 2. 脂酰 CoA 进入线粒体, 因为脂肪酸的 β- 氧化在线粒体中进行 这一步需要肉碱的转运 肉碱脂酰转移酶 I 是脂酸 β 氧化的限速酶, 脂酰 CoA 进入线粒体是脂酸 β- 氧化的主要限速步骤, 如饥饿时, 糖供不足, 此酶活性增强, 脂肪酸氧化增强, 机体靠脂肪酸来供能 3. 脂肪酸的 β- 氧化, 基本过程如下 : 丁酰 CoA 经最后一次 β 氧化 : 生成 2 分子乙酰 CoA 故每次 β 氧化 1 分子脂酰 CoA 生成 1 分子 FADH2,1 分子 NADH+H+,1 分子乙酰 CoA, 通过呼吸链氧化前者生成 2 分子 ATP, 后者生成 3 分子 ATP 4. 脂肪酸氧化的能量生成 脂肪酸与葡萄糖不同, 其能量生成多少与其所含碳原子数有关, 因每种脂肪酸分子大小不同, 其生成 ATP 的量中不同, 以软脂酸为例 ;1 分子软脂酸含 16 个碳原子, 靠 7 次 β 氧化生成 7 分子 NADH+H+,7 分子 FADH2,8 分子乙酰 CoA, 而所有脂肪酸活化均需耗去 2 分子 ATP 故 1 分子软脂酸彻底氧化共生成 : =129 分子 ATP 以重量计, 脂肪酸产生的能量比葡萄糖多 ( 四 ) 脂肪酸的其他氧化方式 1. 不饱和脂肪酸的氧化, 也在线粒体进行, 其与饱和脂肪酸不同的是键的顺反不同, 通过异构体之间的相互转化, 即可进行 β- 氧化 2. 过氧化酶体脂酸氧化 : 主要是使不能进入线粒体的二十碳 二十二碳脂肪酸先氧化成较短的脂肪酸, 以便能进入线粒体内分解氧化, 对较短键脂肪酸无效 3. 丙酸的氧化 : 人体含有极少量奇数碳原子脂肪酸氧化后还生成 1 分子丙酰 CoA, 丙酰 CoA 经羧化及异构酶作用转变为琥珀酰 CoA, 然后参加三羧酸循环而被氧化 ( 五 ) 酮体的生成及利用 酮体包括乙酰乙酸 β- 羟丁酸 丙酮 酮体是脂肪酸在肝分解氧化时特有的中间代谢物, 脂肪酸在线粒体中 β 氧化生成的大量乙酰 CoA 除氧化磷酸化提供能量外, 也可合成酮体 但是肝却不能利用酮体, 因为其缺乏利用酮体的酶系 1. 生成过程 : 第 32 页

33 2. 利用 : 肝生成的酮体经血运输到肝外组织进一步分解氧化 总之肝是生成酮体的器官, 但不能利用酮体, 肝外组织不能生成酮体, 却可以利用酮体 3. 生理意义 长期饥饿, 糖供应不足时, 脂肪酸被大量动用, 生成乙酰 CoA 氧化供能, 但象脑组织不能利用脂肪酸, 因其不能通过血脑屏障, 而酮体溶于水, 分子小, 可通过血脑屏障, 故此时肝中合成酮体增加, 转运至脑为其供能 但在正常情况下, 血中酮体含量很少 严重糖尿病患者, 葡萄糖得不到有效利用, 脂肪酸转化生成大量酮体, 超过肝外组织利用的能力, 引起血中酮体升高, 可致酮症酸中毒 4. 酮体生成的调节 11 饱食或糖供应充足时 : 胰岛素分泌增加, 脂肪动员减少, 酮体生成减少 ;2 糖代谢旺盛 3- 磷酸甘油及 ATP 充足, 脂肪酸脂化增多, 氧化减少, 酮体生成减少 ;3 糖代谢过程中的乙酰 CoA 和柠檬酸能别构激活乙酰 CoA 羧化酶, 促进丙二酰 CoA 合成, 而后者能抑制肉碱脂酰转移酶 Ⅰ, 阻止 β- 氧化的进行, 酮体生成减少 2 饥饿或糖供应不足或糖尿病患者, 与上述正好相反, 酮体生成增加 ( 六 ) 脂肪酸的合成代谢 1. 脂肪酸主要从乙酰 CoA 合成, 凡是代谢中产生乙酰 CoA 的物质, 都是合成脂肪酸的原料, 机体多种组织均可合成脂肪酸, 肝是主要场所, 脂肪酸合成酶系存在于线粒体外胞液中 但乙酰 CoA 不易透过线粒体膜, 所以需要穿梭系统将乙酰 CoA 转运至胞液中, 主要通过柠檬酸 - 丙酮酸循环来完成 脂酸的合成还需 ATP NADPH 等, 所需氢全部 NADPH 提供,NADPH 主要来自磷酸戊糖通路 2. 软脂酸的合成过程 乙酰 CoA 羧化酶是脂酸合成的限速酶, 存在于胞液中, 辅基为生物素 柠檬酸 异柠檬酸是其变构激活剂, 故在饱食后, 糖代谢旺盛, 代谢过程中的柠檬酸可别构激活此酶促进脂肪酸的合成, 而软脂酰 CoA 是其变构抑制剂, 降低脂肪酸合成 此酶也有共价修饰调节, 胰高血糖素通过共价修饰抑制其活性 2 从乙酰 CoA 和丙二酰 CoA 合成长链脂肪酸, 实际上是一个重复加长过程, 每次延长 2 个碳 第 33 页

34 原子, 由脂肪酸合成多酶体系催化 哺乳动物中, 具有活性的酶是一二聚体, 此二聚体解聚则活性丧失 每一亚基皆有 ACP 及辅基构成, 合成过程中, 脂酰基即连在辅基上 丁酰是脂酸合成酶催化第一轮产物, 通过第一轮乙酰 CoA 和丙二酰 CoA 之间缩合 还原 脱水 还原等步骤,C 原子增加 2 个, 此后再以丙二酰 CoA 为碳源继续前述反应, 每次增加 2 个 C 原子, 经过 7 次循环之后, 即可生成 16 个碳原子的软脂酸 3. 酸碳链的加长 碳链延长在肝细胞的内质网或线粒体中进行, 在软脂酸的基础上, 生成更长碳链的脂肪酸 4. 脂肪酸合成的调节 促进脂肪酸合成 胰岛素诱导乙酰 CoA 羧化酶 脂肪酸合成酶的合成, 促进脂肪酸合成, 还能促使脂肪酸进入脂肪组织, 加速合成脂肪 而胰高血糖素 肾上腺素 生长素抑制脂肪酸合成 ( 七 ) 多不饱和脂肪酸的重要衍生物 前列腺素 血栓素 白三烯均由多不饱和脂肪酸衍生而来, 在调节细胞代谢上具有重要作用, 与炎症 免疫 过敏及心血管疾病等重要病理过程有关 在激素或其他因素刺激下, 膜脂由磷脂酶 A2 催化水解, 释放花生四烯酸, 花生四烯酸在脂过氧化酶作用下生成丙三烯, 在环过氧化酶作用下生成前列腺素 血栓素 四 磷脂的代谢 含磷酸的脂类称磷脂可分为两类 : 由甘油构成的磷脂称甘油磷脂, 由鞘氨醇构成的称鞘磷脂 ( 一 ) 甘油磷脂的代谢 甘油磷脂由 1 分子甘油与 2 分子脂肪酸和 1 分子磷酸组成,2 位上常连的脂酸是花生四烯酸, 由于与磷酸相连的取代基团不同, 又可分为磷脂酰胆碱 ( 卵磷脂 ) 磷脂酰乙醇胺 ( 脑磷脂 ) 二磷脂酰甘油 ( 心磷脂 ) 等 1. 甘油磷脂的合成 1 合成部位及原料 全身各组织均能合成, 以肝 肾等组织最活跃, 在细胞的内质网上合成 合成所用的甘油 脂肪酸主要用糖代谢转化而来 其二位的多不饱和脂肪酸常需靠食物供给, 合成还需 ATP 第 34 页

35 CTP FREEKA~1.TXT 2 合成过程 磷脂酸是各种甘油磷脂合成的前体, 主要有两种合成途径 : 1 甘油二酯合成途径 : 脑磷脂 卵磷脂由此途径合成, 以甘油二酯为中间产物, 由 CDP 胆碱等提供磷酸及取代基 2 CDP- 甘油二酯途径 : 肌醇磷脂, 心磷脂由此合成, 以 CDP- 甘油二酯为中间产物再加上肌醇等取代基即可合成 2. 甘油磷脂的降解 主要是体内磷脂酶催化的水解过程 其中磷脂酶 A2 能使甘油磷脂分子中第 2 位酯键水解, 产物为溶血磷脂及不饱和脂肪酸, 此脂肪酸多为花生四烯酸,Ca2+ 为此酶的激活剂 此溶血磷脂是一类较强的表面活性物质, 能使细胞膜破坏引起溶血或细胞坏死 再经溶血磷脂酶继续水解后, 即失去溶解细胞膜的作用 ( 二 ) 鞘磷脂的代谢 主要结构为鞘氨醇,1 分子鞘氨醇通常只连 1 分子脂肪酸, 二者以酰胺链相连, 而非酯键 再加上 1 分子含磷酸的基团或糖基, 前者与鞘氨醇以酯键相连成鞘磷脂, 后者以 β 糖苷键相连成鞘糖脂, 含量最多的神经鞘磷脂即是以磷酸胆碱, 脂肪酸与鞘氨醇结合而成 1. 合成代谢 以脑组织最活跃, 主要在内质网进行 反应过程需磷酸呲哆醛,NADPH+H+ 等辅酶, 基本原料为软脂酰 CoA 及丝氨酸 2. 降解代谢 由神经鞘磷脂酶 ( 属磷脂酶 C 类 ) 作用, 使磷酸酯键水解产生磷酸胆碱及神经酰胺 (N- 脂酰鞘氨醇 ) 若缺乏此酶, 可引起痴呆等鞘磷脂沉积病 五 胆固醇的代谢 ( 一 ) 合成代谢 1. 几乎全身各组织均可合成, 肝是主要场所, 合成主要在胞液及内质网中进行 2. 合成原料 乙酰 CoA 是合成胆固醇的原料, 因为乙酰 CoA 是在线粒体中产生, 与前述脂肪酸合成相似, 它须通过柠檬酸 丙酮酸循环进入胞液, 另外, 反应还需大量的 NADPH+H+ 及 ATP 合成 1 分子胆固醇需 18 分子乙酰 CoA 36 分子 ATP 及 16 分子 NADPH+H+ 乙酰 CoA 及 ATP 第 35 页

36 多来自线粒体中糖的有氧氧化, 而 NADPH 则主要来自胞液中糖的磷酸戊糖途径 3. 合成过程 简单来说, 可划分为三个阶段 1 甲羟戊酸 (MVA) 的合成 : 首先在胞液中合成 HMGCoA, 与酮体生成 HMGCoA 的生成过程相同 但在线粒体中,HMGCoA 在 HMGCoA 裂解酶催化下生成酮体, 而在胞液中生成的 HMGCoA 则在内质网 HMGCoA 还原酶的催化下, 由 NADPH+H+ 供氢, 还原生成 MVA HMGCoA 还原酶是合成胆固醇的限速酶 2 鲨烯的合成 :MVA 由 ATP 供能, 在一系列酶催化下, 生成 3OC 的鲨烯 3 胆固醇的合成 : 鲨烯经多步反应, 脱去 3 个甲基生成 27C 的胆固醇 4. 调节 HMGCoA 还原酶是胆固醇合成的限速酶 多种因素对胆固醇的调节主要是通过对此酶活性的影响来实现的 2 胆固醇 : 可反馈抑制胆固醇的合成 3 激素 : 胰岛素能诱导 HMGCoA 还原酶的合成, 增加胆固醇的合成, 胰高血糖素及皮质醇正相反 ( 二 ) 胆固醇的转化 1. 转化为胆汁酸, 这是胆固醇在体内代谢的主要去路 2. 转化为固醇类激素, 胆固醇是肾上腺皮质 卵巢等合成类固醇激素的原料, 此种激素包括糖皮质激素及性激素 3. 转化为 7- 脱氢胆固醇, 在皮肤, 胆固醇被氧化为 7- 脱氢胆固醇, 再经紫外光照射转变为 VitD3 六 血浆脂蛋白代谢 ( 一 ) 血浆脂蛋白分类 1. 电泳法 : 可将脂蛋白分为前 β β 脂蛋白及乳糜微粒 (CM) 2. 超速离心法 : 分为乳糜微粒 极低密度脂蛋白 (VLDL) 低密度脂蛋白 (LDL) 和高密度脂蛋白 (HDL) 分别相当于电泳分离的 CM 前 β β α- 脂蛋白 第 36 页

37 ( 二 ) 血浆脂蛋白组成 FREEKA~1.TXT 血浆脂蛋白主要由蛋白质 甘油三酯 磷脂 胆固醇及其酯组成 游离脂肪酸与清蛋白结合而运输不属于血浆脂蛋白之列 CM 最大, 含甘油三酯最多, 蛋白质最少, 故密度最小 VLDL 含甘油三酯亦多, 但其蛋白质含量高于 CM LDL 含胆固醇及胆固醇酯最多 HDL 含蛋白质量最多 ( 三 ) 脂蛋白的结构 血浆各种脂蛋白具有大致相似的基本结构 疏水性较强的甘油三酯及胆固醇酯位于脂蛋白的内核, 而载脂蛋白 磷脂及游离胆固醇等双性分子则以单分子层覆盖于脂蛋白表面, 其非极性向朝内, 与内部疏水性内核相连, 其极性基团朝外, 脂蛋白分子呈球状 CM 及 VLDL 主要以甘油三酯为内核,LDL 及 HDL 则主要以胆固醇酯为内核 因脂蛋白分子朝向表面的极性基团亲水, 故增加了脂蛋白颗粒的亲水性, 使其能均匀分散在血液中 从 CM 到 HDL, 直径越来越小, 故外层所占比例增加, 所以 HDL 含载脂蛋白, 磷脂最高 ( 四 ) 载脂蛋白 脂蛋白中的蛋白质部分称载脂蛋白, 主要有 apoa B C D E 五类 不同脂蛋白含不同的载脂蛋白 载脂蛋白是双性分子, 疏水性氨基酸组成非极性面, 亲水性氨基酸为极性面, 以其非极性面与疏水性的脂类核心相连, 使脂蛋白的结构更稳定 ( 五 ) 代谢 1. 乳糜微粒 主要功能是转运外源性甘油三酯及胆固醇 空腹血中不含 CM 外源性甘油三酯消化吸收后, 在小肠粘膜细胞内再合成甘油三酯 胆固醇, 与载脂蛋白形成 CM, 经淋巴入血运送到肝外组织中, 在脂蛋白脂肪酶作用下, 甘油三酯被水解, 产物被肝外组织利用,CM 残粒被肝摄取利用 2. 极低密度脂蛋白 VLDL 是运输内源性甘油三酯的主要形式 肝细胞及小肠粘膜细胞自身合成的甘油三酯与载脂蛋白, 胆固醇等形成 VLDL, 分泌入血, 在肝外组织脂肪酶作用下水解利用, 水解过程中 VLDL 与 HDL 相互交换,VLDL 变成 IDL 被肝摄取代谢, 未被摄取的 IDL 继续变为 LDL 3. 低密度脂蛋白 人血浆中的 LDL 是由 VLDL 转变而来的, 它是转运肝合成的内源性胆固醇的主要形式 肝是降解 LDL 的主要器官, 肝及其他组织细胞膜表面存在 LDL 受体, 可摄取 LDL, 其中的胆固醇脂水解为游离胆固醇及脂肪酸, 水解的游离胆固醇可抑制细胞本身胆固醇合成, 减少细胞对 LDL 的进一步摄取, 且促使游离胆固醇酯化在胞液中储存, 此反应是在内质网脂酰 CoA 胆固醇脂酰转移酶 (ACAT) 催化下进行的 除 LDL 受体途径外, 血浆中的 LDL 还可被单核吞噬细胞系统清除 第 37 页

38 4. 高密度脂蛋白 主要作用是逆向转运胆固醇, 将胆固醇从肝外组织转运到肝代谢 新生 HDL 释放入血后径系列转化, 将体内胆固醇及其酯不断从 CM VLDL 转入 HDL, 这其中起主要作用的是血浆卵磷脂胆固醇脂酰转移酶 (LCAT), 最后新生 HDL 变为成熟 HDL, 成熟 HDL 与肝细胞膜 HDL 受体结合被摄取, 其中的胆固醇合成胆汁酸或通过胆汁排出体外, 如此可将外周组织中衰老细胞膜中的胆固醇转运至肝代谢并排出体外 ( 六 ) 高脂血症 血脂高于正常人上限即为高脂血症, 表现为甘油三脂 胆固醇含量升高, 表现在脂蛋白上, CM VLDL LDL 皆可升高, 但 HDL 一般不增加 生物氧化 考点 : 生物氧化的特点和方式 ; 呼吸链的组成, 磷酸化原理及影响氧化磷酸化的因素 ; 高能磷酸化合物的储存和利用 ; α- 磷酸甘油和苹果酸 - 天冬氨酸穿梭系统的作用 ; 微粒体及过氧化物酶体的氧化体系 重点 : 细胞内两条氧化呼吸链分别的组成 ; 氧化磷酸化的原理及影响氧化磷酸化的因素 基本知识与理论 一 生物氧化的特点及方式 生物氧化指糖 脂肪 蛋白质在体内分解释放能量, 生成水和二氧化碳的过程, 其几乎每一步反应都由酶催化, 因此反应在体温及近中性的 ph 环境中即可进行, 反应中逐步释放的能量可使 ADP 磷酸化生成 ATP 而储存, 以供生理活动之需 脱电子 脱氢 加氧都是物质氧化的方式 二 呼吸链 ( 一 ) 呼吸链的组成 四种具有传递电子功能的复合体组成 第 38 页

39 1. 复合体 Ⅰ:NADH- 泛醌还原酶 : 将电子从 NADH 传递给泛醌 此复合体包括以 FMN 为辅基的黄素蛋白和以 Fe-S 簇为辅基的铁硫蛋白 通过 FMN 和 Fe-S 簇中的 Fe 原子将电子传给泛醌, 即辅酶 Q 2. 复合体 Ⅱ: 琥珀酸 - 泛醌还原酶, 将电子从琥珀酸传递给泛醌 此复合体由以 FAD 为辅基的色素蛋白和铁硫蛋白 细胞色素 b560 组成 3. 复合体 Ⅲ: 泛醌 - 细胞色素 C 还原酶, 将电子从泛醌传递给细胞色素 C 此复合体由细胞色素 b562,b566, 细胞色素 C1 和铁硫蛋白组成 4. 复合体 Ⅳ: 即细胞色素 C 氧化酶, 将电子从细胞色素 C 传递给氧 由细胞色素 a a3 组成, 其中所含的 Cu 原子传递电子 ( 二 ) 两条氧化呼吸链成分的排列顺序 1.NADH 氧化呼吸链 NADH+H+ 脱下的氢经复合体 Ⅰ 复合体 Ⅲ 复合体 Ⅳ, 最后将电子传递给氧, 体内大多数脱氢酶, 如乳酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶催化脱下的氢都是以此呼吸链顺序被氧化的 2.FADH2 氧化呼吸链 琥珀酸脱氢酶催化脱下的氢给复合体 Ⅱ Ⅲ Ⅳ 传递给氧 α- 磷酸甘油脱氢酶及脂肪酸 β 氧化过程中脂酰 CoA 脱氢酶催化反应脱下的氢也经此呼吸链被氧化 三 生物氧化过程中 ATP 的生成 ATP 是体内能量的主要储存和利用形式,ATP 的生成有两种方式 ( 一 ) 底物水平磷酸化 直接将底物分子中的能量转移至 ADP, 生成 ATP, 与呼吸链的电子传递无关 ( 二 ) 氧化磷酸化 代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧的同时, 释放能量使 ADP 磷酸化成为 ATP, 由于是代谢物的氧化反应与 ADP 的磷酸化反应偶联发生, 故称为氧化磷酸化, 这是体内生成 ATP 的主要方式 1. 氧化磷酸化的偶联部位 根据 P/O 比值的测定,(P/O 比值指物质氧化时, 消耗 1mol 氧原子所消耗的无机磷的摩尔数 ) 第 39 页

40 确定在复合体 Ⅰ Ⅲ Ⅳ 皆存在氧化磷酸化的偶联部位, 故代谢物脱下的氢经 NADH 呼吸链传递可生成 3 分子 ATP 而若经 FADH2 呼吸链传递, 生成 2 分子 ATP 2. 氧化磷酸化的机制 即化学渗透假说, 其基本原理是电子经呼吸链传递的同时, 可将质子从线粒体内膜内侧泵到内膜外侧, 线粒体内膜不允许质子自由回流, 因此造成膜内 外的电化学梯度, 这里既有 H+ 的浓度梯度, 又有跨膜电位差, 以储存能量 当质子顺梯度回流时驱动 ADP 与磷酸合成 ATP ATP 生成需 ATP 合酶催化, 该酶由 Fo 和 F1 组成, 当 H+ 回流时,F1 催化 ADP 与 Pi 生成 ATP F0 和 F1 之间存在一个称为寡霉素敏感蛋白的亚基, 使在寡霉素存在时不能生成 ATP 3. 氧化磷酸化的调节 1 主要受细胞对能量需求的调节, 当细胞氧化速度加快,ADP 增加时, 氧化磷酸化加快, 使机体能量的产生适应生理需要 2 甲状腺素 : 可活化细胞膜上 Na+-K+ATP 酶, 使 ATP 分解加速,ADP 增多, 促进氧化磷酸化 4. 氧化磷酸化的抑制剂 1 呼吸链抑制剂 : 阻断呼吸链中某些部位电子传递, 故使细胞呼吸停止, 生命活动终止 2 解偶联剂 : 即泵出的 H+ 不经 ATP 合酶的后质子通道回流, 而经其他途径回流, 使膜两侧的电化学梯度被破坏,ADP 也不能与 Pi 生成 ATP 四 线粒体外 NADH 的氧化磷酸化 胞液中生成的 NADH 不能自由通过线粒体内膜, 须经某种转运机制才能进入线粒体, 然后再经呼吸链进行氧化磷酸化, 这种机制主要有以下两种 ( 一 )α- 磷酸甘油穿梭 此机制 NADH+H+ 的氢最终以 FADH2 的形式进入琥珀酸氧化呼吸链, 生成 2 分子 ATP 故糖酵解中 3- 磷酸甘油醛脱 H 产生的 NADH+H+ 经过此机制进入线粒体, 则 1 分子葡萄糖彻底氧化生成 36 分子 ATP ( 二 ) 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭 NADH+H+ 的氢经此机制进入 NADH 氧化呼吸链, 生成 3 分子 ATP 故糖酵解过程中 3- 磷酸甘油醛脱氢生成的 NADH+H+ 以此方式进入线粒体中, 则 1 分子葡萄糖彻底氧化生成 38 分子 ATP 五 ATP 的利用和贮存 第 40 页

41 体内几种常见的高能化合物 : 磷酸肌酸, 磷酸烯醇式丙酮酸 乙酰磷酸 乙酰 CoA ATP 即三磷酸腺苷 机体经底物水平和氧化磷酸化生成 ATP,ATP 又为机体各种生理活动提供能量 六 非线粒体氧化体系 除线粒体外, 细胞的微粒体和过氧化物酶体也是生物氧化的重要场所, 其特点是氧化过程中不伴有偶联磷酸化不生成 ATP 其中微粒体中的加单氧酶在生物转化中有重要作用, 可将药物 毒物 激素灭活或增加水溶性而排出体外 氨基酸代谢 考点 : 蛋白质的消化 吸收及腐败作用 ; 氨基酸的脱氨基作用 ; 体内氨的来源和转运, 尿素的生成, 鸟氨酸循环 ; 氨基酸的脱羧基作用 ; 一碳单位的定义 来源 代谢 生理功能 ; 含硫氨基酸 芳香族氨基酸的代谢 重点 : 转氨基作用及其酶与辅酶, 联合脱氨基的基本过程 ; 鸟氨酸循环的关键步骤, 尿素合成的组织器官 ; 一碳单位定义 来源 生理功能 ; 几种重要的生物活性物质如 SAM(S 腺苷甲硫氨酸 ) PAPS(3 '- 磷酸腺苷 -5 '- 磷酸硫酸 ) 的作用及其参与的重要反应过程, 可生成的物质 基本知识与理论 一 蛋白质的营养价值 成人每日最低需要 克蛋白质, 营养学会推荐成人每日蛋白质需要量为 80 克 人体内有 8 种营养必需氨基酸不能合成只能从食物摄取, 它们是 : 缬 异亮 亮 甲硫 赖 苏 苯丙 色氨酸 含有必需氨基酸种类多 数量足的蛋白质, 营养价值高 二 蛋白质的消化 吸收和腐败 ( 一 ) 蛋白质的消化 第 41 页

42 ( 二 ) 氨基酸的吸收 1. 氨基酸吸收载体 : 伴随 Na+ 转运的主动吸收过程, 消耗 ATP, 与葡萄糖吸收过程相似 体内有 4 种载体, 参与不同氨基酸的吸收 : 中性 碱性 酸性氨基酸载体, 亚氨基酸与甘氨酸载体 2.γ- 谷氨酰基循环对氨基酸的转运作用 首先是谷胱甘肽对氨基酸的转运, 其次是谷胱甘肽再合成, 由此构成一个循环, 其中 γ- 谷氨酰基转移酶是关键酶 3. 肽的吸收 : 肠粘膜细胞上还存在吸收二肽或三肽的转运体系, 也是耗能的主动吸收过程 ( 三 ) 蛋白质的腐败作用 肠道细菌对未消化吸收的蛋白质所起的作用, 即为腐败作用 1. 胺类的生成 肠道细菌的蛋白酶使蛋白质水解为氨基酸, 再经脱羧基作用, 生成胺类 后二者化学结构与儿茶酚胺类似, 故干扰神经冲劲的传导, 使大脑发生抑制 2. 氨的生成 未被吸收的氨基酸在肠道细菌作用下脱氨基生成氨和酮酸, 肠道中氨还有另一来源, 血液中尿素渗入肠道, 水解而生成氨 3. 腐败作用还可生成苯酚, 吲哚等有害物质 三 氨基酸的一般代谢 食物蛋白质经消化而被吸收的氨基酸 ( 外源性氨基酸 ) 与体内组织蛋白质降解产生的氨基酸 ( 内源性氨基酸 ) 混在一起, 分布于体内各处, 参与代谢, 称为氨基酸代谢库 下面就介绍氨基酸的主要代谢过程 ( 一 ) 氨基酸的脱氨基作用 第 42 页

43 氨基酸分解代谢的最主要反应是脱氨基作用, 氨基酸可以通过多种方式脱去氨基, 其中以联合脱氨基最为重要 联合脱氨基全过程是可逆的, 因此这一过程也是体内合成非必需氨基酸的主要途径 2. 转氨基作用 由转氨酶催化, 将某一氨基酸的 α- 氨基转移到另一种 α- 酮酸的酮基上, 生成相应的氨基酸, 原来的氨基酸则变为 α- 酮酸 除 α- 氨基外, 氨基酸侧链末端的氨基酸也可发生转氨基作用 转氨酶的辅酶都是 VitB6 的磷酸酯, 即磷酸吡哆醛, 不同反应由专一的转氨酶催化, 最常见的是谷丙转氨酶, 和谷草转氨酶, 因为转氨酶主要存在于细胞中, 所以可通过测血清中某一转氨酶含量来判断某一类细胞受损程度, 以此作为疾病诊断指标之一 3.L- 谷氨酸氧化脱氨基作用 肝 肾 脑等组织中广泛存在着 L- 谷氨酸脱氢酶, 催化 L- 谷氨酸氧化脱氨生成 α- 酮戊二酸和氨, 辅酶是 NAD+ 或 NADP+ GTP ATP 是谷氨酸脱氢酶的变构抑制剂, 而 GDP,ADP 是变构激活剂, 当体内 GTP ATP 不足时, 氨基酸加速氧化脱氨, 这对于氨基酸氧化供能起重要调节作用 4. 嘌呤核苷酸循环 骨骼肌 心肌中 L- 谷氨酸脱氢酶的活性弱, 难于进行上述方式的转氨基作用 肌肉中通过嘌呤核苷酸循环脱去氨基 ( 二 )α- 酮酸的代谢 氨基酸脱氨基后生成的 α- 酮酸主要有以下三方面的代谢途径 1. 氨基化生成非必需氨基酸 2. 转变为糖及脂类 在体内可转变成糖的氨基酸称为生糖氨基酸 能转变为酮体者称为生酮氨基酸 两者兼有者称为生糖兼生酮氨基酸 3. 氧化供能 α- 酮酸在体内可以通过三羧酸循环与和生物氧化体系彻底氧化成 CO2 和 H2O, 同时释放能量, 可见, 氨基酸也是一类能源物质 第 43 页

44 四 氨的代谢 FREEKA~1.TXT 机体由代谢产生的氨以及消化道吸收来的氨进入血液, 形成血氨, 氨具有毒性, 主要通过在肝合成尿素而解毒, 少部分氨在肾以铵盐形成由尿排出 ( 一 ) 体内氨的来源 : 1. 氨基酸脱氨基作用产生的氨是体内氨的主要来源 2. 肠道吸收的氨有两个来源 即蛋白质腐败产生的氨和肠道尿素经肠道尿素酶水解产生的氨 临床上对高血氨病人采用弱酸性透析液做结肠透析, 就是为了减少氨的吸收 3. 机体中部分由谷氨酰胺分解产生的氨分泌到肾小管中与尿中的 H+ 结合成 NH4+, 以铵盐的形式由尿排出体外, 但碱性尿可妨碍肾小管细胞中氨的分泌, 此时氨被吸收入血, 成为血氨的一个来源 ( 二 ) 氨的转运 1. 丙氨酸 - 葡萄糖循环 通过这个循环, 使肌肉中的氨以无毒氨基酸形式运输到肝, 同时, 肝也为肌肉提供了生成丙酮酸的葡萄糖 2. 谷氨酰胺的运氨作用 脑 肌肉等组织产生的氨与谷氨酸合成谷氨酰胺, 经血液运送到肝或肾代谢 谷氨酰胺尤其在脑转运氨的过程中起重要作用 ( 三 ) 尿素的生成 1. 肝是尿素合成的主要器官, 肾及脑等其他组织也能合成尿素, 但合成量甚微 通过鸟氨酸循环,2 分子氨,1 分子二氧化碳反应生成 1 分子尿素 2. 鸟氨酸循环的步骤 此反应不可逆, 消耗 2 分子 ATP,CPS-I 是一种别构酶,AGA 是其别构激活剂 CPS-I AGA 都存在于肝细胞线粒体中, 所以此步反应在线粒体中进行 2 瓜氨酸的合成 : 鸟氨酸与氨基甲酰磷酸缩合生成瓜氨酸 此步也在线粒体中进行 3 精氨酸的合成 : 此步反应在胞液中进行, 天冬氨酸起着供给尿素合成第 2 个 NH3 分子的作用, 而天冬氨酸又可由其他氨基酸通过转氨基作用而生成, 故尿素合成需要的第 2 个 NH3 分子也可以来自于其他多种氨基酸, 不过是以天冬氨酸的形式参与尿素合成 此步要消耗 1 分子 ATP,2 个高能磷酸键 第 44 页

45 4 精氨酸水解生成尿素 : 在胞液中, 精氨酸受精氨酸酶的作用, 水解生成尿素和鸟氨酸 鸟氨酸再转运进入线粒体, 参与瓜氨酸合成 如此反复, 完成尿素循环 从以上过程中, 应该注意以下几点 : 1. 尿素合成是一个耗能的过程, 合成 1 分子尿素需要消耗 3 分子 ATP,4 个高能磷酸键 2. 第 3 步中延胡索酸 天冬氨酸的转化, 可使三羧酸循环与尿素循环联系起来 因为延胡索酸是三羧酸循环的中间物质, 循环中其他物质可转化为延胡索酸, 再转化为天冬氨酸, 即可加入到鸟氨酸循环中来 3. 尿素分子中 2 个 N 原子 ; 一个来自氨, 一个来自于天冬氨酸或其他氨基酸 4. 第 3 步中需要精氨酸代琥珀酸合成酶 此酶是尿素合成的限速酶 5. 在线粒体中存在 CPS-I, 催化以氨为氮源合成氨基甲酰磷酸, 并进一步参与尿素合成, 在胞液中还存在 CPS-Ⅱ, 以谷氨酰胺的酰胺基为氮源, 催化合成氨基甲酰磷酸, 并进一步参与嘧啶的合成 两种 CPS 催化合成的产物虽然相同, 但其生理意义不同 :CPS-Ⅰ 参与尿素合成, 是肝细胞高度分化的结果, 因而 CPS-Ⅰ 的活性可作为肝细胞分化程度的指标之一 CPS-Ⅱ 参与嘧啶核苷酸的合成, 与细胞增殖中核酸的合成有关, 因而它的活性可作为细胞增殖程度的指标之一 而分化和增殖常是细胞相对立的两个生理过程, 肝细胞再生时, 需嘧啶合成增加,CPS-Ⅱ 活性升高,CPS-Ⅰ 活性降低, 再生完成,CPS-Ⅰ 活性增加,CPS-Ⅱ 活性降低 ( 四 ) 尿素合成的调节 1. 食物的影响 : 高蛋白质膳食者尿素的合成速度加快 2.CPS-Ⅰ 的调节 : 精氨酸可别构激活乙酰谷氨酸合成酶, 使 AGA 含量增加, 而 AGA 是 CPS- Ⅰ 的别构激活剂, 故精氨酸浓度增高时, 尿素合成增加, 临床上治疗血氨增高, 肝昏迷患者常需补充精氨酸, 促进尿素合成, 降低血氨含量 ( 五 ) 高血氨症和氨中毒 当肝功能严重损伤时, 尿素合成障碍, 血氨浓度升高, 即为高氨血症 氨进入脑组织中, 与 α- 酮戊二酸结合生成谷氨酸, 谷氨酸再与氨结合生成谷氨酰胺, 因此脑中氨的增加使脑细胞的 α- 酮戊二酸减少, 三羧酸循环减弱,ATP 生成减少, 引起大脑功能障碍, 严重时可昏迷 五 个别氨基酸的代谢 除了氨基酸共有的代谢途径外, 有些氨基酸有其特殊的代谢途径 ( 一 ) 氨基酸的脱羧基作用 第 45 页

46 体内部分氨基酸可进行脱羧基作用, 生成相应的胺, 这在前面蛋白质腐败中已讲过 催化这些反应的酶是氨基酸脱羧酶, 辅酶是磷酸吡哆醛, 它也是转氨酶的辅酶 几种重要的胺类物质的产生 1.γ- 氨基丁酸 : 由谷氨酸脱羧基生成, 是抑制性神经递质 2. 牛磺酸 : 由半胱氨酸代谢转变而来, 是结合胆汁酸的成分 3. 组胺 : 由组氨酸生成, 在炎症反应和创伤性休克中是重要的活性物质 4.5- 羟色胺 : 由色氨酸经羟化, 脱羧作用生成 5. 多胺 : 如鸟氨酸脱羧基生成腐胺, 然后再转变成精脒和精胺, 是重要的多胺类物质, 催化此反应的限速酶是鸟氨酸脱羧酶, 凡生长旺盛的组织如再生肝 癌瘤组织等此酶活性强, 多胺含量高, 故临床上测癌症患者血尿中多胺含量作为观察病情的指标之一 ( 二 ) 一碳单位的代谢 1. 定义 : 某些氨基酸在分解代谢过程中可以产生含有一个碳原子的基团, 称一碳单位 体内的一碳单位有 : 甲基 甲烯基 甲炔基 甲酰基和亚氨甲基等 CO2 不属于此种一碳单位, 一碳单位常结合于四氢叶酸分子的 N5,N10 位上而转运, 故四氢叶酸可看作是其辅酶 2. 来源 : 一碳单位主要来源于丝氨酸 甘氨酸 组氨酸及色氨酸的代谢 甘氨酸和丝氨酸代谢产生 N5,N10- 甲烯四氢叶酸, 组氨酸产生 N5- 亚氨甲基四氢叶酸, 色氨酸产生 N10- 甲酰四氢叶酸 3. 一碳单位的相互转变 : 在适当条件下, 它们可以通过氧化还原反应而彼此转变, 但是 N5 甲基甲氢叶酸的生成基本是不可逆的, 也就是说 N5- 甲基四氢叶酸不能转化为其他类型一碳单位, 它的主要作用是提供甲基 4. 一碳单位的生理功能 : 1 一碳单位的主要生理功能是作为合成嘌呤及嘧啶的原料, 故在核酸生物合成中占有重要地位 2 因为一碳单位可由氨基酸转变而来, 而其又可作为核酸合成的原料, 故一碳单位将氨基酸和核酸代谢密切联系起来 一碳单位代谢障碍, 可造成某些疾病, 因为其会影响核酸合成, 使细胞分裂受到阻碍, 磺胺药即是通过干扰细菌四氢叶酸合成, 影响一碳单位代谢, 进而影响细菌核酸合成而抑制细菌生长增殖 ( 三 ) 含硫氨基酸代谢 第 46 页

47 体内含硫氨基酸有三种 : 蛋 半胱 胱氨酸 蛋氨酸即甲硫氨酸是必需氨基酸 1. 甲硫氨酸的代谢 SAM 即 S- 腺苷甲硫氨酸, 是体内活性甲基的供体, 在甲基转移酶的作用下, 将甲基转移给其他物质, 生成多种含甲基的重要生理活性物质如 : 肾上腺素 肌酸 肉毒碱 胆碱等, 包括 DNA RNA 合成过程中的甲基化, 其甲基也是由 SAM 提供的 甲基化作用是体内重要的代谢反应 (2) 甲硫氨酸循环 体内的甲硫氨酸通过上述反应提供甲基后, 转变为同型半胱氨酸, 后者可接受 N5- 甲基四氨叶酸提供的甲基, 重新生成甲硫氨基, 形成一个循环过程, 故 N5- 甲基四氢叶酸可看作是体内甲基的间接供体 N5- 甲基四氢叶酸提供甲基生成甲硫氨酸的反应是目前已知体内能利用 N5- 甲基四氢叶酸的唯一反应 催化此反应的酶是甲硫氨酸合成酶, 也是一种转甲基酶, 辅酶是 VitB12 故 VitB12 缺乏时, 不仅不利于甲硫氨酸循环, 也影响四氢叶酸的再生, 影响一碳单位代谢, 导致核酸合成障碍, 影响细胞分裂, 可产生巨幼红细胞性贫血 (3) 肌酸的生成 : 精氨酸 + 甘氨酸鸟氨酸 + 胍乙酸, 胍乙酸 +SAM 甲基转移酶肌酸 +S- 腺苷同型半胱氨酸 在肌酸激酶催化下, 肌酸变成磷酸肌酸, 并储存能量 肌酸和磷酸肌酸代谢的终产物是肌酸酐, 由尿中排出 2. 半胱氨酸与胱氨酸 : 体内许多重要酶的活性与其分子中所含半胱氨酸残基上的巯基有关, 而两个半胱氨酸残基之间形成的二硫键对维持蛋白质结构有重要作用 3. 硫酸根的代谢 : 含硫氨基酸氧化分解可产生硫酸根, 其代谢过程如下 : PAPS 称为 3 - 磷酸腺苷 -5 - 磷酸硫酸, 其中硫酸根称活性硫酸根, 可使某些物质形成硫酸酯, 这些反应在肝生物转化作用中有重要意义, 很多物质可通过此而被灭活或增加水溶性易排出体外, 如激素 药物 毒物等 此外,PAPS 还可参与硫酸角素及硫酸软骨素等分子中硫酸化氨基糖的合成 ( 四 ) 芳香族氨基酸的代谢 1. 苯丙氨酸的代谢 : 苯丙氨酸的主要代谢是经羟化作用, 生成酪氨酸, 催化此反应的酶是苯丙氨酸羟化酶, 辅酶是四氢生物蝶呤, 反应不可逆 第 47 页

48 2. 酪氨酸的代谢 : FREEKA~1.TXT 1 多巴胺生成减少可致帕金森氏症 2 多巴胺 去甲肾上腺素 肾上腺素统称儿茶酚胺, 是体内重要的活性物质 3 酪氨酸酶缺乏, 可致白化病 3. 酪氨酸和苯丙氨酸可转化为延胡索酸和乙酰乙酸, 故二者是生糖兼生酮氨基酸 4. 苯酮酸尿症是当苯丙氨酸羟化酶缺乏时, 苯丙氨酸不能转化为酪氨酸, 在体内累积, 经转氨基作用生成苯丙酮酸, 此时尿中可出现大量苯丙酮酸, 称苯酮酸尿症, 苯丙酮酸对中枢神经系统有毒性, 影响患儿智力发育, 故这是一种严重的疾病 5. 色氨酸可生成 5- 羟色胺 一碳单位 尼克酸 ( 五 ) 支链氨基酸的代谢 包括异亮 亮 缬氨酸, 它们都是必需氨基酸, 主要在骨骼肌中分解代谢 核苷酸代谢 考点 : 核苷酸的生物学功能 ; 嘌呤 嘧啶核苷中从头合成中期碱基环上 C N 原子来源的物质及补救合成 ; 核苷酸抗代谢物及其分解代谢产物 ; PRPP(5- 磷酸核糖焦磷酸 ) 参与的几个主要反应过程 ; 脱氧核苷酸的生成 重点 : 核苷酸从头合成中其碱基环上各原子的物质来源及各种核苷酸抗代谢物的代表物质 基本知识与理论 : 一 核苷酸的生物学功能 1. 作为核酸合成的原料 2. 构成能量物质, 如 ATP GTP CTP 等 第 48 页

49 3. 参与代谢和生理调节, 如 camp 是体内重要第二信使物质, 参与信号转导 4. 组成辅酶, 如腺苷是多种辅酶的组成成分 5. 组成活性中间代谢物, 核苷酸是多种活性中间代谢物的载体如 UDP 葡萄糖,CDP- 甘油二酯,SAM 等 二 核苷酸的合成代谢 ( 一 ) 嘌呤核苷酸的合成 肝组织主要进行从头合成途径, 脑 骨髓则只能进行补救合成 1. 从头合成 嘌呤核苷酸的从头合成在胞液中进行 从头合成的特点就是反应一开始就沿着生成核苷酸的途径进行, 即在 5- 磷酸核糖上逐个加上碱基环的各原子, 而不是先合成碱基再与 5- 磷酸核糖反应 碱基上的元素来源 :1 位氮来源于天冬氨酸,2 位碳来自于 N10- 甲酰四氢叶酸,3 位和 9 位氮来源于谷氨酰胺,6 位碳来自 CO2,4 位 5 位碳和 7 位氮来自甘氨酸,5 位碳来自 N5 N10- 甲炔四氢叶酸 反应分配阶段 : 先合成次黄嘌呤核苷酸, 再由次黄嘌呤核苷酸转变为嘌呤核苷酸 补救合成生理意义 : 可以节省从头合成所需的能量和氨基酸的消耗, 而且体内某些组织器官只能进行补救合成 ( 二 ) 嘧啶核苷酸的合成 1. 从头合成途径 与嘌呤核苷酸为从头合成不同, 嘧啶核苷酸的从头合成是先合成嘧啶环然后再与磷酸核糖相连而成 反应先生成 UMP 再转化为 CMP TMP, 其中有一步 PRPP 参与的反应 : 提供核糖给嘧啶环 乳清酸 +PRPP 磷酸核糖转移酶乳清苷酸 嘧啶环上的元素来源 :1 位氮,4 5 6 位碳皆来自天冬氨酸,2 位碳,3 位氮来自于氨基甲酰磷酸, 前已讲过氨基甲酰磷酸在胞液中由谷氨酰胺和 CO2 在 CPS-Ⅱ 催化下合成, 谷氨酰胺和 CO2 生成谷氨酸和氨基甲酰磷酸, 故嘧啶环上的 3 位氮实际上是来自于谷氨酰胺, 而不是谷氨酸 第 49 页

50 2. 补救合成 FREEKA~1.TXT 另外,AMP GMP 的生成互不影响, 但彼此之间都可相互促进, 如 AMP 抑制 AMP 的合成, 而不抑制 GMP,ATP 却可促进 GMP 生成 2. 嘧啶核苷酸 :CPS-Ⅱ 受 UMP 抑制, 因为反应需 PRPP 提供核糖, 所以 PRPP 合成酶也是重要的酶, 同样受嘧啶核苷酸的反馈抑制 ( 四 ) 脱氧核苷酸的生成 包括嘧啶 嘌呤脱氧核苷酸, 并非是先形成脱氧核糖, 再与碱基相连的, 而是在二磷酸核苷的水平上, 通过相应的核糖核苷酸的直接还原作用, 由核糖核苷酸还原酶催化生成的 由 NADPH+H+ 提供氢 硫氧化还原蛋白作为电子载体 三 核苷酸的分解代谢 ( 一 ) 嘌呤核苷酸分解代谢 ( 二 ) 嘧啶核苷酸分解代谢 胞嘧啶和尿嘧啶分解产物是 β- 丙氨酸, 胸腺嘧啶代谢产物是 β- 氨基异丁酸 嘧啶碱的代谢产物易溶于水, 可直接随尿排出或进一步分解 四 核苷酸的抗代谢物 核苷酸的抗代谢物是一些碱基 氨基酸或叶酸等的类似物, 它们以多种方式干扰或阻断核苷酸的合成代谢, 从而进一步阻止核酸及蛋白质的生物合成, 这些代谢物具有抗肿瘤作用 1. 次黄嘌呤类似物主要是 6- 巯基嘌呤, 它还可在体内生成 6- 巯基嘌呤核苷酸, 故其通过多种方式作用于多步反应过程, 从而阻断嘌呤核苷酸的从头合成和补救合成 嘧啶类似物主要有 5- 氟尿嘧啶, 其结构与胸腺嘧啶相似, 但其本身并无生物学活性, 必须在体内转化为一磷酸脱氧核糖氟尿嘧啶核苷 (FdUMP) 和三磷酸氟尿嘧啶核苷 (FUTP) 后才能发挥作用 FdUMP 与 dump 结构相似, 阻断 TMP 合成 FdUMP 掺入 RNA 分子破坏其结构 2. 氨基酸类似物有氮杂丝氨酸, 其结构与谷氮酰胺相似 3. 叶酸类似物有氨基蝶呤和氨甲蝶呤, 后者在临床上常用于白血病的治疗 4. 阿糖胞苷, 环胞苷是改变了核糖结构的核苷类似物, 能影响 DNA 的合成 物质代谢的联系与调节 第 50 页

51 考点 : 物质代谢的特点 ; 物质代谢之间的联系 ; 组织器官的代谢特点 ; 机体从各个水平上的代谢调节 重点 : 本章是重要的一章, 它将体内各种物质代谢联系起来, 从整体上进行考虑, 因此物质代谢之间的联系, 以及一些重要组织器官进行的比较等特异的代谢反应都是重点 代谢调节中对酶变构调节及共价修饰调节也是应掌握的重点 机体的整体调节亦应理解掌握 一 物质代谢的特点 ( 一 ) 整体性 : 体内各种物质代谢相互联系 相互转变, 构成统一整体 ( 二 ) 代谢在精细的调节下进行 ( 三 ) 各组织器官物质代谢各具特色, 如肝是物质代谢的枢纽, 常进行一些特异反应 ( 四 ) 各种代谢物均有各自共同的代谢池, 代谢存在动态平衡 ( 五 )ATP 是共同能量形式 ( 六 )NADPH 是合成代谢所需还原当量但分解代谢常以 NAD 为辅酶 二 代谢途径间的相互联系 ( 一 ) 能量代谢上的相互联系 糖 脂 蛋白质代谢可互相替代并互相制约 一般情况下 : 以糖 脂供能为主, 蛋白质是组成细胞的重要成分, 通常并无多余储存, 机体尽量节约蛋白质的消耗, 且糖 脂代谢之间相互制约, 如脂肪分解加强会抑制糖分解 短期饥饿 : 糖供不足, 糖原很快耗尽, 分解蛋白质加速糖异生来供能, 脂肪酸分解也加强 长期饥饿 : 长期糖异生增加, 会使蛋白质大量分解, 不利于机体, 此时, 脂肪分解大大加强, 以脂肪酸和酮体为主要能源 第 51 页

52 ( 二 ) 物质代谢之间的联系 FREEKA~1.TXT 糖 脂 蛋白质代谢之间相互联系, 相互转变, 一种物质代谢障碍可引起其他物质代谢紊乱 1. 糖代谢和脂肪代谢的联系 1 糖可以转变为脂肪 : 葡萄糖代谢产生乙酰 CoA, 羧化成丙二酰 CoA, 进一步合成脂肪酸, 糖分解也可产生甘油, 与脂肪酸结合成脂肪, 糖代谢产生的柠檬酸,ATP 可变构激活乙酰 CoA 羧化酶, 故糖代谢不仅可为脂肪酸合成提供原料, 促进这一过程的进行 2 脂肪大部分不能变为糖 : 脂肪分解产生甘油和脂肪酸 脂肪酸分解生成乙酰 CoA 但乙酰 CoA 不能逆行生成丙酮酸, 从而不能循糖异生途径转变为糖 甘油可以在肝 肾等组织变为磷酸甘油, 进而转化为糖, 但甘油与大量由脂肪酸分解产生的乙酰 CoA 相比是微不足道的, 故脂肪绝大部分不能转变为糖 2. 糖与氨基酸代谢的联系 1 大部分氨基酸可变为糖 : 除生酮氨基酸 ( 亮氨酸 赖氨酸 ) 外, 其余 18 种氨基酸都可脱氨基生成相应的 α- 酮酸, 这些酮酸再转化为丙酮酸, 即可生成糖 2 糖只能转化为非必需氨基酸 : 糖代谢的中间产物如丙酮酸等可通过转氨基作用合成非必需氨基酸, 但体内 8 种必需氨基酸, 体内不能转化合成 3. 脂肪代谢与氨基酸代谢的联系 1 蛋白质可以变为脂肪, 各种氨基酸经代谢都可生成乙酰 CoA, 由乙酰 CoA 可合成脂肪酸和胆固醇, 脂肪酸可进一步合成脂肪 2 脂肪绝大部分不能变为氨基酸 : 脂肪分解成为甘油 脂肪酸, 甘油可转化为糖代谢中间产物, 再转化为非必需氨基酸, 脂肪酸分解成乙酰 CoA, 不能转变为糖, 也不能转化为非必需氨基酸 脂肪分解产生甘油与大量乙酰 CoA 相比含量太少, 所以脂肪也大部分不能变为氨基酸 所以食物中的蛋白质不能为糖 脂代替, 蛋白质却可代替糖 脂 4. 核酸代谢与氨基酸代谢的联系 氨基酸是核酸合成的重要原料如嘌呤合成需要甘氨酸 天冬氨酸及氨基酸代谢产生的一碳单位等 合成核苷酸所需的核糖由葡萄糖代谢的磷酸戊糖途径提供 三 组织 器官的代谢特点及联系 各组织 器官由于酶的组成 含量不同, 代谢既有共同之处, 又各具特点 ( 一 ) 肝 : 是三大物质代谢的枢纽, 其中有几条代谢途径是其他组织器官不能进行或很少进行的 第 52 页

53 1. 糖原合成 : 肌肉也可合成糖原, 但其量无法与肝糖原相比 2. 糖原分解 : 肝有葡萄糖 -6- 磷酸酶, 可将糖原分解为葡萄糖, 维持血糖恒定, 肌肉无此酶, 故肌糖原不能补充血糖 3. 糖异生 : 肝在饥饿时, 可异生糖维持血糖浓度, 肾只有在长期饥饿时, 异生能力才大大加强 4. 合成尿素 : 肾也能合成, 但量甚微, 肝是解毒含氮废物的主要器官 5. 合成酮体 : 肾也可生成酮体, 但量甚少, 可以看作是肝的独有功能 ( 二 ) 心脏 : 可以多种物质供能, 如酮体 乳酸 脂肪酸等, 所以 ATP 供给充足 ( 三 ) 脑 : 几乎以葡萄糖为唯一能源, 无糖原储存, 也不能利用脂肪酸, 长期饥饿时, 可以酮体供能 ( 四 ) 肌肉 : 以脂肪酸供能为主, 剧烈运动以无氧糖酵解为主 ( 五 ) 红细胞 : 糖酵解是其唯一供能途径 ( 六 ) 脂肪组织 : 合成储存脂肪的重要组织 ( 七 ) 肾 : 可糖异生, 生成酮体, 是除肝外, 唯一可进行此两种代谢的器官, 但正常情况下, 与肝相比, 不占主要地位 肝是调节 联系全身器官代谢的中心机构 如通过乳酸循环将肌肉 肝代谢联系起来 又如脂肪组织分解脂肪产生的甘油运至肝, 可生成糖 大量脂肪酸可在肝中生成酮体, 酮体又可成为肝外组织很好的能源物质 所以全身器官 组织代谢是相互联系的, 通过各种代谢之间的联系和调节, 将机体统一为一个整体 四 代谢调节 正常情况下, 机体各种代谢途径是相互联系, 相互协调进行的, 以适应内外环境不断变化, 保持机体内环境的稳态, 这是因为机体的物质代谢有一整套精细的调节系统, 如血糖浓度, 正常生理条件下, 无论饱食或饥饿, 差别并不大, 这就是在机体调节下, 使各种代谢相互协调, 从而有利于保持机体正常的生理环境 代谢调节普遍存在于生理界, 进化程度越高的生物其代谢调节方式愈复杂 从细胞水平 激素水平 整体水平进行代谢调节称为机体三级水平代谢调节 其中细胞水平代谢调节是基础, 激素及整体水平的调节都是通过细胞水平的调节实现的 ( 一 ) 细胞水平的代谢调节 实际上就是酶的调节, 这是单细胞生物主要的调节方式, 这也是一切代谢调节的基础, 包括酶结构的调节和酶量的调节 第 53 页

54 1. 细胞内酶的隔离分布 代谢途径有关酶类常常组成酶体系, 分布于细胞的某一区域或亚细胞结构中, 这就使得有关代谢途径只能分别在细胞不同区域内进行, 不致使各种代谢途径互相干扰, 要记住体内主要代谢过程发生的亚细胞定位, 如脂肪酸 β 氧化 三羧酸循环在线粒体中进行, 而脂肪酸合成, 糖异生在胞液中进行, 尿素合成在胞液和线粒体中进行 代谢反应进行的速度和方向是由此代谢途径中一个或几个具有调节作用的关键酶的活性决定的 这些调节代谢的酶称为关键酶 它们催化的反应有下述特点 :1 反应速度最慢, 因此又称限速酶, 它的活性决定整个途径的总速度 2 催化单向反应或非平衡反应, 它的活性决定整个途径的方向 3 酶活性可受多种代谢物或效应剂的调节 代谢调节主要通过对关键酶活性的调节而实现的, 可分为快速调节和迟缓调节两类 快速调节即对酶结构的调节, 分为变构调节和共价修饰两种, 这类调节方式效应快, 但不持久 迟缓调节即对酶含量的调节, 发生较慢, 但作用也持久 2. 关键酶的变构调节 1 变构酶定义在酶一章中已述 2 机制 : 变构酶常是由两个以上亚基组成的具有四级结构的铁蛋白质 在酶分子中与底物结合起催化作用的亚基称催化亚基, 与变构效应剂结合起调节作用的调节亚基, 个别酶催化, 调节部位位于同一亚基 变构效应剂通过非共价键与调节亚基结合, 引起酶构象改变, 不涉及酶共价键的变化, 从而影响酶与底物结合, 使酶催化活性受到影响, 酶构象的改变可表现为亚基的聚合或解聚等 3 意义 : 变构调节是细胞水平调节中一种较常见的快速调节, 代谢终产物常可对酶起变构抑制作用, 此即反馈调节, 使代谢物不致过多, 也不致过少, 也可使能量得以有效利用 变构调节可使不同代谢途径相互协调 3. 酶的化学修饰调节 1 定义 : 酶蛋白肽链上某些残基在酶的催化下发生可逆的共价修饰, 从而引起酶活性改变, 这种调节称为酶的化学修饰 2 特点 : 经绝大多数属此类调节方式的酶有无活性 ( 低活性 ) 和有活性 ( 或高活性 ) 两种形式 这两种形式通过共价外修饰, 可互相转变 以磷酸化为例, 酶蛋白分子中丝氨酸 苏氨酸 酪氨酸的羟基是磷酸化的位点, 但有些酶经磷酸化后活性升高, 而有些酶磷酸化后却活性降低, 在去磷酸化才是其活性状态 化学修饰引起酶的共价键变化, 且化学修饰发生的是酶促反应 一个酶分子可催化多个作用物 ( 酶蛋白 ) 出现组成变化, 故有放大效应, 催化效率比变构调节高 磷酸化, 脱磷酸化是最常见的化学修饰调节, 其本身也是酶促反应, 磷酸化由蛋白激酶催化, 脱磷酸化由磷蛋白磷酸酶催化, 酶发生磷酸化消耗的 ATP 比合成酶蛋白消耗的 ATP 要少得多, 因此, 是体内调节酶活性经济而有效的方式 对某一酶而言, 可同时受变构调节和化学修饰两种方式的调节, 然而当效应剂浓度过低, 变 第 54 页

55 构调节就不如共价修饰来得快而有效, 故在应激情况下, 共价修饰尤为重要 4. 酶量的调节 由于酶的合成 降解所需时间较长, 消耗 ATP 较多, 故酶量调节属迟缓调节 1 酶蛋白的诱导与阻遏 一般将加速酶合成的化合物称为诱导剂, 减少酶合成的称阻遏剂, 二者是在酶蛋白生物合成的转录或翻译过程中发挥作用, 但影响转录较常见, 通常底物多为诱导剂, 产物多为阻遏剂 而激素和药物也是常见的诱导剂 2 酶蛋白降解 改变酶蛋白分子的降解速度也能调节细胞内酶含量, 此过程主要靠蛋白水解酶来完成 ( 二 ) 激素水平的调节 这是高等生物体内代谢调节的重要方式 激素作用有较高的组织特异性和效应特异性 激素与靶细胞上特异受体结合, 引起细胞信号转导, 表现为一系列的生物学效应 按激素受体在细胞的部位不同, 可将激素分两大类 : 1. 膜受体激素 : 这类激素与受体结合后, 将信息传递到细胞内, 通过变构调节, 化学修饰来调节相关酶的活性从而调节代谢, 也可对基因表达进行调控 2. 胞内受体激素 : 这类激素与胞内受体结合 ; 通过影响基因转录, 进而促进或阻遏蛋白质或酶的合成, 从而对细胞代谢进行调节 ( 三 ) 整体调节 1. 饥饿 (1) 短期饥饿 1 肝糖原在饥饿早期即可耗尽 2 肌肉蛋白质分解加强, 用以加速糖异生 3 糖异生增强 ; 饥饿 2 天后, 肝糖异生明显增加, 用以满足脑和红细胞对糖的需要 4 脂肪动员加强, 酮体生成增多, 脂肪酸和酮体成为心肌 骨骼肌等的重要燃料, 一部分酮体可被大脑利用 5 组织对葡萄糖利用降低, 但饥饿初期大脑仍以葡萄糖为主要能源 第 55 页

56 (2) 长期饥饿 : FREEKA~1.TXT 一般饥饿 1 周以上为长期饥饿, 此时机体蛋白质降解减少, 主要靠脂肪酸和酮体供能 1 脂肪动员进一步加强, 肝生成大量酮体, 脑组织以利用酮体为主, 因其不能利用脂肪酸 2 肌肉以脂肪酸为主要能源 保证酮体优先供应脑组织 3 肌肉蛋白质分解减少, 乳酸和丙酮酸取代氨基酸成为糖异生的主要来源 负氮平衡有所改善 4 肾糖异生作用明显加强 2. 应激 应激状态, 交感神经兴奋, 肾上腺激素分泌增多, 血胰高血糖素和生长激素水平增加, 胰岛素分泌减少, 引起一系列代谢改变 (1) 血糖升高, 这对保证大脑, 红细胞的供能有重要意义 (2) 脂肪动员加强, 血浆脂肪酸升高, 成为骨骼肌 肾等组织的主要能量来源 (3) 蛋白质分解加强, 尿素生成及尿氮排出增加, 呈负氮平衡 总之应激时机体代谢特点是分解代谢增强, 合成代谢受到抑制, 以满足机体在此种紧张状态下对能量的需要 DNA 的合成 ( 复制 ) 考点 : DNA 复制 DNA 损伤与修复 逆转录过程有关的基本概念 包括 : 半保留复制, 半不连续复制, 复制叉, 复制子, 岡崎片段, 领头链, 随从链, 端粒, 端粒酶等 ; 复制的过程, 以及复制过程中涉及到的各种酶 蛋白因子 ; 并掌握原核生物与真核生物复制的相同点与不同点 逆转录过程, 熟悉逆转录酶的应用 ; DNA 突变的概念及突变类型 修复机制 重点 : DNA 分子在生物体内的合成三种方式 :DNA 复制 ; 修复合成 ; 反转录合成 难点 : 第 56 页

57 DNA 复制的基本过程, 以及所参与酶和因子 真核生物与原核生物的比较, 真核生物 DNA 复制有多个起始点 5 种 DNA 聚合酶以及有端粒复制等特点 DNA 复制 一 DNA 的复制的特征 1. 半保留复制 在 DNA 复制时, 亲代的每一条链均可作为模板合成一条新链 一条来自亲代的旧链与一条新链以氢键相连, 形成子代双链 DNA 由于两个子代分子中各有一条链来自亲代, 而另一条链是新生成的, 所以这就是半保留复制方式 2. 复制的起始点与方向 DNA 分子复制时, 在亲代分子的一个特定区域内双链打开, 随之以双链为模板复制生成两个子代 DNA 双链分子 开始时, 复制起始点呈现一叉形 ( 或 Y 形 ), 称为复制叉, 随复制进行, 复制叉向前移动 (1) 复制的起始点 DNA 复制要从 DNA 分子的特定部位开始, 此特定部位称为复制起始点 在原核生物中复制起始点常位于染色体的一个特定部位, 即只有一个起始点 真核生物的染色体在几个特定部位进行 DNA 复制, 有多个复制起点 (2) 复制的方向 复制的方向可以有三种不同的机制 其一是从两个起始点开始, 各以相反的单一方向生长出一条新链, 形成两个复制叉 例如腺病毒 DNA 的复制, 其二是从一个起始点开始, 以同一方向生长出两条链, 形成一个复制叉 其三是从两个起始点开始, 沿两个相反的方向各生长出两条链, 形成两个复制叉, 这种方式最为常见, 称为双向复制 3. 半不连续合成 DNA 的双螺旋结构中的两条链是反向平行的, 当复制开始解链时, 亲代 DNA 分子中一条母链的方向为 5 ~3, 另一条母链的方向为 3 ~5 DNA 聚合酶只能催化 5 ~3 合成方向 在以 3 ~5 方向的母链为模板时, 复制合成出一条 5 ~3 方向的前导链, 前导链的前进方向与复制叉的行进方向一致, 前导链的合成是连续进行的 而另一条母链仍以 3 ~5 方向作为模板, 复制合成一条 5 ~3 方向的随从链, 因此随从链会成方向是与复制叉的行进方向相反的 随从链的合成是不连续进行的, 先合成许多片段, 即冈崎片段 最后各段再连接成为一条长链 由于前导链的合成连续进行的, 而随从链的合成是不连续进行的, 所以从总体上看 DNA 的复制是半不连续复制 ( 二 ) 复制的过程和参与酶及因子 复制的过程分四个阶段 第一阶段, 亲代 DNA 分子超螺旋的构象变化及双螺旋的解链, 将复制的模板展现出来 第二阶段为复制的引发阶段, 有引物 RNA 进行 5 ~3 方向的合成 第三阶段为 DNA 链的延长, 在引物 RNA 合成基础上, 进行 DNA 链的 5 ~3 方向合成, 前导链连续地合成出一条长链, 随从链合成出冈崎片段 去除 RNA 引物后, 片段间形成了空隙, DNA 聚合酶作用使各个片段靠近 在连接酶作用下, 各片段连接成为一条长链 第四阶段 第 57 页