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1 生物化学 教材 : 生物化学 ( 第五版 ) 周爱儒主编人民卫生出版社课时 :46 学时教学参考资料 : 生物化学应试指南周爱儒主编北京医科大学出版社辅助资料 : 生物化学与分子生物学习题集于雪艳张莲英主编 第一章蛋白质的结构与功能 (6 学时 ) 本章重点 : 组成蛋白质的基本单位是氨基酸 蛋白质的结构分为一级结构和高级结构 高级结构又分为二级, 三级, 四级结构 蛋白质结构与功能密切相关 蛋白质的理化性质包括蛋白质的两性电离, 蛋白质的胶体性质, 蛋白质的变性, 蛋白质的紫外吸收, 蛋白质的呈色反应 蛋白质分离纯化的方法有丙酮沉淀及盐析, 电泳, 透析, 层析, 分子筛, 超速离心 本章难点 : 蛋白质的二级, 三级, 四级结构 蛋白质的两性电离, 蛋白质的变性 蛋白质分离纯化的方法及原理 一. 蛋白质的分子组成 基本要点 : ( 一 ). 氨基酸是组成蛋白质的基本单位 人体内组成蛋白质的氨基酸均为 L-α 氨基酸, 共有 20 种 20 种天然氨基酸按侧链的理化性质分为 4 类 : 1. 非极性疏水性氨基酸, 包括甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸七种 2. 极性中性氨基酸, 包括色氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺 苏氨酸等共 8 种氨基酸 3. 酸性氨基酸, 包括天冬氨酸和谷氨酸 4. 碱性氨基酸, 包括赖氨酸 精氨酸 组氨酸 氨基酸属于两性电解质, 因而具有两性解离的特点 在某一 ph 溶液中, 氨基酸解离成正 负离子的趋势相等, 即成为兼性离子, 氨基酸所带的正电荷和负电荷相等, 净电荷为零, 此溶液的 ph 值称为该氨基酸的等电点 色氨酸和酪氨酸在 280nm 波长处有最大光吸收, 而绝大多数蛋白质都含有色氨酸和酪氨酸, 因此紫外吸收法是分析溶液中蛋白质含量的简便方法 ( 二 ). 两分子氨基酸脱去一分子水后形成的酰胺键称为肽键 多肽链中肽键与 α- 碳原子 1

2 形成一条主链骨架, 氨基酸的侧链在此骨架上向外伸出, 按规定, 多肽链中氨基末端写在左侧, 羧基末端写在肽链的右侧, 如果把氨基酸序列标上数码, 应以氨基末端的氨基酸为 1 号, 从左向右顺序排列 氨基酸通过肽键相连而成肽链, 少于 10 个氨基酸的肽链称为寡肽, 大于 10 个氨基酸的肽链称为多肽 体内有许多生物活性肽 例如谷胱甘肽, 谷胱甘肽是由谷氨酸 半胱氨酸及甘氨酸组成的三肽, 第一个肽键不是 α- 肽键而由谷氨酸 γ- 羧基与半胱氨酸的氨基组成,GSH 的 SH 代表半胱氨酸残基上的疏基, 是该化合物的主要功能基团 功能 : 1. 解毒功能 :SH 基团的嗜核性, 能与外源的嗜电子毒物如致癌剂和药物等结合, 从而避免这些毒物和 DNA RNA 及蛋白质结合, 以保护机体免遭毒物损害 2.GSH 是细胞内重要还原剂, 它保护蛋白质分子中的 SH 基团免遭氧化, 使蛋白质或酶处在活性状态 3.GSH 上的氢, 在谷胱甘肽过氧化物酶的催化下, 能还原细胞内产生的 H2O2, 使其变成 H2O, 同时 GSH 成为氧化型即 GSSG, 后者又在谷胱甘肽还原酶催化下, 再生成 GSH 因此,GSH 是细胞内十分重要的还原剂 基本概念 : 1. 氨基酸的等电点 : 在某一 ph 溶液中, 氨基酸解离成正 负离子的趋势相等, 即成为兼性离子, 氨基酸所带的正电荷和负电荷相等, 净电荷为零, 此溶液的 ph 值称为该氨基酸的等电点 2. 肽键 : 一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱去 1 分子水, 所形成的酰胺键称为肽键 肽键的键长为 0.132nm, 具有一定程度的双键性质 参与肽键的 6 个原子位于同一平面 基本要求 : 掌握氨基酸的三字缩写符号, 氨基酸的理化性质, 肽键的概念 熟悉氨基酸的分类, 谷胱甘肽的作用 了解氨基酸的结构, 蛋白质的分类 二. 蛋白质的分子结构基本要点 : ( 一 ) 蛋白质的一级结构 : 多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构, 蛋白质一级结构中的主要化学键是肽键, 有些蛋白质还包含二硫键 蛋白质一级结构是高级结构的基础, 但不是唯一决定因素 ( 二 ) 蛋白质的二级结构 : 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构, 也就是该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 蛋白质二级结构包括 α 螺旋 β- 折叠 β- 转角和无规卷曲 维持蛋白质二级结构的化学键是氢键 1.α- 螺旋 :(1) 多肽链的主链围绕中心轴呈有规律的螺旋式上升, 螺旋的走向为顺时钟方向, 即右手螺旋 ;(2) 氨基酸侧链伸向螺旋外侧 ;(3) 每个肽键的亚氨基氢和第四个肽键的 2

3 羰基氧形成氢键, 依此类推, 肽链中的全部肽键都形成氢键, 以稳固 α- 螺旋结构 ;(4) 每 3.6 个氨基酸残基螺旋上升一圈, 螺距为 0.54nm, 所以每个氨基酸残基上升的高度为 0.15nm 2.β- 折叠 :(1) 多肽链充分伸展, 每个肽单元以 Cα 为旋转点, 依次折叠成锯齿结构 ;(2) 氨基酸侧链交替地位于锯齿状结构的上 下方 ;(3) 两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段平行排列, 通过链间羰基氧和亚氨基氢形成氢键, 从而稳固 β- 折叠结构 ;(4) 肽链有顺式平行和反式平行两种 3.β- 转角 :(1) 常发生于肽链 180 回折时的转角上 ;(2) 通常有 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亚氨基氢可形成氢键 4. 无规卷曲 : 没有确定规律性的那部分肽链结构 ( 三 ) 蛋白质的三级结构 : 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置, 即整条肽链所有原子在三维空间的排布位置 蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键 疏水作用, 离子键 氢键和 Van der waals 等 一些蛋白质的三级结构可形成数个结构域, 各结构域都有特殊的功能 例如纤连蛋白每条多肽链含有 6 个结构域, 分别与细胞, 胶原,DNA, 肝素等结合 ( 四 ) 蛋白质的四级结构 : 有些蛋白质分子含有二条或多条肽链, 才能完整地表达功能, 每一条多肽链都有其完整的三级结构, 称为蛋白质的亚基, 亚基与亚基之间呈特定的三维空间分布, 并以非共价链相连接, 蛋白质分子中各亚基的空间分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 维系四级结构的作用力主要是疏水作用, 氢键和离子键也参与维持四级结构 并非所有蛋白质都有四级结构 含有四级结构的蛋白质, 单独的亚基一般没有生物学功能 ( 五 ) 蛋白质空间构象的正确形成, 除一级结构为决定因素外, 还需分子伴侣的参与 分子伴侣是一类帮助新生多肽链正确折叠的蛋白质, 其作用 :1. 蛋白质在合成时, 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开, 如此重复进行可防止错误的聚集发生, 使肽链正确折叠 2. 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合, 使之解聚后, 再诱导其正确折叠 3. 分子伴侣对蛋白质分子中二硫键的正确形成, 起到重要作用 基本概念 : 1. 肽单元 (peptide unit): 参与肽键的 6 个原子 Cα1,C,O,N,H,Cα2 位于同一平面,C α1 和 Cα2 在平面上所处的位置为反式 (trans) 构型, 此同一平面上的 6 个原子构成肽单元 2. 模序 (motif): 在许多蛋白质分子中, 二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 一个模序总有其特征性的氨基酸序列, 并发挥特殊的功能, 如锌指结构,α- 螺旋 - 环 -α- 螺旋 3

4 3. 结构域 (domain): 分子量大的蛋白质三级结构常可分割成 1 个和数个球状或纤维状的区域, 折叠得较为紧密, 具有独立的生物学功能, 称为结构域 如纤连蛋白含有 6 个结构域 4. 蛋白质的三级结构 (tertiary structure of protein): 在蛋白质二级结构的基础上, 侧链基团相互作用, 使多肽链进一步折叠卷曲, 形成的整条肽链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 5. 蛋白质的四级结构 (quaternary structrue of protein): 由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质, 每一条多肽链都有其完整的三级结构, 称为蛋白质的亚基 (subunit), 亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布, 并以非共价键相连接, 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 基本要求 : 掌握蛋白质的一级, 二级, 三级, 四级结构 三. 蛋白质结构与功能的关系基本要点 : ( 一 ) 蛋白质一级结构与功能的关系 : 以核糖核酸酶为例说明 核糖核酸酶是由 124 个氨基酸残基组成的一条多肽链, 有 4 对二硫键 加入尿素 ( 或盐酸胍, 作用是破坏氢键 ) 和 β- 巯基乙醇 ( 可将二硫键还原成巯基, 破坏二硫键 ), 导致此酶的二 三级结构遭到破坏, 酶活性丧失, 但肽键不受影响, 所以一级结构不变, 采用透析去除尿素和 β- 巯基乙醇后, 理论上二硫键的形成有 105 种方式, 即正错配对率低于 1%, 而实验结果发现正确配对率为 95%~100% 证明空间构象遭到破坏的核糖核酸酶, 只要其一级结构未被破坏, 松散的多肽链可循其特定的氨基酸顺序, 卷曲折叠成天然的空间构象, 酶活性又逐渐恢复至原来水平 再如镰刀型红细胞贫血 镰刀型红细胞贫血发生的根本原因是血红蛋白的一级结构发生了差错, 人血红蛋白 β 亚基的第 6 位氨基酸应该是谷氨酸, 而在镰刀型贫血的血红蛋白中却是缬氨酸, 本是水溶性的血红蛋白, 就会聚集成丝, 相互粘着, 导致红细胞变形成镰刀状而极易破裂, 产生贫血 ( 二 ) 蛋白质空间结构与功能的关系 : 以血红蛋白为例说明 Hb 由 2 条 α 链和 2 条 β 链组成 4 个亚基间通过 8 个盐键, 紧密结合形成亲水的球状蛋白 未结合 O2 时,α1 与 β1,α2 与 β2 呈对角排列, 结构紧密, 称紧张态 (tense state, T 态 ),Hb 与 O2 亲和力小, 此时 Fe 2+ 半径 比卟啉环中间的孔大, 高出卟啉环 0.075nm, 当第 1 个 O2 与 Fe 2+ 结合后,Fe 2+ 半径变小, 进入 卟啉环的孔中, 引起 F 肽的微小的移动, 影响附近肽段的构象,α1 α2 间的盐键断裂, 结 合松弛, 促进 α2 与 O2 结合, 依此方式影响第三 四个亚基与 O2 结合 随着与 O2 的结合,4 个亚基间的盐键断裂, 二 三 四级结构发生剧烈的变化,α2/β2 相对 α1/β1 移动 15 夹 4

5 角,Hb 结构变得松驰, 称为松驰态 (relaxed state, R 态 ), 最后四个亚基全处于 R 态 基本概念 : 1. 协同效应 : 指一个亚基与其配体结合后, 能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力, 如果是促进作用, 则称为正协同效应, 反之则为负协同效应 以血红蛋白为例, 当 Hb 的第一个亚基与 O2 结合以后, 促进了第二及第三个亚基与 O2 结合后, 又大大促进了第四个亚基与 O2 结合, 这种效应为正协同效应 2. 变构效应 : 一个蛋白质与它的配体 ( 或其它蛋白质 ) 结合后, 蛋白质的构象发生变化, 使它更适于功能需要, 这一类变化称为变构效应 例如 Hb 是变构蛋白, 小分子 O2 是 Hb 的变构剂或效应剂 基本要求 : 熟悉蛋白质一级结构与功能的关系, 蛋白质空间结构与功能的关系 四. 蛋白质的理化性质基本要点 : ( 一 ) 蛋白质的两性电离 : 蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外, 侧链中某些基团在一定条件下可解离成带正电荷或负电荷的基团 在某一 ph 溶液中, 蛋白质解离成正 负离子的趋势相等, 即成为兼性离子, 蛋白质所带的正电荷和负电荷相等, 净电荷为零, 此溶液的 ph 值称为该蛋白质的等电点 ( 二 ) 蛋白质的胶体性质 : 蛋白质分子颗粒大小在 1-100nm 胶体范围之内 维持蛋白质溶液稳定的因素有两个 :(1) 水化膜 : 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 (2) 同种电荷 : 在 ph pi 的溶液中, 蛋白质带有同种电荷 ph>pi, 蛋白质带负电荷 ;ph<pi, 蛋白质带正电荷 同种电荷相互排斥, 阻止蛋白质颗粒相互聚集, 发生沉淀 沉淀蛋白质的方法, 常用的有 :(1) 盐析法 : 在蛋白质溶液中加入大量的硫酸铵, 硫酸钠或氯化钠等中性盐, 破坏蛋白质的水化膜和同种电荷, 使蛋白质颗粒相互聚集, 发生沉淀 (2) 丙酮沉淀法 : 使用丙酮沉淀时, 必须在 0~4 低温下进行, 丙酮用量一般 10 倍于蛋白质溶液体积, 蛋白质被丙酮沉淀时, 应立即分离, 否则蛋白质会变性, 除了丙酮以外, 也可用乙醇沉淀 ( 三 ) 蛋白质的变性, 复性和凝固 : 在某些物理和化学因素 ( 如加热, 强酸, 强碱, 有机溶剂, 重金属离子及生物碱等 ) 作用下, 其特定的空间构象被破坏, 从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失, 称为蛋白质的变性 变性的蛋白质易于沉淀, 但是沉淀的蛋白质不一定变性 变性的蛋白质, 只要其一级结构仍完好, 可在一定条件下恢复其空间结构, 随之理化性质和 5

6 生物学性质也重现, 这称为复性 蛋白质在强酸, 强碱溶液中发生变性后, 仍能溶解于该溶液中 若将 ph 调至蛋白质的等电点, 变性蛋白质成絮状析出, 若再加热, 絮状物可形成比较坚固的凝块, 这就是蛋白质的凝固作用 ( 四 ) 蛋白质的紫外吸收 : 由于蛋白质分子中含有色氨酸和酪氨酸, 因此在 280nm 波长处有特征性吸收峰, 可作蛋白质定量测定 ( 五 ) 蛋白质的呈色反应 : 有茚三酮反应, 双缩脲反应等 基本概念 : 1. 蛋白质等电点 (pi): 在某一 ph 溶液中, 蛋白质解离成正 负离子的趋势相等, 即成为兼性离子, 蛋白质所带的正电荷和负电荷相等, 净电荷为零, 此溶液的 ph 值称为该蛋白质的等电点 2. 蛋白质的变性 (denaturation of protein): 在某些物理和化学因素 ( 如加热, 强酸, 强碱, 有机溶剂, 重金属离子及生物碱等 ) 作用下, 其特定的空间构象被破坏, 从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失, 称为蛋白质的变性 基本要求 : 掌握蛋白质的理化性质 五. 蛋白质的分离纯化 : 基本要点 : 蛋白质分离纯化的方法主要有 : 盐析 透析 超离心 电泳 离子交换层析 分子筛层析等方法 (1) 盐析是应用中性盐加入蛋白质溶液, 使蛋白聚集而沉淀 (2) 透析方法是利用仅能通透小分子化合物的半透膜, 使大分子蛋白质和小分子化合物分离, 达到浓缩蛋白质或去 除盐类小分子的目的 ( 3 ) 超离心 : 蛋 Á Љ 勸 꾠 6

7 橢橢쿽쿽 햰 l Ѭ Ѭ Ѭ Ҁ 8 ü Ĝ Ҁ 鄮 ž ( 逅 逇 逇 逇 逇 逇 逇 $ 錘 锸 F 逫 ½ Ѭ 逫 Á Љ 勸 꾠 7

8 橢橢쿽쿽 햰 l Ѭ Ѭ Ѭ 8

9 Ҁ 8 ü Ĝ Ҁ 鄮 ž ( 逅 逇 逇 逇 逇 逇 逇 $ 錘 锸 F 逫 ½ Ѭ 逫 活性中心的概念 ; 酶促反应的特点 ; 底物浓度 酶浓度 温度 ph 激活剂及抑制剂诸因素对酶促反应速度的影响; 竞争性抑制作用的特点 ; 酶原与酶原激活的概念 ; 变构调节及共价修饰调节的概念 特点 ; 同工酶的概念 本章难点 : 底物浓度对酶促反应速度的影响 ; 竞争性抑制作用的特点 ; 变构酶及共价修饰调节的概念 特点 一 酶的分子结构与功能要点 :1. 酶的分子组成 : 酶按分子组成分为单纯酶和结合酶 单纯酶 : 仅由氨基酸残基构成 ; 如 : 脲酶等 结合酶 : 由蛋白质 ( 酶蛋白 ) 和非蛋白质 ( 辅助因子 ) 组成, 全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子 辅助因子包括小分子有机化合物和金属离子 小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质, 常含维生素或维生素类物质 分为 :1 辅酶 : 与酶蛋白以非共价键疏松结合, 可用透析等简单方法分离 ;2 辅基 : 与酶蛋白以共价键牢固结合, 不能用透析等简单方法分离 主要作用 : 参与酶的催化过程, 在反应中传递电子 质子或一些基团 金属离子多为酶的辅基 常见的有 K + Na + Mg 2+ 等 分为 :1 金属酶 : 酶蛋白与金属离子结合紧密 ;2 金属激活酶 : 酶蛋白与金属离子结合松弛, 金属离子不与酶蛋白直接结合, 而是借助底物相连接 作用 : 作为酶活性中心的催化基团参与催化反应 传递电子 ; 作为连接酶与底物的桥梁 ; 稳定酶的构象所必需 ; 中和阴离子, 降低反应中的静电斥力 2. 酶的活性中心酶的必需基团 : 酶分子中与酶活性密切相关的基团 酶的活性中心 : 酶分子中有些必需基团在空间上彼此靠近, 具有严格空间构象, 能与底物特异结合并将底物转化为产物的区域 能与底物结合的称结合基团 ; 能影响底物中某些化学键的稳定性, 催化底物反应并将其转变为产物的称催化基团, 对结合酶来说, 辅酶或辅基参与酶活性中心的组成 有些位于活性中心外的侧链基团, 对维持活性中心的构象有重要作用, 称活性中心外必需基团 活性中心常位于酶蛋白分子表面, 为含较多疏水氨基酸残基的 裂缝 或 凹陷, 形成了有利于酶促反应发生的疏水环境 基本概念 : 酶的活性中心基本要点 : 掌握酶的活性中心的概念, 酶的分子组成 9

10 二. 酶促反应的特点与机制要点 : 酶与一般催化剂的共同点 : 反应前后的质和量不变 ; 只催化热力学允许的反应 ; 只能加速可逆反应的进程, 不改变反应的平衡点 但是酶又具有不同于一般催化剂的特点 ( 一 ) 酶促反应的特点 1. 酶促反应具有极高的效率 : 在常温条件下, 酶的催化效率通常比非催化反应高 10 8 ~10 20 倍, 比非酶催化剂催化反应高 10 7 ~10 13 倍 2. 酶促反应具有高度的特异性 : 一种酶只作用于一种或一类化合物, 催化一定的化学反应, 生成一定的产物, 称为酶的特异性 分为三类 :(1) 绝对特异性 : 酶只作用于特定结构的底物, 生成一种特定结构的产物 如脲酶只能催化尿素水解为 CO 2 和 NH 3 (2) 相对特异性 : 酶可作用于一类化合物或一种化学键 如磷酸酶可水解各种磷酸酯键 ; 蔗糖酶可以水解蔗糖或棉子糖中的同一种糖苷键等 (3) 立体异构特异性 : 一种酶仅作用于立体异构体中的一种 如乳酸脱氢酶仅催化 L- 乳酸水解, 而不作用于 D- 乳酸 3. 酶促反应的可调节性 : 酶促反应受到多种因素的调控, 使机体适应其内外环境的变化, 维持正常的生命活动 ( 二 ) 酶促反应的机制 1. 酶可降低反应所需的活化能 : 活化分子能量与底物分子能量的差值为反应所需的活化能 活化分子愈多, 反应速度愈快 酶能加快化学反应的机理在于酶能增加反应的活化能 2. 酶 - 底物复合物的形成及诱导契合假说 : 酶与底物相互接近时, 其结构相互诱导 相互变形和相互适应, 进而相互结合 这一过程为酶 - 底物结合的诱导契合假说 3. 酶促反应的机制 :(1) 邻近效应与定向排列 : 两种或数种底物分子在酶活性中心聚集 特异结合, 使活性中心的底物浓度增加 ; 底物受催化攻击部位对准活性中心的催化基团, 可增加催化效率 (2) 多元催化 : 一种酶常兼有酸 碱双重催化作用, 发生多个功能基团的协同作用, 提高酶的催化效率 (3) 表面效应 : 酶的活性中心提供的疏水环境可排除水分子对各功能基团的干扰性吸引或排斥, 防止底物与酶之间形成水化膜, 利于酶与底物结合 基本概念 : 基本要求 : 熟悉酶促反应与一般催化反应的共同点 ; 掌握酶促反应的特点 ; 了解酶促反应的机制及诱导契合学说三. 酶促反应动力学要点 : 酶促反应的动力学研究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 温度 ph 抑制剂 激活剂等 10

11 ( 一 ) 底物浓度对反应速度的影响 : 其他因素不变, 底物浓度的变化对反应速度作图呈矩形双曲线 底物浓度很低时, 反应速度与底物浓度呈正比 ; 底物浓度再增加, 反应速度的增加趋缓 ; 当底物浓度达某一值后, 反应速度达最大, 反应速度不再增加 1. 米 - 曼氏方程 : 解释底物浓度和反应速度关系的最合理学说是中间产物学说 根据此学说 得出了反应速度与底物浓度关系的数学方程式 即米氏方程 : V [ max S] v =, V max 为最大反 K [ S] m + 应速度, K m 为米氏常数,

12 橢橢쿽쿽 12 햰 l Ѭ Ѭ Ѭ Ҁ 8 ü Ĝ Ҁ 鄮 ž ( 逅 逇 逇 逇 逇 逇 逇 $ 錘 锸 F 逫 ½ Ѭ 逫 是 : 单位时间内每个被底物饱和时的酶分子 ( 或活性中心 ) 催化底物转变为产物的分子数 3.Km 值和 Vmax 值的测定 : 可利用林 - 贝氏双倒数作图法准确的测得 K m 值和 V max 值 ( 二 ) 酶浓度对反应速度的影响 : 当 [S]>>[E], 使酶达饱和时, 反应速度与酶浓度的变化近似成正比关系 ( 三 ) 温度对反应速度的影响 : 升高温度可加快酶促反应速度, 同时也会加速酶蛋白变性, 酶促反应速度降低 酶促反应速度最快时的环境温度称为该酶促反应的最适温度 酶的最适温度不是酶的特征性常数, 酶可在短时间内耐受较高的温度, 延长反应时间酶的最适温度会降低 由于低温时酶活性虽降低但不被破坏, 故保存菌种和酶制剂需低温条件 测定酶活性时, 常控制反应体系在最适温度 ( 四 )ph 对酶促反应速度的影响 :ph 影响酶活性中心某些必需基团 辅酶及许多底物的解离状态, 因而,PH 的改变对酶的催化作用影响很大 酶促反应速度最快时的环境 ph 称为酶促反应的最适 ph 环境 ph 高于或低于最适 ph, 酶活性都降低 动物体内多数酶的最适 ph 接近体液中性 ph, 但胃蛋白酶最适 ph 约为 ph1.8, 肝精氨酸酶最适 ph 约为 ph9.8 酶的最适 ph 也不是酶的特征常数 在测定酶活性时, 应选用适宜 ph 的缓冲液保持酶活性相对衡定 ( 五 ) 抑制剂对反应速度的影响 : 能使酶活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称酶的抑制剂 抑制剂与酶活性中心内 外的必需基团结合而抑制酶的活性 除去抑制剂可使酶的活性恢复 根据抑制剂与酶结合牢固或疏松, 分为可逆性抑制与不可逆性抑制 1. 不可逆性抑制作用 : 抑制剂以共价键与酶活性中心的必需基团牢固结合, 使酶失活, 不能用透析超滤等简单方法消除的称不可逆性抑制作用 有机磷化合物能共价结合胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基, 胆碱酯酶失活 重金属离子如 Hg 2+ Ag + 及 As 3+ 可与酶分子的巯基共价结合, 使酶失活 临床药物解磷定 (PAM) 可解除有机磷化合物对胆碱酯酶的抑制 二巯基丙醇 (BAL) 可解重金属盐引起的巯基酶中毒 2. 可逆性抑制作用 : 以非共价键与酶或酶 - 底物复合物疏松结合, 利用透析或超滤等简单方 12

13 法可除去其抑制, 使酶恢复活性, 称可逆性抑制作用 分为以下三种 :(1) 竞争性抑制作用 : 抑制剂与底物结构相似, 可与底物竞争酶的活性中心, 阻碍酶与底物结合形成中间产物, 抑制酶的活性 增加底物浓度, 可减弱竞争性抑制剂的抑制作用 竞争性抑制存在时 V max 不变 K m 值增大 如丙二酸与琥珀酸的结构相似, 丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂 磺胺类 药物的作用机理 : 细菌生长有赖于核苷酸及核酸的合成 核苷酸的合成需 FH 4,FH 4 由 FH 2 还原生成 FH 2 可在二氢叶酸合成酶作用下以对氨基苯甲酸 蝶呤 谷氨酸为底物合成 磺 胺类药物与对氨基苯甲酸结构相似, 能作为二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂, 阻断 FH 2 合成 细菌因核苷酸与核酸的合成受阻而生长繁殖减弱 (2) 非竞争性抑制作用 : 抑制剂结合酶活 性中心外必需基团, 与底物无竞争关系, 最终形成的酶 - 底物 - 抑制剂复合物不能释放出产物 而抑制酶的活性 非竞争性抑制存在时 V max 降低 表观 K m 值不变 (3) 反竞争性抑制作用 : 抑 制剂与酶 - 底物中间复合物 (ES) 结合成难以解离的 ESI 复合物,ES 的量 产物生成的量都相 应减少, 使酶促反应速度下降 反竞争性抑制存在时 V max 降低 K m 值降低 ( 六 ) 激活剂对反应速度的影响 : 可使酶活性由无到有或由低到高的一类物质称为酶的激活 剂 大多数激活剂为金属离子, 如 Mg 2+ K + 等 ; 少数为阴离子, 如 Cl - 等 还包括某些有机 化合物, 如胆汁酸盐等 使酶由无活性变为有活性的激活剂称为必需激活剂, 大多数金属离 子属于此类 ; 能使酶由低活性变为高活性者为酶的非必需激活剂, 如 Cl - 可增强唾液淀粉酶的 活性, 胆汁酸盐可增强胰脂肪酶的活性等 激活剂作用是能与酶 底物或酶 - 底物复合物结合 参加反应, 或参与酶活性中心的构成, 加快酶促反应速度 ( 七 ) 酶活性的测定与酶活性单位 : 酶活性指酶催化某种化学反应的能力, 以酶促反应速度 表示 测定酶活性时, 反应体系中应有足够的底物浓度及酶浓度, 最适温度及最适 ph, 并应 含有适宜的辅因子 激活剂等, 以保证获得高的反应速度 另外, 还要排除样品中非测定因 素的干扰 酶活性单位可衡量酶活性大小, 指在规定条件下, 酶促反应在单位时间内生成一定量 产物或消耗一定量底物所需酶量 国际生化学会酶学委员会规定 : 在特定条件下, 每分钟催 化 1μmol 底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位 (IU) 后又推荐以催量单位 (katal) 表示酶活性 1 催量 (1kat) 指在特定条件下, 每秒钟使 1mol 底物转化为产物所需的酶量 基本概念 : 基本要求 : 掌握米氏方程的表达式 V max 及 K m 的意义 ; 底物浓度 酶浓度 ph 温度 竞 争性抑制剂 激活剂对酶促反应的影响 ; 熟悉酶活性的测定与酶活性单位 ; 了解米氏方程的 推导,V max 及 K m 值的测定, 不可逆抑制剂 非竞争性抑制剂 反竞争性抑制剂对酶促反应 13

14 速度的影响四. 酶的调节要点 :( 一 ) 酶活性的调节 1. 酶原与酶原激活 : 有些酶刚合成或初分泌时是酶的无活性前体, 称为酶原 酶原转变为活性酶的过程称为酶原激活 酶原激活通过水解一个或若干个特定的肽键, 酶的构象发生改变, 其多肽链发生进一步折叠 盘曲 形成活性中心必需的构象 酶原及酶原激活的生物学意义 : 消化管内蛋白酶以酶原形式分泌, 不仅保护消化器管本身不受酶的水解破坏, 而且保证酶在其特定的部位与环境发挥其催化作用, 酶原还可以视为酶的贮存性式, 如凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原性式在血液循环中运行, 一旦需要便转化为有活性的酶, 发挥其对机体的保护作用 2. 变构调节 : 体内一些代谢物与某些酶活性中心外的调节部位非共价可逆地结合, 使酶发生构象改变, 引起催化活性改变 这一调节酶活性的方式称为变构调节 (allosteric regulation) 受变构调节的酶称变构酶 (allosteric enzyme) 引起变构效应的代谢物称变构效应剂 有时底物本身就是变构效应剂 变构效应剂引起酶活性的增强或减弱, 分别称变构激活作用或变构抑制作用 变构酶常为寡聚酶, 包括含有活性中心的催化亚基及含调节部位的调节亚基 以变构酶反应速度对底物浓度作图, 其动力学曲线为 S 形曲线 变构酶通常是代谢过程中的关键酶 代谢终产物对代谢途径起始反应酶的变构抑制是最常见的变构调节 酶的变构调节属酶活性的快速调节 3. 酶的共价修饰调节 : 某些酶蛋白肽链上的侧链基团在另一酶的催化下可与某种化学基团发生共价结合或解离, 从而改变酶的活性, 这一调节酶活性的方式称为酶的共价修饰 (covalent modification) 酶的共价修饰形式包括磷酸化与去磷酸化 乙酰化与去乙酰化 甲基化与去甲基化 酰苷化与去酰苷化等, 其中以磷酸化修饰最为常见 酶的磷酸化和脱磷酸反应分别由两类酶催化 酶的共价修饰属于体内酶活性快速调节的另一种重要方式 ( 二 ) 酶含量的调节 1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏 : 酶蛋白的合成量主要在转录水平调节 能促进酶蛋白的基因转录, 增加酶蛋白生物合成的物质为诱导剂, 引起酶蛋白生物合成量增加的作用称为诱导作用 ; 相反, 抑制酶蛋白的基因转录, 减少酶蛋白生物合成的物质称为辅阻遏剂 辅阻遏剂可促进阻遏蛋白的活化, 使基因转录抑制, 减少酶蛋白的产生量, 这一作用称阻遏作用 这种调节属于缓慢而长效的调节 2. 酶的降解调控 14

15 ( 三 ) 同工酶 : 指催化相同的化学反应, 但酶蛋白的分子结构 理化性质 免疫学性质不同的一组酶 同工酶的多肽链应由不同基因或等位基因编码, 或由同一基因的不同 mrna 转录产物翻译生成 不包括那些仅翻译后经不同修饰加工生成的酶 乳酸脱氢酶 (LDH) 同工酶是四聚体, 由 H 型 ( 心肌型 ) 及 M 型 ( 骨骼肌型 ) 两种亚基组成四聚体蛋白, 因而有五种不同的同工酶 :LDH 1 (H 4 ) LDH 2 (H 3 M) LDH 3 (H 2 M 2 ) LDH 4 (HM 3 ) LDH 5 (M 4 ) 该组同工酶电泳中向正极泳动速度依次递减, 对同一底物乳酸的脱氢表现出不同的 K m 值 LDH 同工酶在不同组织中的含量与分布比例不同 基本概念 : 酶原与酶原激活, 酶的变构调节, 酶的共价修饰调节, 同工酶基本要求 : 掌握酶活性调节的三种方式及各其调节特点 ; 同工酶的概念 ; 了解酶含量的调节五. 酶的命名与分类要点 :( 一 ) 酶的命名 ( 二 ) 酶的分类国际系统分类法将酶按其催化反应的性质分为六大类 :1. 氧化还原酶类 : 催化底物进行各种氧化还原反应 如 : 乳酸脱氢酶 过氧化物酶等 2. 转移酶类 : 催化底物之间进行某些基团的转移或交换的反应 如 : 己糖激酶 磷酸化酶等 3. 水解酶类 : 催化底物发生各种水解反应 如淀粉酶 蛋白酶等 4. 裂解酶类 : 催化共价连接基团的转移并形成双键的反应或其逆反应 如 : 醛缩酶 柠檬酸合酶等 5. 异构酶类 : 可催化各种同分异构体之间相互转化反应 如 : 磷酸己糖异构酶 消旋酶等 6. 合成酶类 : 催化两分子底物合成为一分子化合物, 并伴随 ATP 磷酸键断裂释能的反应 如 : 谷氨酰胺合成酶 DNA 连接酶等 基本要求 : 了解本节内容六. 酶与医学的关系 基本要求 : 了解本节内容 第五章糖代谢 (8 学时 ) 本章重点 : 糖的主要生理作用是为机体代谢提供所需的能量和碳源 葡萄糖有三个氧化途径, 经糖酵解 有氧氧化途径分解并释放能量 经磷酸戊糖途径分解主要提供磷酸核糖及 NADPH 糖原是体内糖的储存形式, 有肝糖原和肌糖原, 经糖原分解 糖原合成途径代谢 在肝 肾中某些非糖物质可经糖异生过程转变成葡萄糖 血液中葡萄糖称血糖, 是葡萄糖各种来源 去路代谢的动态平衡 血糖主要受多种激素调节 15

16 本章难点 : 葡萄糖的酵解和有氧氧化反应过程 关键反应及能量产生的比较 磷酸戊糖途径的生理 意义 肝糖原和肌糖原代谢 功能的特点 乳酸 丙酮酸 甘油 成糖氨基酸等糖异生的反 应过程 糖代谢各途径的调节 胰岛素 胰高血糖素调节血糖水平的机制 一 概述 要点 : 1. 糖的生理功能糖的主要生理作用是为机体提供生命活动所需的能量,1mol 葡萄糖完全 氧化成 CO2 和 H2O 可释能 2 840kJ(679kcal), 人类所需能量的 50%~70% 来自糖的氧化分解 ; 糖类是机体重要碳源, 可转变氨基酸 脂肪酸 核苷等含碳化合物 糖还是组织细胞的结构 重要成分, 如蛋白聚糖和糖蛋白参与结缔组织 软骨 骨基质的构成, 糖蛋白 糖脂是细胞 膜的重要组分, 还有多种糖蛋白, 如激素 酶 抗体 受体 血浆蛋白等, 具有特殊生理功 能 葡萄糖是体内糖利用 代谢最重要的功能形式, 而葡萄糖多聚体糖原是体内糖的储存形 式 2. 糖的消化吸收食物糖主要是植物淀粉, 其分子含 α-1,4- 糖苷键和 α-1,6- 糖苷键, 主要 在小肠消化 经口腔, 胰液 α- 淀粉酶作用后, 多数 α-1,4- 糖苷键水解, 生成麦芽糖 麦芽 三糖和含分支的异麦芽糖和 α- 临界糊精 ( 有 4~9 糖基 ) 最终, 小肠粘膜刷状缘的 α- 葡萄 糖苷酶水解无分支的麦芽寡糖, 肠粘膜细胞的异麦芽糖酶和 α- 临界糊精酶可水解含分支寡糖 的 α-1,4- 糖苷键和 α-1,6- 糖苷键使变成葡萄糖 糖代谢概况葡萄糖吸收入血, 经 GLUT 转运进细胞 葡萄糖可进入氧化 贮存 异生等代谢 途径 基本概念 : 基本要求 : 掌握糖的生理功能, 糖的消化吸收部位, 肠消化糖酶类 了解糖代谢概况 二 糖的分解代谢 要点 : 1. 糖酵解的反应过程糖酵解途径发生在细胞液中, 可分为两个阶段 : (1) 葡萄糖生成 2 分子磷酸丙糖 1 葡萄糖在已糖激酶作用下, 由 ATP 提供磷酸基, 转化成 6- 磷酸葡萄糖 (G-6-P), 此反应释出较多自由能故为不可逆反应 肝中有已糖激酶的同工酶 葡萄糖激酶, 后者对葡萄糖底物专一性强, 而亲和力低,Km 值高, 且活性受激素调控, 在 调节糖代谢中有重要作用 2G-6-P 转变为 6- 磷酸果糖, 后者在 6- 磷酸果糖激酶 -l 催化下, 再消耗一分子 ATP, 磷酸化为 1, 6- 双磷酸果糖 (F-1,6-BP), 这也是一个不可逆反应 3 1, 16

17 6- 双磷酸果糖在醛缩酶催化下分解为 2 分子磷酸丙糖, 而磷酸二羟丙酮经异构酶作用可变成 3- 磷酸甘油醛 相当于一分子葡萄糖生成 2 分子 3- 磷酸甘油醛 (2) 磷酸丙糖转变为丙酮酸 1 在 3- 磷酸甘油醛脱氢酶作用下,3- 磷酸甘油醛氧化成 1, 3- 二磷酸甘油酸, 并使 NAD+ 变成 NADH+H + 1,3- 二磷酸甘油酸含高能磷酸键, 可经底物水平磷酸化使 ADP 转变为 ATP, 并产生 3- 磷酸甘油酸 3- 磷酸甘油酸转变成 2- 磷酸甘油酸, 后者由烯醇化酶催化脱水生成磷酸烯醇型丙酮酸, 含有一高能磷酸键 3 磷酸烯醇型丙酮酸 (PEP) 在丙酮酸激酶催化下, 转变为丙酮酸, 并经底物水平磷酸化使 ADP 磷酸化为 ATP 氧供应不足时, 糖酵解途径生成的丙酮酸在乳酸脱氢酶催化下, 由 NADH+H + 提供氢, 还原成乳酸 反应产生的氧化型 NAD + 为上游的 3- 磷酸甘油醛脱氢酶催化的反应提供辅酶, 使整个途径能在无氧条件下不断运转 1mol 葡萄糖经糖酵解途径氧化成 2mol 乳酸, 净生成 2molATP 2. 糖酵解的调节糖酵解途径有 3 个反应基本上是单向不可逆的, 三个反应分别由己糖激酶 ( 或葡萄糖激酶 ) 6- 磷酸果糖激酶 -l 和丙酮酸激酶催化, 这三种酶是糖酵解过程中的关键酶, 受到代谢物和激素的周密调控 如 6- 磷酸果糖激酶 -1 可被 AMP ADP 1,6- 双磷酸果糖 2, 6- 双磷酸果糖激活, 而被 ATP 和柠檬酸别构抑制 ;2,6- 双磷酸果糖是 6- 磷酸果糖激酶 -1 最强的激活剂, 6- 磷酸果糖激酶 -2 和果糖双磷酸酶 -2 为双功能酶, 分别催化其合成和分解 丙酮酸激酶受 1,6- 双磷酸果糖的别构激活, 而被 ATP 别构抑制 ; 己糖激酶可被 6- 磷酸葡萄糖别构抑制, 而葡萄糖激酶被长链脂酰辅酶 A 别构抑制 3. 糖酵解的生理意义糖酵解可在无氧 缺氧条件下为机体迅速提供能量 :1 在剧烈运动, 肌肉局部血流不足, 肌肉收缩时相对缺氧, 葡萄糖有氧氧化过程较长, 供能较慢, 可由糖酵解迅速提供能量 在缺氧 缺血性疾病时, 机体供氧不足, 也需由糖酵解迅速供能 ;2 成熟 红细胞没有线粒体, 不能进行有氧氧化, 完全依赖糖酵解供应能量 ;3 神经 白细胞 骨 髓等代谢活跃组织, 即使不缺氧也由糖酵解提供部分能量 基本概念 : 1. 糖酵解途径葡萄糖分解途径中, 将葡萄糖转变到丙酮酸的阶段, 为糖有氧氧化和糖酵解共有的过程, 这一代谢过程称糖酵解途径 2. 糖酵解葡萄糖在无氧条件下转化成乳酸的这一过程称糖酵解 基本要求 : 掌握糖酵解途径的主要过程, 关键酶 糖酵解生理意义 熟悉糖酵解途径的过程, 辅酶, 能量产生 关键酶的调节方式 三 糖有氧氧化 17

18 要点 : 1. 糖有氧氧化反应过程有氧氧化需要氧将糖分解时脱下的氢氧化成水, 主要过程发生在线粒体中, 该途径可划分为三个阶段 : (1) 糖酵解途径 : 葡萄糖转变成 2 分子丙酮酸, 在胞液中进行 但 3- 磷酸甘油醛脱氢产生的 NADH+H+ 不再用于将丙酮酸还原成乳酸, 而是进入线粒体经呼吸链氧化成 H2O 并产生 ATP (2) 丙酮酸的氧化脱羧 乙酰辅酶 A 的生成 : 丙酮酸进入线粒体, 由丙酮酸脱氢酶复合体催化, 经氧化脱羧基转化成乙酰 CoA 丙酮酸脱氧酶复合体由 3 个酶和 5 个辅酶组成, 三个酶是丙酮酸脱氢酶 转乙酰化酶 二氢硫辛酸脱氢酶 5 种辅酶是 TPP CoASH 硫辛酸 FAD 及 NAD + 反应结果丙酮酸脱氢并脱羧, 生成 CO2 NADH+H + 和乙酰 CoA (3) 三羧酸循环和氧化磷酸化 : 三羧酸循环的生理作用是氧化分解乙酰辅酶 A 每次三羧酸循环氧化 1 分子乙酰 CoA, 同时发生 2 次脱羧产生 2 分子 CO2; 有 4 次脱氢, 其中 3 次产生 NADH+H +, 一次产生 FADH2; 有一次底物水平磷酸化生成 GTP;1mol 乙酰 CoA 经三羧酸循环彻底氧化再经呼吸链氧化磷酸化共产生 12molATP 三羧酸循环的基本过程是:1 乙酰 CoA 与草酰乙酸经柠檬酸合酶催化生成柠檬酸, 柠檬酸变成异柠檬酸 在异柠檬酸脱氧酶作用下, NAD+ 为辅酶, 异柠檬酸脱氢 脱羧生成 α- 酮戊二酸 NADH+H + 和 CO2;2 在 α- 酮戊二酸脱氢酶复合体作用下,α- 酮戊二酸与 NAD+ HS-CoA 反应, 脱氢 脱羧生成琥珀酰 CoA,NADH+H + 和 CO2;3 琥珀酰 CoA 的高能硫酯键水解, 使 GDP 磷酸化为 GTP, 并生成琥珀酸, 发生底物水平磷酸化 由琥珀酸脱氢酶催化,FAD 为辅基, 琥珀酸脱氢生成延胡索酸及 FADH2; 延胡索酸加水生成苹果酸, 苹果酸由苹果酸脱氢酶催化,NAD+ 为辅酶, 重新生成草酰乙酸及 NADH+H+ (4) 三羧酸循环的生理意义包括 1 氧化供能 1mol 乙酰 CoA 通过三羧酸循环彻底氧化可推动 12molATP 的生成 2 是三大营养物质彻底氧化分解的共同途径, 糖 脂肪及蛋白质经氧化分解都能最转变为乙酰 CoA, 而各种来源的乙酰 CoA 最终都需通过三羧酸循环完成彻底氧化 三羧酸循环又是三大物质代谢的互相联系通路 如糖代谢中间物 α- 酮戊二酸和草酸乙酸可分别与谷氨酸和天冬氨酸互相转换 脂肪酸氧化生成的乙酰 CoA 可经三羧酸循环分解, 糖代谢产生的乙酰 CoA 又是合成脂肪酸的原料 3 三羧酸循环为其它合成代谢提供小分子前体如琥珀酰 CoA 为血红素合成前体, 柠檬酸透出线粒体裂解出乙酰 CoA 作为脂肪酸 胆固醇合成的前体 2. 有氧氧化生成 ATP 1mol 葡萄糖有氧氧化三阶段中产生的 NADH+H + 和 FADH2 携带的氢原子将通过电子传递链氧化成 H2O, 并与 ADP 生成 ATP 的磷酸化过程偶联, 产生 2 或 3 molatp 因此 1mol 葡萄糖经有氧氧化全过程, 通过上述三个阶段, 彻底氧化成 CO2 和 H2O, 总共生成 18

19 36 或 38molATP 3. 有氧氧化的调节包括丙酮酸脱氢酶复合体的调节 ; 三羧酸循环关键酶调节, 柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氧酶 α- 酮戊二酸脱氢酶复合体是三羧酸循环的关键酶 ; 氧化磷酸化速率对三羧 酸循环调节 有氧氧化全过程多种酶活性受细胞内 ATP/ADP AMP 和 NADH/NAD + 比值影响, 适 应机体对能量的需要 1) 糖酵解途径, 调节见前 2) 丙酮酸氧化为乙酰 CoA, 由丙酮酸脱氢酶复合体催化,TPP, 硫辛酸,CoASH,FAD 和 NAD+ 为辅 酶 进行氧化脱羧反应 两酮酸脱氢酶复合体受别构调节, 乙酰 CoA/CoASH, 及 NADH/NAD+ 的比 例升高, 可抑制该酶,ATP 使酶别构抑,AMP 使酶别构激活 该酶受共价修饰调节, 丙酮酸脱氢酶 激酶使酶磷酸化失活, 乙酰 CoA 和 NADH 可增加该激酶活性,ADP 和 NAD+ 则抑制该激酶活性 磷 蛋白磷酸酶使丙酮酸脱氢酶脱磷酸具有活性, 胰岛素可增加磷酸酶作用使该酶活性上升 3) 三羧酸循环和氧化磷酸化 :NADH/NAD+ 和 ATP/ADP 比率高时, 关键酶异柠檬酸脱氢酶,α- 酮戊二酸脱氢酶复合体被反馈抑制,ADP 可使异柠檬酸脱氢酶变构激活 线粒体内 Ca2+ 浓度 增高, 可使关键酶异柠檬酸脱氢酶,α- 酮戊二酸脱氢酶复合体激活 三羧酸循环和氧化磷酸 化速率相互影响, 如氧化磷酸化不能有效进行, 则 NADH 和 FADH2 保持还原状态, 三羧酸循环 速率减慢 4. 巴斯德效应供氧充足机体组织主要进行有氧氧化而糖酵解被抑制 5. 比较糖酵解和糖的有氧氧化主要特点 糖酵解 糖的有氧氧化 反应部位 胞液 线粒体 需氧条件 无氧或缺氧 有氧 底物 产物 糖原 葡萄糖 乳酸 糖原 葡萄糖 H2O+CO2 产能 1mol 葡萄糖净生成 2molATP 1mol 葡萄糖净生成 36~38molATP 关键酶 6- 磷酸果糖激 -1, 己糖激酶, 丙酮酸激酶 糖酵解关键酶加上丙酮酸丙酮酸脱氢酶复合体, 柠檬酸合酶, 异柠檬酸脱氢酶,α- 酮戊二酸脱氢酶复合体 生理意义 迅速供能 机体产能的主要方式 基本概念 : 1. 糖有氧氧化葡萄糖在有氧条件下氧化成水和二氧化碳的过程称为有氧氧化 有氧氧化是糖氧化产能的主要方式 2. 三羧酸循环 (Krebs 循环, 柠檬酸循环 ) 亦称柠檬酸循环, 由一系列反应组成 为乙酰辅酶 A 氧化的途径, 先由乙酰辅酶 A 与草酰乙酸缩合成第一个中间产物三羧基酸柠檬酸, 再经 2 次脱羧 4 次脱氢等一系列反应, 再次生成草酰乙酸, 这一循环过程称为三羧酸循环 19

20 3. 巴斯德效应指有氧氧化抑制生醇发酵现象 供氧充足机体组织主要进行有氧氧化而糖酵解被抑制 有氧氧化抑制糖酵解 基本要求 : 掌握糖的有氧氧化的主要反应, 关键酶, 生理意义 熟悉三羧酸循环的过程, 特点, 调节方式 了解三羧酸循环的调节因素, 巴斯德效应机制 四 磷酸戊糖途径要点 : 1. 磷酸戊糖途径反应过程磷酸戊糖途径包括第一阶段的氧化反应和第二阶段的基团转移反应 第一阶段, 葡萄糖转变成的 6- 磷酸葡萄糖, 后者在 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶催化下, 以 NADP+ 为辅酶, 脱氢再加水生成 6- 磷酸葡萄糖酸及 NADPH+H+ 6- 磷酸葡萄糖酸在 6- 磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化下, 以 NADP+ 为辅酶, 再次脱氢并自发脱羧生成 CO2 NADPH+H+ 和 5- 磷酸核酮糖 第二阶段, 通过一系列基团转移反应,5- 磷酸核酮糖转变为 5- 磷酸核糖, 途径最终生成 3- 磷酸甘油醛及 6- 磷酸果糖 此途径的两种重要生成物为 5- 磷酸核糖和 NADPH+H+ 2. 磷酸戊糖途径的调节 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶是途径的限速酶 主要受 NADPH/NADP + 比例的影响, 比例降低时激活 3. 磷酸戊糖途径的生理意义磷酸戊糖途径的生理意义在于为机体提供 5- 磷酸核糖和 NADPH 糖代谢生成的 5- 磷酸核糖是人体合成各类核苷酸和核酸的基本原料 ;NADH 的作用是参与多种代谢过程, 包括 :1NADPH+H+ 是体内许多合成代谢氢原子的来源, 如从乙酰 CoA 合成脂肪酸或胆固醇, 由 α- 酮戊二酸还原并氨基化生成谷氨酸等 ;2 体内某些物质的生物合成和肝脏生物转化过程有一些羟化反应, 如由胆固醇合成胆汁酸和类固醇激素 ; 药物 毒物在生物转化中的羟化 羟基化反应由加单氧酶催化, 需要 O2 NADPH+H+, 将一个氧原子还原成 H2O, 另一个氧原子加入底物形成羟基, 加单氧酶还需要细胞色素 P450 及黄素蛋白 3 还原型谷胱甘肽 (G-SH) 通过自身的氧化可以保护一些含 -SH 基的重要酶与蛋白质免受氧化剂, 尤其是 H2O2 的破坏, 维持红细胞膜的完整性, 而谷胱甘肽则转变成为氧化型 (GS-SG) 在谷胱甘肽还原酶催化下, 以 NADH+H+ 为供氢体, 是氧化型谷胱甘肽重新转变成还原型, 保持足够的还原型 G-SH, 以对抗体内产生或体外进入的氧化剂, 保持红细胞膜的完整性 基本概念 : 蚕豆病遗传性缺乏 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶的患者, 体内不能从磷酸戊糖途径获得足够 NADPH+H+, 使谷胱甘肽维持于还原状态, 红细胞膜易受氧化剂损害而发生溶血 常在食用有氧化成分的蚕豆以后诱发, 称蚕豆病 基本要求 : 20

21 掌握磷酸戊糖途径氧化阶段过程,NADPH 和 5- 磷酸核糖产生的生理意义 熟悉磷酸戊糖途径过程, 调节机制, 蚕豆病发病机制 五 糖原的合成与分解要点 : 1. 糖原是体内糖的储存形式, 主要有肝糖原和肌糖原 糖原是有多个葡萄糖分子聚合成的高度分支的多糖 各葡萄糖单位通过 1,4- 糖苷键连接成糖链, 由 1,6- 糖苷键连接分支点糖基 2. 肝糖原的合成葡萄糖由己糖激酶催化,ATP 供磷酸, 生成的 6- 磷酸葡萄糖 (G-6-P) 转化成 1- 磷酸葡萄糖 (G-1-P) 1- 磷酸葡萄糖在 UDPG 焦磷酸化酶催化下, 消耗 UTP, 转化成 UDP- 葡萄糖 (UDPG) 和焦磷酸 (Ppi),UDPG 为合成糖原的活性葡萄糖 在糖原合酶催化下, UDPG 将葡萄糖基转移给小分子的糖原引物, 提供的糖基通过 α-1,4- 糖苷键逐个连接在糖原引物非还原端, 从而使糖链延长, 而分支酶则可催化 α-1,6- 糖苷键分支的形成 在糖原合成过程中, 每增加 1 个糖基消耗 2 个 ATP, 糖原合酶为糖原合成的关键酶 3. 肝糖原的分解肝糖原可直接分解为葡萄糖以供应血糖 糖原分解的关键酶是磷酸化酶, 在磷酸化酶催化下, 糖原的绝大部分葡萄糖基自糖原各支链的非还原端加磷酸分解, 生成 1- 磷酸葡萄糖 1- 磷酸葡萄糖由变位酶催化成 6- 磷酸葡萄糖 脱支酶可水解剩余糖基, 暴露出分支点的 1,6- 糖苷键, 并水解分支处的糖基成葡萄糖 糖原分解生成的 6- 磷酸葡萄糖在葡萄糖 -6- 磷酸酶作用下脱磷酸生成葡萄糖 葡萄糖 -6- 磷酸酶只存在于肝 肾中, 因此只有肝糖原可直接分解为葡萄糖以补充血糖, 肌糖原只能经糖酵解成乳酸, 后者再间接转变成葡萄糖 4. 肝糖原与肌糖原代谢的异同肝糖原合成途径两条 1) 直接途径 : 葡萄糖 (G) 经 G-6-P, G-1-P 活化为 UDPG, 在糖原合酶作用下合成糖原, 肌糖原合成经此途径 三碳途径,2) 间接途径 : 饥饿后补充及恢复肝糖原储备时, 葡萄糖先分解成乳酸 丙酮酸等三碳化合物, 再进入肝异生成葡萄糖 肝糖原在糖原磷酸化酶作用下, 直接磷酸解成 G-1-P, 转变为 G-6-P, 在肝脏葡萄糖 6 磷酸酶作用下分解为自由葡萄糖 肌糖原合成只有直接途径, 因肌肉缺乏葡萄糖 6 磷酸酶, 肌糖原分解不能直接成糖, 可成 G-6-P 后进入糖酵解途径, 或氧化分解, 或生成乳酸后经乳酸循环再利用 5. 糖原合成与分解的调节糖原分解的关键酶是磷酸化酶, 可被共价修饰调节 : 升血糖激素通过 camp 依赖的蛋白激酶 (PKA) 使磷酸化酶 b 激酶磷酸化激活, 后者再使低活性的磷酸化酶 b 磷酸化激活为磷酸化酶 a, 使磷蛋白磷酸的抑制物磷酸化为有活性的抑制物抑制磷蛋白磷酸酶 -1, 阻止已被磷酸化的酶蛋白脱磷酸 促进糖原分解 糖原分解增强升高血糖水平 磷 21

22 酸化酶活性还受变构调节, 如葡萄糖增加使肝磷酸化酶变构失活 糖原合酶为糖原合成的关键酶, 可被共价修饰调节,cAMP 依赖的蛋白激酶使活性的糖原合酶 a 磷酸化为无活性的糖原合酶 b, 减少糖原合酶 糖原合酶也可受变构调节 肝糖原生理功能是补充血糖, 主要受胰高血糖素调节 ; 肌糖原生理功能是为肌肉提供能量, 主要受肾上腺素调节 能量分子 AMP/ATP 调节时,AMP Ca2+ 激活磷酸化酶 b,atp 6- 磷酸葡萄糖抑制磷酸化酶 a, 并激活糖原合酶 6. 糖原累积症糖原累积症是一类遗传性代谢病, 以体内有大量糖原累积为主要特征 糖原累积症发病原因是患者先天性缺乏与糖原代谢相关的酶类 因缺陷酶在糖原代谢中作用 受累器官部位的不同, 糖原结构差异, 对健康及生命的影响程度也不同 据此糖原累积症可分为不同类型 如肝磷酸化酶缺陷, 使肝糖原累积造成肝肿大 ; 葡萄糖 -6- 磷酸酶缺乏使肝糖原不能动用维持血糖, 引起严重低血糖 基本概念 : 糖原合成与分解糖原为体内糖的储存形式, 也可被迅速动用 由葡萄糖合成糖原的过程称为糖原合成, 糖原合酶为关键酶 由肝糖原分解为 6- 磷酸葡萄糖, 再水解成葡萄糖释出的过程称为糖原分解, 磷酸化酶为关键酶 基本要求 : 掌握糖原合成 分解的基本过程, 关键酶, 调节方式 熟悉肌糖原和肝糖原代谢的特点, 相应功能 调节机制的异同 了解糖原累积症概念 类型 六 糖异生要点 : 1. 糖异生途径在肝脏 肾脏中, 由非糖物质 ( 如乳酸 丙酮酸 甘油 成糖氨基酸等 ) 转变成葡萄糖或糖原的过程称糖异生, 糖异生可通过糖分解途径逆行完成 糖异生虽基本经糖酵解的逆过程进行, 但其中由 6- 磷酸果糖激 -1, 己糖激酶, 丙酮酸激酶催化的为不可逆反应, 糖异生需由 4 个关键酶, 即丙酮酸羧化酶及 PEP 羧激酶, 果糖双磷酸酶 -1 葡萄糖 6 磷酶 催化三个相应反应饶过能障和线粒体膜障碍, 构成作用物循环, 完成糖异生 如乳酸 丙酮酸异生成葡萄糖时, 乳酸经乳酸脱氢酶催化生成丙酮酸,1 由丙酮酸到磷酸烯醇型丙酮酸, 先由丙酮酸羧化酶催化, 消耗 ATP, 丙酮酸与 CO2 缩合羧化为草酰乙酸, 草酰乙酸加氢还原成苹果酸, 苹果酸透出线粒体后再脱氢氧化成草酰乙酸 在胞浆中, 草酰乙酸由磷酸烯酸型丙酮酸羧激酶催化, 由 GTP 供应磷酸基, 脱去 CO2, 转变成磷酸烯醇型丙酮酸, 后者经糖酵解途径逆行, 转变为 1,6- 双磷酸果糖 ;2 果糖二磷酸酶 -1 催化 1,6- 双磷酸果糖脱磷酸生成 6- 磷酸果糖, 再变为 6- 磷酸葡萄糖 ;3 葡萄糖 -6- 磷酸酶催化 6- 磷酸葡萄糖水解磷酸基生成葡 22

23 萄糖 2mol 乳酸异生为 1mol 葡萄糖消耗 6molATP 糖异生在还原生成 3- 磷酸甘油醛一步需还原当量 NADPH+H+, 乳酸转变为丙酮酸, 在胞液产生 NADPH+H+ 丙氨酸脱氨也生成丙酮酸, 在线粒体丙酮酸羧化酶作用下转变为草酰乙酸, 再转变成苹果酸, 其它氨基酸( 如谷氨酸 天冬氨酸 ) 脱氨生成为相应三羧酸循环中间物后都可转变成苹果酸, 以苹果酸形式透出线粒体内膜转至胞液再氧化成草酰乙酸, 生成的 NADPH+H+ 补充所需还原当量 草酰乙酸在 PEP 羧激酶作用下转变为 PEP 甘油经甘油激酶催化生成 3- 磷酸甘油, 后者脱氢生成磷酸二羟丙酮, 经糖酵解逆行异生成糖 成糖氨基酸脱氨基后的 α- 酮酸多为糖代谢中间物, 可经糖代谢途径逆行成糖 2. 糖异生的调节糖酵解途径代表糖的分解氧化, 而糖异生途径代表糖的耗能合成, 是方向相反的两条代谢途径, 它们分别由三个不可逆反应正行或逆行的两套酶系催化完成, 称为底物循环 机体通过代谢物和激素, 对糖异生和糖酵解途径中两个底物循环进行调节, 如 2, 6- 双磷酸果糖 AMP 可别构激活 6- 磷酸果糖激酶促进糖酵解过程 ; 又别构抑制果糖二磷酸酶 -1 降低糖异生 胰高血糖素通过 PKA 可直接使丙酮酸激酶磷酸化失活, 并减少 F-2,6-BP 促进糖异生而抑制糖分解, 胰岛素则相反 丙酮酸羧化酶需乙酰 CoA 作为激活剂, 胰高血糖素通过 PKA 诱导 PEP 酸激酶基因表达 可以调节 控制糖代谢的反应方向, 维持血糖浓度的恒定 3. 糖异生的生理意义 1). 维持血糖水平糖异生的功用是补充及维持血糖, 特别在肝糖原接近耗竭时更为重要 糖异生的原料主要是乳酸 氨基酸及甘油, 饥饿时糖异生的原料主要是氨基酸和甘油 在空腹或饥饿时, 脂肪动员增加, 生成的甘油运输至肝异生成葡萄糖 ; 组织蛋白分解加强, 以丙氨酸 谷氨酰胺的形式运送到肝异生成葡萄糖 由于糖异生原料增多, 糖异生增加, 使血糖水平维持恒定 这对依赖葡萄糖供能的大脑等组织的正常活动有重要意义 2). 肝糖原储备的恢复虽然肝葡萄糖激酶与葡萄糖亲和力小, 肝摄取葡萄糖能力较低, 当饥饿后再进食时, 肝糖原仍可迅速合成 因为一部分摄入的葡萄糖先在小肠 肝 肌中分解成丙酮酸 乳酸等三碳化合物, 这些三碳化合物转运到肝中可以异生成糖原, 优先增加肝糖原储备 合成肝糖原这条途径称为三碳途径 肾糖异生促进泌氨排酸维持酸碱平衡 4. 乳酸循环肌肉组织肌糖原可经酵解产生乳酸, 乳酸通过血液运到肝脏, 在肝内乳酸经糖异生转化成葡萄糖, 葡萄糖进入血液又可被肌肉摄取利用, 此过程称乳酸循环 乳酸循环的意义是一方面使机体可利用乳酸分子的能量, 避免乳酸的损失 ; 另一方面, 因乳酸是酸性物质, 乳酸循环能及时转化乳酸, 防止乳酸在组织堆积引起酸中毒 基本概念 : 23

24 1. 糖异生由非糖物质乳酸 丙酮酸 甘油 成糖氨基酸转变成糖原或葡萄糖的过程称为糖异生, 糖异生只在肝脏 肾脏发生 2. 乳酸循环 (Cori 循环 ) 肌肉内的糖原和葡萄糖通过糖酵解生成乳酸, 乳酸进入血中运输至肝脏, 在肝内乳酸异生成葡萄糖并弥散入血, 释入血中的葡萄糖又被肌肉摄取利用, 构成的循环过程称为乳酸循环 基本要求 : 掌握糖异生的概念, 基本过程, 生理意义 ; 乳酸循环的概念 熟悉乳酸 丙酮酸 甘油 成糖氨基酸转变成糖原或葡萄糖的过程 了解糖异生调节特点 七 血糖及其调节要点 : 1. 血糖的来源和去路血糖指血液中的葡萄糖, 正常值为 4.5~5.5mmol/L 血糖的来源有, 食物糖经肠道的消化 吸收 肝糖原分解 肝 肾内由非糖物质糖异生 血糖去路有, 糖主要经各氧化途径氧化分解为机体供能 在肝 肌肉等组织合成糖原 转化成脂肪及氨基酸等 2. 肝脏对血糖的调节肝脏储存糖原 血糖升高时, 肝加强合成糖原储存 血糖降低时, 肝糖原加速分解, 直接成葡萄糖补充血糖 肝脏是糖异生的主要器官, 不断将非糖物质转变为葡萄糖, 补充血糖 肝是其它单糖 ( 果糖 半乳糖等 ) 代谢和转变为葡萄糖的主要部位 在维持血糖水平稳定方面有重要作用 3. 激素对血糖的调节机体通过神经 - 体液途径调节血糖, 除神经系统直接调节外, 调节血糖最重要的激素是胰岛素和胰高血糖素 1) 胰岛素的调节胰岛素由胰岛 β 细胞合成, 为含 51 个氨基酸残基的肽类激素, 有降低血糖作用, 血糖升高时胰岛素分泌增加 胰岛素降低血糖的机理包括 :1 胰岛素可通过调节细胞膜葡萄糖转运载体的数量, 促进葡萄糖进入肌肉 脂肪组织细胞, 有利于糖的利用 ;2 胰岛素通过调节糖原代谢的关键酶, 加速糖原合成, 抑制糖原分解 ;3 胰岛素通过诱导糖酵解途径的关键酶, 激活丙酮酸脱氢酶而加快糖的氧化分解过程 ;4 胰岛素可抑制糖异生关键酶合成, 促进氨基酸进入组织合成蛋白, 减少异生原料, 抑制糖异生作用 ;5 胰岛素抑制脂肪动员, 增加葡萄糖利用, 促进葡萄糖转变成脂肪 2) 胰高血糖素的调节胰高血糖素由胰岛 α 细胞合成, 为 29 个氨基酸残基的肽类激素, 有升高血糖作用, 其升血糖机制为 :1 通过调节糖原代谢的关键酶, 抑制糖原合成, 促进糖原分解 ;2 通过抑制关键酶活性, 抑制糖分解的糖酵解途径, 减少糖的氧化 ;3 促进磷酸烯醇型丙酮酸羧激酶合成, 并加速肝摄取氨基酸原料, 加强糖异生 ;4 通过加速脂肪动员, 生成的 24

25 大量脂肪酸可抑制周围组织摄取利用葡萄糖 3) 糖皮质激素 肾上腺素的调节糖皮质激素为肾上腺皮质分泌的类固醇激素, 有升高血糖的作用, 其机制为 :1 促进肌肉蛋白分解成氨基酸, 并使之转移肝中, 增加糖异生原料 ;2 促进糖异生途径关键酶合成 ;3 抑制肝外组织摄取 利用葡萄糖, 抑制葡萄糖的氧化 4. 血糖水平异常高血糖及糖尿病, 低血糖 肾上腺素可增高血糖和血乳酸, 主要通过 camp-pka 级联抑制糖原合成促进肝糖原分解, 肌糖原酵解 增加异生原料乳酸及激活果糖双磷酸酶 -1 增加糖异生, 而增高血糖 基本概念 : 血糖血液中所含的葡萄糖称为血糖 血中葡萄糖水平的正常范围是 3.89 ~ 6.11 mmol/l 基本要求 : 掌握血糖概念, 血糖的来源去路, 胰岛素对血糖的调节机理 熟悉胰高血糖素 糖皮质激素升高血糖机理 了解血糖水平异常疾病 第六章脂类代谢 (8 学时 ) 本章重点 甘油三酯的分解代谢 ; 酮体的生成和利用及其生理意义 ; 血浆脂蛋白的分类 组成和代谢以及重要的载脂蛋白 本章难点 甘油三酯合成及分解代谢反应过程 关键反应及能量产生 ; 酮体生成和利用的反应过程及生理意义 ; 磷脂及胆固醇代谢的反应过程 ; 各代谢途径的主要调节环节及相互联系 ; 血浆脂蛋白的代谢及高脂蛋白血症分型 概述 25

26 脂类是脂肪 ( 甘油三酯 ) 和类脂的总称, 是一类不溶于水而易溶于有机溶剂, 并能被机 体利用的有机化合物 脂肪是甘油与脂酸以酯键结合而成的酯, 主要生理功能是储存及氧化 供能 类脂包括固醇及其酯 磷脂 糖酯等, 是生物膜的重要组分, 参与细胞识别及信息传 递 构成脂类的一些脂酸, 特别是某些多不饱和脂酸, 动物机体自身不能合成, 需从植物油 摄取, 称为必需脂肪酸 它们是体内一些重要生理活性物质的前体 基本概念 : 必需脂肪酸 : 某些不饱和脂肪酸, 如亚油酸 亚麻酸 花生四烯酸等, 动物机体自身不能合 成, 需从植物油摄取, 是机体不可缺少的营养物质, 同时它们又是机体一些重要生理活性物 质如前列腺素 (PG) 血栓噁烷及白三烯等的前体, 因此称必需脂肪酸 一 脂类的消化和吸收 要点 食物中的脂类主要为脂肪, 还含少量磷脂和胆固醇等 脂类不溶于水, 须在小肠经胆汁酸盐的乳化作用, 才能被消化酶消化 小肠上段是脂类消化的主要场所 在胰脂酶 磷脂酶 A2 胆固醇酯酶及辅脂酶的共同作下, 脂肪和类脂被消化为 2- 甘油一酯 脂酸 胆固醇及溶血磷脂等进一步与胆汁酸乳化成更细小 水溶性更强的混合微团, 穿过小肠粘膜细胞表面的水屏障, 被肠粘膜细胞吸收 脂类消化产物主要在十二指肠下段及空肠上段吸收 中 短链脂酸 (2~4C) 构成的甘油三酯经胆汁酸盐乳化后可直接被吸收进入肠粘膜细胞, 水解为甘油和脂酸后经门静脉入血循环 长链脂酸及 2- 甘油一酯 溶血磷脂 胆固醇等在肠粘膜细胞中重新合成甘油三酯 磷脂 胆固醇酯, 与粗面内质网合成的载脂蛋白 B48 C AI AIV 等结合成乳糜微粒, 经淋巴进入血循环 基本要求熟悉 : 脂类的消化吸收部位 ; 肠消化脂类的酶类及辅助因子 ; 甘油一酯合成途径 二 甘油三酯的代谢要点 26

27 1. 合成代谢 : 脂肪是机体的能量储存形式, 摄入的糖 脂肪等食物均可在肝脏 脂肪组织及小肠内合成脂肪, 其中以肝脏合成能力最强 合成的脂肪可储存于脂肪组织中, 机体需要时这些脂肪可被分解利用 部位 : 肝 脂肪组织及小肠粘膜细胞, 以肝脏合成能力最强 原料 : 甘油及脂酸主要来自葡萄糖代谢, 以及食物脂肪的消化吸收 基本过程 : (1) 甘油一酯途径 : 小肠粘膜细胞主要利用消化吸收的甘油一酯及脂酸合成甘油三酯, 以乳糜微粒的形式经淋巴进入血循环 (2) 甘油二酯途径 : 存在于肝细胞及脂肪细胞 葡萄糖经糖酵解途径生成 3- 磷酸甘油, 加上 2 分子脂酰 CoA 生成磷脂酸, 后者脱磷酸生成 1,2- 甘油二酯, 再加上 1 分子脂酰基即生成甘油三酯 肝细胞可合成脂肪, 但不能储存脂肪,TG 合成后, 与 PL CE Ch 及 apob100 C 等结合生成极低密度脂蛋白 (VLDL) 而分泌入血, 运输至肝外组织利用 脂肪组织则可以利用 CM VLDL 中的脂肪酸但主要是以葡萄糖为原料合成的脂肪酸大量合成并储存脂肪 2. 分解代谢 : 脂肪动员 : 储存在脂肪细胞中的脂肪被甘油三酯逐步水解为游离脂酸 (FFA) 和甘油并释放入血以供其它组织氧化利用的过程称为脂肪动员 其中激素敏感性甘油三酯脂肪酶 (HSL) 为限速酶, 受多种激素调节, 肾上腺素 胰高血糖素等可激活该酶, 促进脂肪动员, 为脂解激素 ; 而胰岛素等则为抗脂解激素 在血浆中 FFA 与清蛋白以 10:1 分子的比例结合而运输, 而甘油则可直接通过血液运输至全身各组织进行氧化 甘油的氧化 : 甘油在肝 肾 肠等组织中甘油激酶的催化下转变为 3- 磷酸甘油, 然后脱氢生成磷酸二羟丙酮, 沿糖酵解途径分解代谢或经糖异生作用转变为糖 脂肪组织及骨骼肌因甘油激酶活性很低, 不能直接利用甘油 脂肪酸的 β 氧化及能量的生成 : 在 O2 供应充足时,FA 可在体内分解为 CO2 和 H2O 并释放大量的能量, 成为人及哺乳动物的重要能源物质 部位 : 除脑组织外, 大多数组织均可氧化利用 FA, 以肝脏和肌肉组织最为活跃 过程 : 在生物体内 FA 氧化的主要方式为 β- 氧化, 该过程可分为三个阶段 :1FA 在胞浆脂酰 CoA 合成酶的催化下, 消耗 ATP 的二个高能磷酸键, 活化生成脂酰 CoA, 脂酰 CoA 比 FA 具有更强的水溶性和代谢活性 2 脂酰 CoA 在线粒体膜的肉碱脂酰转移酶 I(CATase I) 肉碱 - 脂酰肉碱转位酶及 CATase II 的作用下, 以肉碱为载体, 由胞浆进入线粒体 ;3 在线粒体基质中, 脂酰 CoA 在脂酸 β 氧化多酶复合体的催化下, 从脂酰基的 β- 碳原子开始, 经过脱氢 27

28 ( 辅酶为 FAD) 加水 再脱氢( 辅酶为 NAD + ) 硫解四步连续反应, 生成 1 分子乙酰 CoA 及比原来少二个碳原子的脂酰 CoA 后者再进入 β- 氧化重复上述过程, 最终含偶数碳原子的脂酸全部产生乙酰 CoA, 而少数含奇数碳原子的脂肪酸则余下 1 分子丙酰 CoA, 从而完成脂肪酸的 β 氧化 乙酰 CoA 可进一步通过三羧酸循环和电子传递链彻底氧化, 或在肝脏缩合成酮体而被肝外组织氧化利用 在脂酸 β 氧化过程中,CATase I 为限速酶, 控制脂酸进入线粒体氧化的速度 当饥饿 高脂低糖饮食或糖尿病时, 机体不能利用糖, 需脂酸氧化供能, 此时 CATase I 活性增加, 促进脂酸的氧化 ; 而饱食后, 脂肪合成及丙二酰 CoA 增加, 后者抑制 CATase I 的活性, 因而脂酸的氧化被抑制 能量生成 : 脂酸氧化是体内能量的重要来源 以 16C 的软脂酸为例,1 分子软脂酸经 7 次 β 氧化生成 8 分子乙酰 CoA, 最终产生 131 分子 ATP, 净生成 129 分子 ATP 以重量计脂酸产生的能量比葡萄糖多 脂酸的其它氧化方式 : 不饱和脂酸的氧化 : 不饱和脂酸可在线粒体内进行 β- 氧化, 但需要特异酶类将其双键位置产生的中间物转变为 β- 氧化酶系所需底物形式, 才可继续进行 过氧化酶体脂酸的氧化 : 可将极长链脂酸 (C20 C22) 氧化成较短链脂酸, 以便进入线粒体继续氧化 与 β 氧化不同的是第一步反应产生的 FADH2 不进入呼吸链氧化, 而是生成 H2O2 丙酸的氧化 : 奇数碳脂酸及支链氨基酸氧化除生成乙酰 CoA 外, 还生成丙酰 CoA, 后者最终转变为琥珀酰 CoA 而参加三羧酸循环被氧化 酮体生成及利用 : 乙酰乙酸 β- 羟丁酸 丙酮三者通称酮体, 是脂酸在肝中代谢的正常中间产物, 是肝脏输出能源的一种形式 生成 : 脂酸 β 氧化产生的乙酰 CoA 是合成酮体的原料 在肝细胞线粒体中酶的催化下,2 分子乙酰 CoA 缩合为乙酰乙酰 CoA, 后者在 HMGCoA 合酶催化下与另 1 分子乙酰 CoA 缩合生成羟甲基戊二酸单酰 CoA(HMGCoA),HMGCoA 裂解为乙酰乙酸和乙酰 CoA, 乙酰乙酸在 β- 羟丁酸脱氢酶催化下, 由 NADH 供氢, 还原生成 β- 羟丁酸, 或脱羧生成丙酮 生成酮体是肝脏特有的功能, 但肝脏缺乏氧化利用酮体的酶类, 因此酮体生成后须通过血液运输到肝外组织氧化利用 利用 : 在心 肾 脑等肝外组织的线粒体中具有活性很强的氧化酮体的酶类 β- 羟丁酸由 β- 羟丁酸脱氢酶催化, 重新脱氢生成乙酰乙酸, 在不同肝外组织中乙酰乙酸可在琥珀酰 CoA 转硫酶或乙酰乙酸硫激酶作用下转变为乙酰乙酰 CoA, 然后裂解为 2 分子乙酰 CoA, 进入三羧酸循环彻底氧化 丙酮可经肾 肺排出, 或在酶的作用下转变为丙酮酸或乳酸, 进而异 28

29 生成糖 生理意义 : 肝脏将不易氧化的脂酸转变加工为酮体 酮体分子小 极性强 能透过血脑屏障 易于氧化利用 成为肝脏为肝外组织特别是大脑提供的能源形式 在饥饿 糖供应不足时, 酮体可成为大脑 肌肉的主要能源 糖尿病患者由于胰岛素绝对或相对不足, 机体氧化利用葡萄糖障碍, 必须依赖脂酸氧化供能 此时, 脂肪动员加强, 酮体生成增加, 当超过肝外组织氧化利用能力时, 即引起血中酮体浓度升高, 其中乙酰乙酸 β- 羟丁酸为较强的有机酸, 在血中堆积超过机体的缓冲能力时即可引起酮症酸中毒 调节 : 由于脂肪动员加强, 入肝的长链脂酰 CoA 增多, 别构抑制乙酰 CoA 羧化酶, 增高的胰高血糖素则使该酶磷酸化而抑制其活性 乙酰 CoA 羧化酶可催化乙酰 CoA 羧化生成丙二酰 CoA, 后者可抑制 CAT I 的活性 糖尿病人丙二酰 CoA 含量下降, 此抑制作用减弱, 从而促进脂酰 CoA 进入线粒体分解产生酮体 3. 脂酸的合成代谢 : 部位 : 在肝 肾 脑 肺 乳腺及脂肪等组织胞浆中, 肝脏是主要合成器官 原料 : 机体许多组织主要利用葡萄糖代谢所提供的乙酰 CoA 及 NADPH 等来合成脂肪酸 细胞内的乙酰 CoA 全部在线粒体中产生, 而合成脂肪酸的酶系存在于胞浆, 因此乙酰 CoA 须通过柠檬酸 - 丙酮酸循环机制转运至胞浆中, 即乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合成柠檬酸转运至胞浆再裂解生成乙酰 CoA 参与脂肪酸的合成 NADPH 主要来自磷酸戊糖途径, 亦可来自胞浆中苹果酸酶及异柠檬酸脱氢酶所催化的反应 过程 : 在胞浆内 FA 的合成分两步进行 : 首先由乙酰 CoA 在乙酰 CoA 羧化酶的催化下消耗 ATP 羧化成丙二酰 CoA 乙酰 CoA 羧化酶是脂酸合成的限速酶, 辅基为生物素, 受到别构调节和共价修饰调节 柠檬酸 异柠檬酸为别构激活剂 ; 而长链脂酰 CoA 则为别构抑制剂 胰高血糖素等可通过依赖于 AMP 的蛋白激酶使乙酰 CoA 羧化酶磷酸化而失活 ; 胰岛素的作用则相反 然后, 在脂酸合成酶系的作用下, 从乙酰 CoA 及丙二酰 CoA 开始, 经过缩合 加氢 脱水 再加氢等 7 步不断重复进行的加成过程, 由 NADPH 提供还原当量, 每次延长二个碳原子, 最终生成 16 碳的软脂酸 哺乳动物胞浆中的脂肪酸合成酶是具 8 种酶活性的多功能酶 脂酸碳链的延长 : 软脂酸可在内质网或线粒体内酶的作用下进行碳链延长 不饱和脂酸的生成 : 在内质网去饱和酶的作用下合成不饱和脂肪酸 但动物体内缺乏 Δ 9 以上的去饱和酶, 不能合成某些多不饱和脂肪酸, 需从植物油摄取 调节 : 机体通过调节脂酸合成过程中的关键酶 乙酰 CoA 羧化酶的活性而调节脂酸的合成 4. 多不饱和脂肪酸的重要衍生物 : 前列腺素 (PG) 血栓噁烷(TX) 及白三烯 (LT) 总称为 29

30 类二十烷 (eicosanaids), 都是由多不饱和脂肪酸主要是二十碳四烯酸 ( 花生四烯酸 ) 衍生的代谢物 当细胞受到外界刺激时, 细胞膜中磷脂酶 A2 等被激活, 使磷脂水解释出花生四烯酸, 然后在一系列酶的作用下合成 PG TX 和 LT 近年来发现,PG TXA2 及 LTs 几乎参与了所有细胞代谢活动, 并且与炎症 免疫 过敏 心血管病等重要病理过程有关, 在调节细胞代谢上具有重要作用 基本概念 (1) 脂肪动员 : 储存在脂肪细胞中的脂肪被甘油三酯逐步水解为游离脂酸 (FFA) 和甘油并释放入血以供其它组织氧化利用的过程称为脂肪动员 (2) 脂肪酸的 β 氧化 : 在线粒体基质中, 脂酰 CoA 在脂肪酸 β 氧化多酶复合体的催化下, 从脂酰基的 β- 碳原子开始, 经过脱氢 ( 辅酶为 FAD) 加水 再脱氢( 辅酶为 NAD + ) 硫解四步连续反应, 生成 2 对辅酶携带的氢 一分子 2 碳单位乙酰 CoA 及比原来少二个碳原子的脂酰 CoA 的过程 (3) 酮体 (ketone bodies): 乙酰乙酸 β- 羟丁酸 丙酮三者通称酮体, 是脂肪酸在肝中代谢的正常中间产物, 是肝脏输出能源的一种形式 (4) 柠檬酸 - 丙酮酸循环 : 线粒体内乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合成柠檬酸被转运至胞浆中, 由 ATP 柠檬酸裂解酶催化使柠檬酸裂解生成乙酰 CoA 参与脂肪酸的合成, 同时生成的草酰乙酸还原为苹果酸被转运进入线粒体, 后者可在苹果酸酶的作用下分解为丙酮酸再转运入线粒体, 生成草酰乙酸再参与乙酰 CoA 的转运 基本要求掌握 : 甘油三酯的分解代谢 ( 包括甘油和脂肪酸 β 氧化 ); 酮体的生成 利用及生理意义 ; 熟悉 : 甘油三酯和脂肪酸的合成及调节 ; 脂肪动员的调节 ; 酮体生成的调节 ; 了解 : 多不饱和脂肪酸的重要衍生物 三 磷脂的代谢要点 1. 甘油磷脂的代谢 : 组成 分类及结构 : 根据碳骨架的不同, 磷脂可分为甘油磷脂和鞘脂 甘油磷脂以甘油为骨架, 在体内含量最多的是磷脂酰胆碱 ( 卵磷脂,PC), 其次为磷脂酰乙醇胺 ( 脑磷脂,PE) 等 甘油磷脂的生物功能包括, 作为构成生物膜脂双层的基本组分, 参与促进脂类的消化吸收及转运, 作为肺表面活性物质以及在细胞信息传递中起作用 合成 : 全身各组织细胞内质网均有合成磷脂的酶系, 可利用脂肪酸 甘油 磷酸盐 胆碱 30

31 丝氨酸 肌醇 ATP CTP 等合成甘油磷脂 其合成方式包括两种 : (1)DG 途径 : 磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺主要通过此途径合成 首先由 3- 磷酸甘油在转酰酶催化下接受 2 分子脂酰 CoA 生成磷脂酸, 后者由磷酸酶催化脱磷酸生成 DG,DG 是合成的重要中间物, 在转移酶作用下与活化的 CDP- 乙醇胺和 CDP- 胆碱结合生成磷脂酰乙醇胺和磷脂酰胆碱, 磷脂酰乙醇胺也可从 S- 腺苷蛋氨酸 (SAM) 获得 3 个甲基而生成磷脂酰胆碱 合成所需的胆碱和乙醇胺由活化的 CDP- 胆碱及 CDP- 乙醇胺提供 乙醇胺可由丝氨酸脱羧后生成, 然后从 SAM 获得 3 个甲基即可合成胆碱 ; 乙醇胺和胆碱分别经激酶催化, 由 ATP 提供能量发生磷酸化, 随后由 CTP 提供能量, 在胞苷转移酶催化下生成活化的 CDP- 乙醇胺和 CDP- 胆碱 (2)CDP-DG 途径 : 磷脂酰肌醇 磷脂酰丝氨酸及二磷脂酰甘油 ( 心磷脂 ) 由此途径合成 首先生成磷脂酸与上述途径相同, 不同的是磷脂酸不被磷酸酶水解, 而由 CTP 提供能量, 在磷脂酰胞苷转移酶的催化下, 生成活化的 CDP-DG, 然后在相应合成酶的催化下, 与丝氨酸 肌醇或磷脂酰甘油缩合, 即生成磷脂酰丝氨酸 (PS) 磷脂酰肌醇(PI) 或心磷脂 若由于必需脂肪酸或胆碱等原料缺乏, 使磷脂的合成发生障碍, 而磷脂是脂蛋白 VLDL 的必需成分, 因而导致肝脏 VLDL 的合成和分泌障碍, 影响 TG 的转运, 从而引起脂肪肝 甘油磷脂的降解 : 在生物体内存在多种磷脂酶类, 可分别作用于甘油磷脂分子中不同的酯键, 使甘油磷脂水解 其中 PLA1 及 PLA2 分别作用于 1 2 位酯键 ;PLB1 作用于溶血磷脂 1 位酯键 ; PLC 作用于 3 位酯键 ; 而 PLD 则作用于磷酸与取代基间酯键 2. 鞘磷脂的代谢 化学组成及结构 : 鞘脂以鞘氨醇为骨架, 含磷酸者为鞘磷脂, 人体内含量最多的为神经鞘磷脂, 由鞘氨醇 脂肪酸及磷酸胆碱组成 ; 含糖者为鞘糖脂, 以脑苷脂和神经节苷脂较为重要 它们是生物膜的重要组分, 参与细胞识别及信息传递 代谢 : (1) 全身各组织细胞均可以软脂酰 CoA 及丝氨酸为原料首先合成鞘氨醇, 进一步生成神经鞘磷脂 (2) 降解 : 溶酶体内存在特异性鞘磷脂酶, 可降解鞘磷脂 若由于某种酶缺乏或活性下降, 则导致某些代谢物在细胞内的沉积, 引起脂类沉积症 基本要求掌握 : 甘油磷脂的组成 分类及结构 ; 熟悉 : 甘油磷脂合成部位 原料及辅助因子 合成基本过程及降解 ; 了解 : 鞘磷脂化学组成 结构及代谢 31

32 四 胆固醇代谢要点胆固醇是构成生物膜的重要成分, 可调节生物膜的流动性, 同时它是合成胆汁酸 类固醇激素及维生素 D 等生理活性物质的前体 机体所需胆固醇主要通过自身合成, 仅从食物摄取少量 1. 胆固醇的合成 : 部位 : 除脑组织和成熟红细胞外, 几乎全身各组织细胞的胞浆及滑面内质网膜上存在胆固醇合成酶系, 可催化合成胆固醇, 但体内 70%-80% 的胆固醇由肝脏合成 原料 : 以乙酰 CoA NADPH 等为原料合成胆固醇 过程 : 大体分三个阶段 :(1) 甲羟戊酸的合成 : 在胞浆中, 首先由 2 分子乙酰 CoA 缩合为乙酰乙酰 CoA, 然后再与另一分子乙酰 CoA 缩合生成 HMGCoA, 后者在内质网膜 HMGCoA 还原酶的催化下, 由 NADPH 供氢, 还原生成甲羟戊酸 (MVA) HMGCoA 是合成胆固醇及酮体的重要中间产物, 在线粒体中裂解生成酮体, 而在胞液中则还原为 MVA (2) 鲨烯的合成 :MVA 由 ATP 提供能量, 在胞浆内一系列酶的催化下, 经过脱羧 磷酸化 缩合 还原等过程, 即生成 30C 的鲨烯 (3) 胆固醇的合成 : 鲨烯经环化 氧化 脱羧 还原等反应, 脱去 3 个甲基最终生成 27C 的胆固醇 调节 :HMGCoA 还原酶是胆固醇合成的限速酶, 各种因素对胆固醇合成的调节主要是通过对 HMGCoA 还原酶活性的影响来实现的 2. 转化 : 胆固醇在体内的代谢去路包括转变为胆汁酸 类固醇激素及维生素 D 等 (1) 转变为胆汁酸 : 在肝中转变为胆汁酸是胆固醇在体内代谢的主要去路 ;(2) 转化为类固醇激素 : 在肾上腺皮质 睾丸 卵巢等内分泌腺可以胆固醇为原料合成肾上腺皮质激素 性激素等 ; (3) 转变为维生素 D: 胆固醇在肝脏转化为 7- 脱氢胆固醇, 通过血液运输至皮下储存, 经阳光中紫外线的照射,7- 脱氢胆固醇即转变为维生素 D3, 后者经肝 肾羟化酶的作用最终生成具有活性的 1,25(OH)2VitD3 基本要求掌握 : 胆固醇合成原料及关键步骤 ; 熟悉 : 胆固醇的转化 ; 胆固醇合成的调节 五 血浆脂蛋白代谢要点 1. 血脂 : 血浆所含脂类统称血脂 主要包括甘油三酯 磷脂 胆固醇及其酯 游离脂酸等 32

33 血脂的来源包括外源性 ( 食物脂类的消化吸收 ) 以及内源性 ( 各组织合成后释放入血 ), 其含量不如血糖恒定, 受膳食等因素的影响, 波动较大 2. 血浆脂蛋白的分类 组成及结构 : 分类 : 脂类不溶于水, 在血浆中以脂蛋白的形式运输 各种脂蛋白密度 颗粒大小 表面电荷 电泳行为及免疫性均不同 可采用电泳的方法将脂蛋白分为 α 前 β β 及乳糜微粒 (CM) 四类 ; 或采用超速离心法分为乳糜微粒 (CM) 极低密度脂蛋白(VLDL) 低密度脂蛋白 (LDL) 高密度脂蛋白(HDL) 等四类 组成 : 各类血浆脂蛋白均含蛋白质及 TG PL Ch CE 等脂质, 但其组成比例及含量却不同 其中 CM 颗粒最大, 含 TG 可达 80%-95%, 含蛋白质最少 ( 主要有 apob48 apoa apoc apoe), 密度最小, 血浆静置即可漂浮 ;VLDL 含 TG 达 50%-70%, 蛋白质含量高于 CM( 主要含 apob100 apoc apoe), 密度较 CM 大 ;LDL 含 Ch 及 CE 最多, 达 40%-50%, 其蛋白质几乎只含 apob100;hdl 含蛋白质最多 ( 主要有 apoai apo AII apoc apoe), 可达 50%, 密度最高, 颗粒最小 结构 : 各种脂蛋白具有相似的球状基本结构, 疏水性较强的 TG 及 CE 位于脂蛋白的核心, 其中 CM 及 VLDL 主要以 TG 为核心, 而 LDL 及 HDL 则主要以 CE 为核心 具有双性基团的 PL 游离 Ch 以及 apo 则以单分子层借其疏水基团与核心以疏水键相连, 覆盖于脂蛋白表面, 极性基团朝外 3. 载脂蛋白 : 血浆脂蛋白中的蛋白质部分称载脂蛋白 (apo), 至今已从人血浆中分离出 18 种 apo, 主要包括 apoa B C D E 等 5 类 其中 apoa 又分为 AI AII AIV;apoB 又分为 B100 及 B48;apoC 分为 CI CII CIII,CIII 等 apoe 根据其组成及等电点不同分为 E2 E3 E4 绝大多数 apo 的一级结构已经阐明 不同脂蛋白所含 apo 不同 Apo 的主要功能如下 : (1) 结合和转运脂质, 稳定脂蛋白结构 :Apo 大多具有双性 α 螺旋结构 (amphipathic α-helix), 沿螺旋纵轴同时存在亲脂非极性面和亲水的极性面, 有利于结合脂质和稳定脂蛋白结构 (2) 调节脂蛋白代谢关键酶活性 : 如 apocii 是脂蛋白脂肪酶 (LPL) 不可缺少的激活剂 ;apoai 则为卵磷脂胆固醇脂酰转移酶 (LCAT) 的激活剂 (3) 参与脂蛋白受体的识别 : 如 apob100 及 apoe 参与 LDL 受体的识别 ;apoai 参与 HDL 受体的识别 ;apoe 参与 apoe 受体的识别等 由于各种脂蛋白主要通过受体途径代谢, 因此 apo 影响和决定着脂蛋白的代谢 (4) 脂质转运蛋白 (LTP): 主要包括胆固醇酯转运蛋白 (CETP) 及磷脂转运蛋白 (PTP), 促 33

34 进 PL CE 及 TG 在 HDL 与 VLDL 及 LDL 之间的转运与交换 4. 血浆脂蛋白代谢 : (1)CM 的代谢 :CM 是运输外源性 TG 及 CE 的主要形式 食物脂肪消化吸收后在小肠粘膜细胞内再合成 TG PL 及 CE 等, 加上 apob48 AI AII AIV 等形成新生的 CM, 经淋巴进入血液, 并从 HDL 获得 apoc 及 E, 形成成熟的 CM 其中 apocii 可激活肌肉等组织毛细血管内皮细胞表面的脂蛋白脂肪酶 (LPL), 后者使 CM 中的 TG 逐步水解生成甘油及脂酸而被摄取利用 最终 CM 转变为富含 CE apob48 及 apoe 的 CM 残粒, 被肝细胞膜 apoe 受体结合并摄取代谢 正常人 CM 在血浆中代谢迅速, 空腹 12 小时以后血浆中不含 CM (2)VLDL 的代谢 :VLDL 是运输内源性 TG 的主要形式 肝细胞内合成的 TG PL CE 及 Ch, 加上 apob100 E 等形成 VLDL 释放入血, 从 HDL 获得 apoc, 其中 apocii 可激活 LPL, 在 LPL 的作用下 VLDL 中 TG 逐步水解, 同时不断接受 HDL 的 CE, 体积逐渐变小, 密度逐渐增高, 转变为中间密度脂蛋白 (IDL), 一部分 IDL 被肝细胞膜 apoe 受体结合而代谢 ; 另一部分 IDL 则在 LPL 及 HL 的进一步作用下最终转变为主要含 CE 及 apob100 的 LDL (3)LDL 的代谢 : 在肝脏等全身各组织细胞膜表面均存在能特异识别与结合含 apoe 或 apob100 脂蛋白的受体, 称 apob E 受体, 即 LDL 受体, 其中以肝脏 肾上腺 性腺等组织含量最为丰富 当血浆中 LDL 与 LDL 受体结合后, 受体聚集成簇, 内吞入细胞与溶酶体融合 在溶酶体内酶的作用下,LDL 中的 apo B100 水解为氨基酸,CE 被水解为 Ch 及 FA,Ch 可掺入细胞膜作为结构成分, 或转变为类固醇激素 胆汁酸或 VitD 等 在细胞内 Ch 可调节细胞内胆固醇代谢 :1 抑制内质网 HMGCoA 还原酶, 减少细胞自身胆固醇的合成 ;2 抑制 LDL 受体基因的表达, 减少细胞对 LDL 的进一步摄取 ;3 激活内质网脂酰 CoA 胆固醇脂酰转移酶 (ACAT) 活性, 促进细胞内游离 Ch 酯化 一方面保证了细胞内胆固醇的充分供应, 同时又防止了胆固醇在细胞内的过度蓄积 正常人血浆中 LDL 每天降解量占总量的 45%, 其中 2/3 通过 LDL 受体途径降解 肝脏是降解 LDL 的主要器官 (4)HDL 的代谢 :HDL 主要由肝脏合成, 小肠也可合成, 另外,CM 及 VLDL 代谢时, 其表面的载脂蛋白以及磷脂 胆固醇等可脱离下来形成新生的 HDL 新生 HDL 呈盘状, 进入血液后, 在血浆 LCAT 的催化下, 其表面磷脂的 2 位脂酰基转移至胆固醇 3 位羟基上生成溶血卵磷脂及胆固醇酯, 后者转运进入 HDL 内核 LCAT 由肝细胞合成分泌入血而发挥作用 血浆中的胆固醇酯主要由该酶催化合成, 若肝功能障碍, 则血浆中胆固醇酯水平下降 上述过程中消耗的卵磷脂和游离胆固醇不断从细胞膜 CM 及 VLDL 得到补充, 最终 HDL 转变为球状成熟 HDL3 随着内核中胆固醇酯的增加, 以及 HDL 与 CM 和 VLDL 之间不断进行的载脂蛋白及磷脂的交换, 34

35 HDL3 转变为密度较小 颗粒较大的 HDL2 HDL2 的含量与 CM 及 VLDL 的水解呈正相关 在肝脂酶的作用下,HDL2 的磷脂及甘油三酯水解, 转变为 HDL3 HDL 主要在肝脏降解 成熟 HDL 可与肝细胞膜 HDL 受体结合而被降解 HDL 在 LCAT apoai 及 CETP 等的作用下, 可将胆固醇从肝外组织转运到肝脏进行代谢 此过程称为胆固醇的逆向转运 机体通过这种机制, 可将外周组织衰老细胞膜中的胆固醇转运至肝脏代谢并排出体外 同时 HDL 又是 apocii 的贮存库, 参与 CM 和 VLDL 的代谢 5. 血浆脂蛋白代谢异常 : 异常脂蛋白血症主要是指高脂血症, 血脂浓度高于正常人的上限即为高脂血症, 血脂升高实际上是血浆中某一类或某几类脂蛋白水平升高的表现, 应称为高脂蛋白血症 此外, 存在一些罕见的异常脂蛋白血症, 表现为某些脂蛋白的减少或缺乏 高脂血症的分类 (1) 按照是否继发于全身系统性疾病分类 : 继发性高脂血症 : 继发于其它疾病如糖尿病等 ; 原发性高脂血症 : 原因不明的高脂血症, 有些是遗传缺陷, 如 LDL 受体缺陷可导致家族性高胆固醇血症 (2) 按表型分类 :1970 年世界卫生组织 (WHO) 建议将高脂血症分为六型 :I 型 IIa 型 IIb 型 III 型 IV 型 V 型 分型脂蛋白变化血脂变化 I CM TG Ch IIa LDL Ch IIb LDL VLDL Ch TG III IDL Ch TG IV VLDL TG V VLDL CM TG Ch 基本概念 (1) 血脂 : 血浆所含脂类统称血脂 主要包括甘油三酯 磷脂 胆固醇及其酯 游离脂酸等 (2)LDL 受体 : 在肝脏 动脉壁细胞等全身各组织细胞膜表面, 存在能特异识别与结合含 apoe 和 apob100 脂蛋白的受体, 称 apob E 受体, 即 LDL 受体 (3) 胆固醇的逆向转运 :HDL 在 LCAT apoai 及 CETP 等的作用下, 可将胆固醇从肝外组织转运到肝脏进行代谢 此过程称为胆固醇的逆向转运 机体通过这种机制, 可将外周组织衰老细胞膜中的胆固醇转运至肝脏代谢并排出体外 35

36 基本要求 掌握 : 血浆脂蛋白的分类 组成及结构 ; 血浆脂蛋白的代谢及重要的载脂蛋白 ; 熟悉 : 血浆脂蛋白的代谢异常 第七章生物氧化 (5 学时 ) 本章重点 : 生物氧化的概念, 生物氧化与物质在体外氧化的区别 线粒体内生成 ATP 的生物氧化体系 : 呼吸链的概念 组成, 及各成分的排列顺序 两条氧化呼吸链 :NADH 呼吸链及琥珀酸呼吸链 氧化磷酸化 : 氧化磷酸化的概念,P/O 比值的概念, 氧化磷酸化的偶联部位 氧化磷酸化的偶联机制 : 化学渗透学说 ;ATP 合酶的结构 影响氧化磷酸化的因素 : 呼吸链的抑制剂, 解偶联剂, 氧化磷酸化的抑制剂,ADP 及甲状腺激素对氧化磷酸化的调节作用 胞液中 NADH 氧化 :α- 磷酸甘油穿梭作用和苹果酸 - 天冬氨酸穿梭作用 线粒体外的氧化体系 : 需氧脱氢酶和氧化酶 ; 过氧化酶体中的氧化酶类 ; 超氧化物歧化酶 ; 微粒体中的氧化酶类 本章难点 : 呼吸链的概念 组成, 及各成分的排列顺序 氧化磷酸化的概念, 氧化磷酸化的偶联机制 : 化学渗透学说 胞液中 NADH 氧化 :α- 磷酸甘油穿梭作用和苹果酸 - 天冬氨酸穿梭作用 一 生物氧化概述 1: 生物氧化 (biological oxidation) 指物质在生物体内的氧化过程, 亦即物质在体内进行的氧化还原反应, 主要指糖 脂肪 蛋白质在体内分解时逐步释放能量, 最终生成二氧化碳和水的过程 物质在体内和体外的氧化还原过程遵循同样的规律 生物体内物质氧化方式是加氧 脱氢及失去电子, 而脱氢是更常见的氧化方式, 脱氢可看作同时失去 H + 和电子 同一物质在体内 外氧化时耗氧 终产物 (CO2 H2O) 和能量释放均相同, 但体内氧化与体外氧化比较又有以下显著特点 :1 生物氧化是在机体中 ph 近中性 37 温和的水溶液环境中, 由酶催化而逐步进行的过程 ;2 体内 CO2 来自有机酸脱羧反应, 而底物脱下的氢经电子传递过程最后与氧结合生成 H2O3 氧化时能量逐步释放, 有利于捕获大部分能量用于 ATP 生成 ATP 是机体生命活动最重要提供能量的分子 线粒体是细胞的 能量工厂, 营养物质的共同终末氧化途径在线粒体内进行, 而线粒体能将营养物氧化所释放的大部分自由能捕获, 使 ADP 磷酸化生成 ATP, 其余能量以热能形式释放 线粒体内生物氧化对机体能量供应十分重要, 此外, 还有些生物氧化过程发生在细胞的其他部分 生物氧化主要包括线粒体中生成 ATP 的氧化体系, 这是本章讨论的主要内容 ; 此外, 也将介绍一些其 36

37 他类型的氧化还原反应 基本概念 : 生物氧化基本要求 : 明确生物氧化与体外的氧化还原过程的联系与区别二 生成 ATP 的氧化体系要点 : 1. 呼吸链的概念呼吸链 : 在真核细胞的线粒体内膜或原核细胞的质膜上, 有一系列氧化还原酶, 按一定顺序排列构成呼吸链 (respiratory chain) 或称电子传递链 (electron transport chain) 它们的辅酶或辅基起到传递氢或电子的作用 传递氢的辅酶或辅基称为递氢体, 传递电子的辅酶或辅基称为递电子体 2. 呼吸链的组成 : 线粒体呼吸链可拆分成四个具有传递电子功能的酶复合体, 分别是 : 酶复合体 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ: 它们分别是 NADH- 泛醌还原酶, 琥珀酸 - 泛醌还原酶, 泛醌 - 细胞色素 C 还原酶, 细胞色素 C 氧化酶 各复合体由其辅酶或辅基起到递氢体和递电子体功能, 递氢体和递电子体主要有以下 5 类 : (1). 尼克酰胺核苷酸包括尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD + ) 和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP + ), 是体内许多脱氢酶的辅酶 NAD + 的主要功能是作为递氢体接受代谢物脱下的 2H, 然后传给邻近的黄素蛋白 (2). 黄素蛋白 (flavoproteins, FP) FP 种类很多, 其辅基有两种 : 黄素单核苷酸 (FMN) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 两者均含维生素 B 2 电子传递链中 NADH-CoQ 还原酶含辅基 FMN, 而琥珀酸脱氢酶等几种脱氢酶含辅基 FAD (3). 铁硫蛋白铁硫蛋白 (iron-sulfur proteins, Fe-S) 的辅基是铁硫簇 (iron-sulfur cluster) 又称铁硫中心, 其特点是含等量铁原子和硫原子 ( 如 Fe 2 S 2, Fe 4 S 4 ), 每次传递 1 个电子 在复合体 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 中都存在 Fe-S (4). 泛醌 : 泛醌 (ubiquinone, UQ 或 Q) 又称辅酶 Q(Coenzyme Q, CoQ), 是一种脂溶性醌类化合物 它有较长的多个异戊间二烯构成的侧链, 因侧链的疏水作用, 它能在线粒体内膜中迅速扩散, 能可逆结合 2 个质子和 2 个电子 (5). 细胞色素体系 : 细胞色素 (Cytochrome, Cyt) 是位于线粒体内膜的电子传递体, 其辅基为铁卟啉 据其吸收光谱不同而分为三大类, 分别为 Cyta b c(cyta Cytb Cytc), 每类又有若干亚类, 细胞色素通过辅基中 Fe 2+ Fe 3+ +e 可逆改变传递电子, 为单电子传递体 3. 组成呼吸链的四种酶复合体复合体 Ⅰ:NADH- 泛醌还原酶将电子从 NADH 传递给泛醌 复合体中含有辅基 FMN 和 Fe-S 37

38 复合体 Ⅱ: 琥珀酸 - 泛醌还原酶 将电子从琥珀酸传递给泛醌 人复合体 Ⅱ 中含以 FAD 为辅基的黄素蛋白 铁硫蛋白和细胞色素 b 560 复合体 Ⅲ: 泛醌 - 细胞色素 C 还原酶 复合体 Ⅲ 将电子从泛醌传递给细胞色素 C 复合体 Ⅲ 中含有 Cytb562,Cytb566 和铁硫蛋白 复合体 Ⅳ: 细胞色素 C 氧化酶 复合体 Ⅳ 将电子从细胞色素 C 传递给氧 人复合体 Ⅳ 中含有 Cyta 和 Cyta3 由于两者结合紧密, 很难分离, 故称之为 Cytaa3 Cytaa3 中含有 2 个铁卟啉辅基和 2 个铜原子 2 个铜原子分别与 2 个铁卟啉辅基相连 铜原子可通过反应 Cu + Cu 2+ +e 传递电子 4. 呼吸链成分的排列顺序电子从电子亲和力低 ( 氧化能力弱 ) 的电子传递体传向电子亲和力强 ( 氧化能力强 ) 的传递体 测定各电子传递体的标准氧化还原电位值 (E 0 ) 即可测出其氧化还原能力 E 0 值越小的电子传递体供电子能力越大, 处于电子传递链的前端 呼吸链各组分的电子传递顺序 : 琥珀酸 FAD(Fe-S) NADH FMN CoQ Cytb Cytc1 Cytc Cytaa3 O 2 在线粒体内, 主要的呼吸链有两条 :NADH 氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链 (1). NADH 氧化呼吸链 : 为体内最常见的一条重要的呼吸链 代谢过程中多种代谢物如苹果酸 乳酸等脱氢时, 辅酶 NAD + 接受氢生成 NADH+H +, 通过复合体 Ⅰ 传递给 CoQ 生成 CoQH2, 后者把 2H 中 2H + 释放于介质中, 而将 2 个电子经复合体 Ⅲ ( Cytb, Fe-S, Cytc 1) Cytc 和复合体 Ⅳ, 最终交给 1/2 O 2 生成 O 2-, 再与介质中的 2H + 结合生成水 (2). 琥珀酸氧化呼吸链 (FADH 2 氧化呼吸链 ): 琥珀酸 脂酰 CoA 和 α- 磷酸甘油等脱下的氢直接经复合体 Ⅱ(FAD,Fe-S,Cytb560) 传递给 CoQ, 形成 CoQH2, 以后传递与 NADH 氧化呼吸链相同, 最终将 2e 传递给氧, 生成 H 2 O 这条呼吸链不如 NADH 氧化呼吸链作用普遍 5. 氧化磷酸化概念 : 氧化磷酸化 : 在机体能量代谢中,ATP 是体内最重要的供能的高能化合物 细胞 ATP 的形成方式主要是氧化磷酸化, 即在呼吸链传递电子过程中偶联 ADP 的磷酸的化生成 ATP, 因此又称偶联磷酸化 P/O 比值 :P/O 比值是指每消耗 1mol 氧原子所消耗的无机磷酸的 mol 数 1mol 氧原子氧化生成 1mol 38

39 水的氧化磷酸化过程中,ADP 磷酸化产生 ATP 时消耗无机磷酸, 无机磷的消耗量可反映 ATP 的生成数 氧化磷酸化偶联部位 : 偶联部位有 3 个 :NADH CoQ,CoQ Cytc 及 Cytaa 3 O 2 FADH 2 NADH FMN CoQ Cytb Cytc Cytaa3 O 氧化磷酸化的偶联部位可通过计算自由能变化和 P/O 比值来确定 6. 氧化磷酸化偶联机制 (1) 化学渗透学说其基本要点是 : 呼吸链中复合体 Ⅰ Ⅲ Ⅳ 具有质子泵功能, 在呼吸链传递电子过程中释放能量, 将质子从线粒体内膜的基质侧泵到胞浆侧, 由于内膜对质子的不通透特性, 造成膜内 外质子电化学梯度, 从而储存呼吸链氧化释出的能量 当质子顺梯度回流时则驱动 ADP 与 Pi 生成 ATP (2)ATP 合酶 :ATP 合酶是线粒体内膜蛋白复合体, 由嵌入内膜中疏水的 F 0 部分和突出于线粒体基质中 亲水的 F 1 部分组成, 因此又称为 F 0 F 1 复合体 F 1 的功能是催化 ATP 生成, 其中的 β 亚基为催化亚基 F 0 是嵌在线粒体内膜中的质子通道 当质子顺梯度经 F 0 回流时,F 1 催化 ADP 和 Pi 生成 ATP 此外, 在 F 0 和 F 1 之间的柄部还有寡霉素敏感蛋白 (oligomycin sensitivity conferring protein,oscp),oscp 与寡霉素结合后可抑制 ATP 合酶活性 7. 影响氧化磷酸化的因素 (1) 抑制剂根据其作用部位的不同, 可分为三类 : 电子传递抑制剂 氧化磷酸化抑制剂及解偶联剂 1 电子传递抑制剂 : 此类抑制剂可在特异部位阻断呼吸链的电子传递, 也称呼吸链抑制剂, 因此都是毒性物质 主要包括 : 鱼藤酮 异戊巴比妥 粉蝶霉素 A 抗霉素 A 二巯基丙醇 CO CN - N - 3 H 2 S 等 这些抑制剂均为毒性物质, 可使细胞内呼吸停止, 严重时导致细胞活动停止, 机体死亡 2 氧化磷酸化抑制剂 : 此类抑制剂可同时抑制电子传递和 ADP 磷酸化 如寡霉素 (oligomycin) 可与 ATP 合酶柄部 OSCP 结合, 阻断质子通道回流, 抑制 ATP 生成 ;H + 在线粒体内膜外积累, 影响呼吸链质子泵的功能, 从而抑制电子传递 3 解偶联剂 (uncoupler): 抑制剂破坏内膜两侧的电化学梯度, 而使氧化与磷酸化偶联脱离 最常 39

40 见的解偶联剂是二硝基苯酚 (dinitrophenol,dnp) (2) ADP 的调节作用 : ADP 为氧化磷酸化的底物, 当机体利用 ATP 增多时,ADP 浓度增高, 转运入线粒体后, 使氧化酸酸化速度加快 ; 反之,ADP 不足, 氧化磷酸化速度减慢 (3) 甲状腺激素 : 甲状腺激素是调节机体能量代谢的重要激素, 它可诱导细胞膜上 Na + -K + -ATP 酶的生成, 使 ATP 加速分解为 ADP 和 Pi,ADP 进入线粒体数量增多, 促进氧化磷酸化反应 因 ATP 合成和分解速度均增加, 引起机体耗氧量和产热量增加, 基础代谢率增加 (4) 线粒体 DNA 突变 : 线粒体 DNA 因缺乏蛋白质的保护和损伤修复系统, 容易受到氧化磷酸化过程中产生的氧自由基的损伤而发生突变, 线粒体 DNA 有编码呼吸链氧化磷酸化复合体中某些多肽链的基因及其它相关的 trna 和 rrna 的基因, 因此线粒体 DNA 突变将影响氧化磷酸化的功能 8. 能量分子 ATP 生物体要不断利用糖 脂肪及蛋白质等能源物质氧化分解释放能量以维持生命 营养物氧化释出的能量一部分以热能形式散发, 而很大部分能量以 ATP 分子的化学能形式贮存, 作为机体各种生命活动的能源 在体内能量储存和利用均以 ATP 为中心 ATP 是由腺嘌呤 核糖和三个磷酸组成的游离的核苷酸 生理条件下,ATP 分子内的三个相邻磷酸基团均解离为负电基团, 负电互相排斥, 这种高张力分子状态储存较大的化学能 当末端两个磷酸酯键 (β 或 γ) 水解时, 有大量的自由能释放出来 ATP + H 2 O ADP + Pi G 0 = kj/mol ADP + H 2 O AMP + Pi G 0 = kj/mol 生物化学中把磷酸酯键水解时, 每 mol 释放的自由能大于 20 kj 者称为高能磷酸键, 含有高能磷酸键的化合物, 如 ATP 则称为高能化合物 高能磷酸键常用 "~P" 符号表示 高能键的名称是不够确切的, 一种高能化合物水解释放的能量取决于该化合物整个分子发生化学变化时自由能的释放量, 而不是某一化学键中的能量 因为表述习惯," 高能磷酸键 " 至今仍被生物化学界广泛采用 因为 ADP + Pi ATP,ATP 由 ADP 的磷酸化生成, 习惯将 ATP 的产生称磷酸化作用 体内 ATP 的生成有两种方式 : 底物水平磷酸化和氧化磷酸化 在体内,ATP 可通过高能磷酸基团的转移生成 UTP CTP GTP 等, 它们分别在糖原合成 磷酯合成 蛋白质的生物合成中起重要作用 ATP 还可将高能磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸, 磷酸肌酸是体内能量的一种贮存形式 9. 通过线粒体内膜的物质转运 (1) 胞液中 NADH 的氧化 40

41 线粒体内三羧酸循环和 β- 氧化等氧化途径大量产生的还原当量 NADH 和 FADH 2 可直接经呼吸链的传 递最终被氧化形成 H 2 O, 同时产生 ATP, 而胞液中如糖酵解中 3- 磷酸甘油醛脱氢等反应可生成少量的 NADH, 因线粒体内膜对 NADH 不能自由通透, 胞液中生成的 NADH 必须经过某种转运机制才能进入线 粒体, 进而由呼吸链氧化成 H 2 O, 同时产生 ATP 这种转运机制主要有 α- 磷酸甘油穿梭作用和苹果酸 - 天 冬氨酸穿梭作用 1α- 磷酸甘油穿梭作用 : 胞液 NADH 中的一对氢原子通过胞液中磷酸甘油脱氢酶 ( 辅酶为 NAD + ) 催化, 转移到 α- 磷酸甘油, 后者经内膜外侧的磷酸甘油脱氢酶 ( 辅酶 FAD) 作用, 生成的磷酸二羟丙酮 进入胞液继续穿梭, 而 FADH 2 则进入 FADH 2 氧化呼吸链被氧化, 并产生 2 分子的 ATP 这种穿梭主要在 脑 骨骼肌和肝等组织 2 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭 : 在胞液和线粒体内苹果酸脱氢酶 ( 均以 NAD + 为辅酶 ) 的作用下, 胞液中 的 NADH 中的氢先被苹果酸携带并进入线粒体, 被线粒体内的苹果酸脱氢酶催化转移给辅酶 NAD + 生成 NADH, 经 NADH 氧化呼吸链被氧化形成水, 同时产生 3 分子 ATP 而生成的草酰乙酸经天冬氨酸转氨 酶作用生成天冬氨酸, 通过载体运出线粒体, 再转变为草酰乙酸, 继续穿梭作用 心肌中存在这种穿梭机 制 由于糖酵解中 3- 磷酸甘油醛脱氢产生的 NADH+H + 可经上述两种不同穿梭进入线粒体内呼吸链氧化, 因此使 1 分子葡萄糖彻底氧化产生 36 或 38 分子 ATP (2) 腺苷酸载体 腺苷酸载体又称 ATP-ADP 载体 作用是将线粒体内生成的 ATP 运出线粒体, 同时将胞液中的 ADP 运到线粒体内, 此时伴随 H 2 PO 4 - 与 H + 的协同转运过程 (3) 线粒体蛋白质的跨膜转运 ( 了解内容 ) 基本概念 : 呼吸链 氧化磷酸化 P/O 比值 基本要求 : 呼吸链的组成 排列顺序, 体内最重要的两条呼吸链 :NADH 呼吸链及琥珀酸呼吸链 氧化磷 酸化机制 : 化学渗透学说,ATP 合酶的结构 ; 影响氧化磷酸化的因素, 通过线粒体内膜的物质转运 三. 其他氧化体系 1. 需氧脱氢酶和氧化酶 需氧脱氢酶和氧化酶催化产生的氢可直接以氧作为受氢体, 氧化酶辅基含铜离子, 产物有 H 2 O, 需氧 脱氢酶的辅基是 FAD 或 FMN, 产物是 H 2 O 2 2. 过氧化物酶体中的氧化酶类 过氧化氢酶可催化反应 2H 2 O 2 2 H 2 O+O 2 过氧化物酶以血红素为辅基, 可催化反应 R+H 2 O 2 RO+H 2 O 或 RH 2 +H 2 O 2 R+2H 2 O 3. 超氧物歧化酶体内生物氧化过程中可产生一系列氧化功能很强的氧化物, 如 O 2 H 2 O 2 羟自由基等, 超氧物歧化 41

42 酶 (SOD ) 是人体内防御超氧离子损伤的重要酶, 可催化反应 : 2O H + H 2 O 2 + O 2 体内的谷胱甘肽过氧化物酶可使 H 2 O 2 或过氧化物 ROOH 还原, 从而消除它们氧化损伤作用 4. 微粒体中的氧化还原酶类 (1). 加单氧酶 (monooxygenase): 催化一个氧原子加到底物分子上 ( 羟化 ), 另一个氧原子被氢 ( 来自 NADPH+H + ) 还原形成 H 2 O, 故又称混合功能氧化酶或羟化酶, 所催化的反应可简示为 : RH+NADPH+H + +O 2 ROH+NADP + +H 2 O 上述反应需细胞色素 P450(cytochrome P450,cytP450) 参与 CytP450 属于 Cytb 类, 参与类固醇激素 胆汁酸及胆色素的生成, 以及药物 毒物的生物转化过程 (2). 加双氧酶 : 加双氧酶催化氧分子中 2 个氧原子加到作用物中特定双键的 2 个碳原子上 如 : 色氨酸吡咯酶 基本要求 : 简单掌握以上所述线粒体外的氧化体系 第八章氨基酸代谢 (6 学时 ) 本章重点 氮平衡及必需氨基酸的概念, 蛋白质的腐败作用及腐败产物, 氨基酸脱氨基作用方式 : 转氨基,L- 谷氨酸氧化脱氨基, 联合脱氨基, 基本过程, 氨的来源和去路, 氨的转运过程, 丙氨酸 - 葡萄糖循环 尿素生成鸟氨酸循环的过程 部位及调节 氨基酸脱羧基作用, 生成的生理活性物质 一碳单位的概念 载体及生理功能 活性甲基的形式 一 蛋白质的营养作用要点 : 1. 蛋白质的生理功能维持细胞 组织的生长 更新 修补 ; 运输 ; 代谢调节 催化作用 ; 能量供给 2. 氮平衡蛋白质的含氮量平均约 16%, 食物中的含氮物质绝大多数是蛋白质, 因此机体内蛋白质代谢的概况可根据氮平衡实验来确定 即测定尿与粪中的含氮量 ( 排出氮 ) 及摄入食物的含氮量 ( 摄入氮 ) 可以反映人体蛋白质的代谢概况 氮平衡有三种情况 (1) 氮总平衡 : 摄入氮 = 排出氮, 反映正常成人的蛋白质代谢情况, 即氮的 收支 平衡 (2) 氮正平衡 : 摄入氮 > 排出氮, 部分摄入的氮用于合成体内蛋白质 儿童 孕妇及恢复期病人属于此种情况 (3) 氮负平衡 : 摄入氮 < 排出氮 例如饥饿或消耗性疾病患者 42

43 3. 蛋白质的营养价值人体内有 8 种氨基酸不能合成, 必须由食物供给, 称营养必需氨基酸, 含有必需氨基酸种类多和数量足的蛋白质营养价值高, 反之营养价值低 基本概念 : 1. 蛋白质的互补作用蛋白质的互补作用是指营养价值较低的食物蛋白同时食用时, 必需氨基酸可以相互补充, 从而提高营养价值 2. 必需氨基酸机体需要而又不能自身合成, 必须由食物供给的氨基酸称为营养必需氨基酸 人体内有 8 种必需氨基酸即 : 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 色氨酸 苯丙氨酸和蛋氨酸 基本要求 : 掌握氮平衡及必需氨基酸的概念, 熟悉蛋白质的生理功能 二 蛋白质的消化 吸收与腐败要点 : 1. 蛋白质的消化与吸收食物蛋白质的消化自胃中开始, 主要在小肠进行 胃蛋白酶 胰蛋白酶等是蛋白质消化的主要酶, 它们一般均由无活性的酶原经激活而成 各种蛋白水解酶对肽键作用的专一性不同, 通过各种蛋白酶的协同作用, 生成氨基酸及二肽后方可被吸收, 氨基酸的吸收主要在小肠进行, 可通过肠粘膜细胞膜上的氨基酸载体, 也可通过 γ- 谷氨酰基循环吸收氨基酸 人体内有四种氨基酸载体即中性氨基酸载体 碱性氨基酸载体 酸性氨基酸载体和亚氨基酸与甘氨酸载体 ;γ- 谷氨酰基循环是氨基酸吸收的一种方式, 通过谷胱甘肽的代谢来完成, 包括多种酶催化多种反应, 其中 γ- 谷氨酰基转移酶位于细胞膜上, 是该循环的关键酶 2. 蛋白质的腐败作用在蛋白质消化过程中, 有一部分蛋白质不被消化, 也有一小部分消化产物不被吸收 肠道细菌对这部分蛋白质及其消化产物所起的作用, 称为腐败作用 大多数腐败作用产物对人体有害, 例如胺类 氨 苯酚 吲哚及硫化氢等, 但也可以产生少量脂肪酸及维生素等有用物质 这些有害物质大部分随粪便排出 基本概念 : 蛋白质的腐败作用在蛋白质消化过程中, 有一部分蛋白质不被消化, 也有一小部分消化产物不被吸收 肠道细菌对这部分蛋白质及其消化产物所起的作用, 称为腐败作用 大多数腐败作用产物对人体有害, 例如胺类 氨 苯酚 吲哚及硫化氢等 基本要求 : 43

44 掌握蛋白质的腐败作用及腐败产物 熟悉蛋白质消化中各种酶的作用及 γ- 谷氨酰基循环 三 氨基酸的一般代谢要点 : 人体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡 不同的蛋白质在体内的寿命差异很大 真核细胞的蛋白质的降解有两条途径 : 一是不依赖 ATP 的过程, 在溶酶体内进行主要降解细胞外来源的蛋白质 膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白质 另一是依赖 ATP 和泛素的过程, 在胞液中进行, 主要降解异常蛋白和短寿命的蛋白质 外源性与内源性的氨基酸共同构成 氨基酸代谢库 参与体内代谢 各种氨基酸具有共同的结构特点, 故有共同的代谢途径, 但不同的氨基酸也各有其个别的代谢方式 1. 氨基酸的脱氨基作用脱氨基作用是氨基酸分解代谢的主要途径 体内的氨基酸可通过多种方式脱去氨基, 包括氧化脱氨基作用 转氨基作用 联合脱氨基作用及嘌呤核苷酸循环, 其中联合脱氨基作用是氨基酸脱氨基的主要方式 所谓联合脱氨基, 是指氨基酸的转氨基作用和氧化脱氨基作用的联合, 其过程是氨基酸首先与 α- 酮戊二酸在转氨酶催化下生成相应的 α- 酮酸和谷氨酸, 谷氨酸在 L- 谷氨酸脱氢酶作用下生成 α- 酮戊二酸和氨,α- 酮戊二酸再继续参与转氨基作用 上述联合脱氨基作用是可逆的, 所以也是体内合成非必需氨基酸的主要途径 催化氨基酸转氨基的酶是转氨酶, 其辅酶是维生素 B6 的磷酸酯即磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺, 此酶催化某一氨基酸的 α 氨基转移到另一种 α 酮酸的酮基上, 生成相应的氨基酸 体内有多种转氨酶, 其中谷丙转氨酶 (GPT 或 ALT) 和谷草转氨酶 (GOT 或 AST) 最为重要 由于骨骼肌和心肌中 L- 谷氨酸脱氢酶的活性弱, 难于进行联合脱氨基作用, 该组织的氨基酸主要通过嘌呤核苷酸循环进行脱氨基作用 嘌呤核苷酸循环过程, 氨基酸首先通过连续的转氨基作用将氨基转移给草酰乙酸, 生成天冬氨酸 ; 天冬氨酸与次黄嘌呤核苷酸生成腺苷酸带琥珀酸, 经裂解生成 AMP, AMP 在腺苷酸脱氨酶催化下脱去氨基 由此可见, 嘌呤核苷酸循环实际上也可以看成是另一种形式的联合脱氨基作用 2.α- 酮酸的代谢氨基酸脱氨基后生成的 α 酮酸主要代谢途径有三 :(1) 通过转氨基作用合成非必需氨基酸 (2) 转变成糖 脂类 体内能转变成糖的氨基酸称生糖氨基酸 ; 能转变成酮体的称生酮氨基酸 ; 二者兼备的称生糖兼生酮氨基酸 大多数氨基酸为生糖氨基酸 (3) 氧化供能 基本要求 : 掌握氨基酸脱氨基作用方式 : 转氨基,L- 谷氨酸氧化脱氨基, 联合脱氨基基本过程 熟悉 α- 酮酸代谢概况 四 氨的代谢要点 : 1. 氨的来源 44

45 正常情况下血氨的来源与去路保持动态平衡, 血浆中氨的浓度不超过 0.1mg/100ml 血氨增高, 引起脑功能紊乱 体内氨的来源 :(1) 组织中氨基酸脱氨基作用, 是体内氨的主要来源 ;(2) 肠道吸收的氨, 有两个来源,1 腐败作用产生的氨 ;2 肠道尿素经肠道细菌尿素酶 + 水解产生的氨,NH 3 比 NH 4 易吸收, 临床上对高血氨病人采用弱酸性液做结肠透析, 禁止用碱性液灌肠, 是为了减少氨的吸收 (3) 肾小管上皮细胞分泌的氨, 主要来自谷氨酰胺的水解 ;(4) 胺类 嘌呤 嘧啶等含氮物质的分解亦可以产生小部分氨 2. 氨的运输氨对机体是有毒的, 在血液中主要以无毒的丙氨酸及谷氨酰胺两种形式运输 肌肉中的氨通过丙氨酸 葡萄糖循环以无毒的丙氨酸形式运输到肝脏 ; 谷氨酰胺是脑 肌肉等组织向肝脏运输氨的形式 3. 尿素的生成正常情况下, 体内的氨主要在肝脏合成尿素, 只有少部分在肾以铵盐形式由尿排出 尿素在肝细胞经鸟氨酸循环合成 使有毒的氨合成无毒的尿素, 随尿液排出体外 主要步骤 :(1) CO 2 和氨在氨基甲酰磷酸合成酶 Ⅰ(CPS-Ⅰ) 催化下生成氨基甲酰磷酸, 反应在线粒体内进行, 消耗 2 分子 ATP;(2) 氨基甲酰磷酸和鸟氨酸缩合成瓜氨酸, 瓜氨酸通过线粒体膜到达胞液 ;(3) 精氨酸的生成, 瓜氨酸与天冬氨酸缩合成精氨酸代琥珀酸, 后者裂解为精氨酸和延胡索酸 ;(4) 尿素的生成, 精氨酸由精氨酸酶催化释放 1 分子尿素和鸟氨酸, 完成鸟氨酸循环 尿素生成受多种因素的调节, 以保证及时 充分地解除氨毒 氨基甲酰磷酸的生成是尿素合成的重要步骤,N- 乙酰谷氨酸是 CPS-Ⅰ 的别构激活剂, 它由乙酰辅酶 A 和谷氨酸通过 N- 乙酰谷氨酸合成酶催化而生成, 精氨酸是 N- 乙酰谷氨酸合成酶的激活剂 2 分子的 NH 3 和 1 分子 CO 2 通过鸟氨酸循环生成 1 分子的尿素, 其中第二分子的 NH 3 以天冬氨酸的形式参与合成 尿素合成是一个耗能过程, 合成 1 分子尿素消耗 4 个高能键 正常情况下, 血氨的来源与去路保持动态平衡, 血氨水平较低, 氨在肝脏合成尿素是维持平衡的关键, 当肝脏受损时血氨浓度升高称高氨血症 基本概念 : 丙氨酸 葡萄糖循环肌肉中的氨基酸将氨基转给丙酮酸生成丙氨酸, 经血液到肝脏 在肝中脱去氨基, 用于合成尿素 生成的酮酸可转成葡萄糖随血液到达肌肉组织, 经糖分解途径生成丙酮酸, 再加氨基生成丙氨酸, 称为丙氨酸 葡萄糖循环 该循环是肌肉与肝脏之间氨运输的方式 基本要求 : 掌握氨的来源和去路, 氨的转运过程, 丙氨酸 - 葡萄糖循环 掌握尿素生成鸟氨酸循环的过程 部位及调节 五 个别氨基酸代谢要点 : 45

46 1. 氨基酸的脱羧基作用体内部分氨基酸可进行脱羧基作用, 生成相应的胺类 催化这些反应的是氨基酸脱羧酶, 其辅酶是磷酸吡哆醛 谷氨酸脱羧生成 γ- 氨基丁酸 组氨酸脱羧生成组胺 色氨酸脱羧生成 5- 羟色胺, 此外还有精胺 精脒等, 这些胺类都具有重要的生理功能 2. 一碳单位的代谢某些氨基酸在分解代谢过程中产生的含有一个碳原子的基团, 称为一碳单位 其代谢的辅酶是四氢叶酸 一碳单位参与嘌呤 胸腺嘧啶的合成, 主要的一碳单位有甲基 甲烯基 甲炔基 甲酰基和亚氨甲基 一碳单位不能游离存在, 常与四氢叶酸结合而转运和参加代谢 四氢叶酸由叶酸经二氢叶酸还原酶催化, 通过两步还原反应而生成 不同的一碳单位形式可以相互转变, 但 N 5 - 甲基四氢叶酸的生成基本上是不可逆的 一碳单位的主要生理功能是作为合成嘌呤和嘧啶核苷酸的原料, 一碳单位是联系氨基酸与核酸代谢的枢纽 3. 含硫氨基酸的代谢含硫氨基酸有甲硫氨酸 半胱氨酸和胱氨酸 甲硫氨酸循环是甲硫氨酸代谢的主要途径, 其中生成的 S 腺苷甲硫氨酸 (SAM) 是体内最主要的甲基供体, 体内多种重要生理活性物质的合成需要甲基化, 例如 : 肾上腺素 肌酸 肉碱等 甲基化具有广泛的生理意义 肌酸以甘氨酸为骨架, 由精氨酸提供脒基,S 腺苷甲硫氨酸供给甲基而生成 肝脏是肌酸合成的主要器官 在肌酸激酶 (CPK) 催化下, 肌酸转变成磷酸肌酸, 储存能量 半胱氨酸可转变生成牛磺酸, 后者是结合胆汁酸的成分 含硫氨基酸分子中的硫在体内可转变成 HSO - 4, 部分以钠盐形式由尿排出, 其余转变成活性硫酸根 (PAPS), 具有生理功能 4. 芳香族氨基酸的代谢芳香族氨基酸包括苯丙氨酸 酪氨酸和色氨酸 苯丙氨酸经苯丙氨酸羟化酶作用生成酪氨酸 苯丙氨酸羟化酶先天性缺乏使苯丙氨酸积累, 并转变为苯丙酮酸而引起苯酮酸尿症 酪氨酸代谢的主要途径有三 :(1) 转变成多巴 多巴胺 去甲肾上腺素 肾上腺素 后三者统称为儿茶酚胺, 是重要的神经递质 ;(2) 在色素细胞中生成黑色素 酪氨酸酶缺乏黑色素合成障碍引起白化病 ;(3) 酪氨酸进一步分解, 参与糖和脂肪代谢 基本概念 : 一碳单位某些氨基酸在分解代谢过程中产生的含有一个碳原子的基团, 称为一碳单位 其代谢的辅酶是四氢叶酸 一碳单位参与嘌呤 胸腺嘧啶的合成, 例如甲基 甲烯基 甲酰基等 基本要求 : 掌握氨基酸脱羧基作用, 生成的生理活性物质 掌握一碳单位的概念 载体及生理功能 掌握活性甲基的形式 熟悉甲硫氨酸循环和肌酸合成 了解由苯丙氨酸和酪氨酸生成的生理活性物质 第十章物质代谢的联系与调节 (2 学时 ) 46

47 本章重点掌握 : 物质代谢的特点, 物质代谢的三级调节方式, 即细胞水平的调节, 激素水平的代谢调节, 整体调节 ; 名词解释 : 限速酶 别位酶 别位调节 酶的化学修饰 泛素 激素反应元件 激素受体 膜受体激素 熟悉 : 物质代谢的相互联系 了解 : 组织 器官的代谢特点及联系 基本要点一 物质代谢的特点机体在生命活动过程中不断摄入 O 2 及营养物质, 在细胞内进行中间代谢 ( 合成 分解 转化 ), 同时不断排出 CO 2 及其它代谢废物, 这种机体和环境之间不断进行的物质交换即物质代谢 物质代谢是生命的本质特征 体内物质代谢的特点 : 1 整体性 ;2 在精细调节下进行 ;3 具共同的代谢池, 处于动态平衡中 ;4ATP 是机体最主要的能量载体和各种生命活动能量的直接供体 ;5NADPH 是体内合成代谢中还原当量的主要供体 ;6 各组织器官的物质代谢各具特色 二 物质代谢的相互联系各种营养物在体内均有其独特的代谢途径 糖 脂 蛋白质均可在体内氧化供能, 并有着共同分解规律 : 较大分子的糖原 脂肪 蛋白质首先分解为构件分子一葡萄糖 脂酸与甘油 氨基酸, 这一阶段产能极少 ; 小分子的构件分子进一步分解产生两碳活泼化合物 - 乙酰 CoA, 同时释放部分能量 ( 约 1/3); 乙酰 CoA 进入三羧酸循环 (TCAC) 彻底氧化生成 CO 2 H 2 0 及大量能量 ( 约 2/3) 物质分解所释出的能量大部分储存于 ATP 中供生命活动需要 由于乙酰 CoA 是糖 脂 氨基酸代谢共有的重要中间代谢物,TCAC 是三大营养物最终代谢途径, 因此, 在能量供应上, 糖 脂 蛋白质可以相互替代, 相互制约 一般情况下, 糖是主要供能物质 (50%~70%), 脂供能较少 (10%~40%), 主要是储能, 蛋白质几乎不是供能形式 而饥饿或某些病理状态时, 糖供能减少, 脂和蛋白质分解供能增加, 总之, 当任一种供能物质分解代谢占优势时, 常能抑制其它供能物质的分解 同时各种营养物在体内的代谢可通过各代谢途径的共同中间产物相互联系, 其中乙酰 CoA 及 TCAC 是糖 脂 氨基酸代谢相互联系的重要枢纽 1 糖脂代谢密切联系 当摄入糖量超过体内消耗时, 除合成糖原外, 糖代谢产生的乙酰 CoA 以柠檬酸的形式进入胞浆, 一方面为脂酸的合成提 47

48 供了原料, 另一方面还可激活脂酸合成关键酶 ; 加之, 磷酸戊糖途径活跃提供大量 NADPH, 使胞浆内脂肪酸大量合成, 与糖转变生成的 α 磷酸甘油进一步生成脂肪, 此外糖还可转变为胆固醇, 并为磷脂的合成提供基本骨架 可见, 糖很容易转变为脂类 脂在体内则难转变为糖, 因为脂分解产生的大量乙酰 CoA 不能异生成糖, 尽管甘油, 丙酮及丙酰 CoA 可转变为糖, 但其量微不足道 此外, 脂肪分解代谢的正常进行, 还依赖于糖代谢的正常进行, 因为 TCAC 所需的草酸乙酸主要来源于糖 ; 酮体分解部分依赖于 TCAC 中间产物 琥珀酰 CoAo 当糖严重缺乏或代谢障碍时, 脂肪大量动员, 乙酰 CoA 及酮体生成增加, 而 TCAC 及酮体分解不能有效进行, 于是血中酮体堆积, 严重者可致酮症酸中毒 2 蛋白质分解产生的 20 种氨基酸 ( 亮氨酸 赖氨酸除外 ), 均可生成 α- 酮酸转变为糖 ; 反之, 糖代谢产生的 α- 酮酸, 在有氮源提供的情况下, 可氨基化生成某些非必需氨基酸, 但不能生成必需氨基酸 可见蛋白质可转变为糖, 而糖不能转变为蛋白质 3 氨基酸代谢可生成乙酰 CoA 及合成磷脂的特殊原料, 故蛋白质可以转变为脂类, 但脂类不能提供必需氨基酸的基本骨架, 故脂不能转变为蛋白质 4 氨基酸及其代谢产生的一碳单位, 糖代谢磷酸戊糖途径产生的磷酸核糖是体内合成核背酸的重要原料, 可见核酸代谢与氨基酸及糖代谢关系密切 5 糖 脂 蛋白质 核酸的代谢均离不开酶及一些调节蛋白 ( 如激素 ), 因此, 蛋白质在物质代谢中起主导作用 总之, 糖 脂 蛋白质及核酸代谢密切联系, 但在相互转变的程度上却差异很大, 因为有些代谢反应是不可逆的 此外, 各组织器官有独特的代谢方式 肝脏是物质代谢的中心, 从肠道吸收进入体内的营养物质, 几乎都经过肝脏的处理和中转 ; 各器官所需营养素大多也通过肝脏加工或转变, 有的代谢终产物还需通过肝脏解毒和排出 三. 物质代谢的调节可分为三级水平的调节 ( 一 ). 细胞水平的调节是生物最基本的调节方式 主要通过改变关键酶结构或含量以影响酶的活性, 从而对物质代谢进行调节 关键酶所催化的反应具有下述特点 : 在整条代谢通路中催化反应速度最慢, 又称限速酶 ; 催化单向反应或非平衡反应 ; 常受到多种效应物的调节, 因此这些酶不但可影响整条代谢途径的总速度, 甚至可决定代谢途径所进行的方向 48

49 1. 酶结构的调节通过改变酶结构快速调节酶的活性 (1) 变构调节某些物质 ( 变构剂 ) 与酶的调节亚基或调节部位发生非共价键结合, 引起酶分子构象改变, 从而使酶催化活性改变 受调节的酶称为变构酶或别构酶 变构调节可以是变构激活, 也可以是变构抑制 (2) 化学修饰调节酶蛋白分子的某些基团在另一种酶的催化下发生化学共价修饰 ( 如磷酶化 / 脱磷酸, 乙酰化 / 脱乙酰, 甲基化 / 脱甲基等 ) 使酶的构象发生改变, 从而改变酶活性的过程 化学修饰调节具有放大效应 变构调节与化学修饰调节相辅相成 对于某一具体的酶而言, 可同时受到这两种方式的调节 2. 酶含量的调节通过改变酶合成或降解以调节细胞内酶的含量, 从而调节代谢的速度和强度 属迟缓调节 ( 二 ). 激素水平的调节激素通过与靶细胞受体特异结合, 将激素信号转化为细胞内一系列化学反应, 最终表现出激素的生物效应 根据激素作用受体在细胞内部位的不同, 激素可分为 :1 膜受体激素 : 主要包括具亲水性的蛋白质, 多肽及儿茶酚胺类激素, 通过与膜受体结合将信号传入细胞内, 然后通过第二信使将信号逐级放大, 产生各种代谢效应 2 胞内受体激素 : 为疏水性激素, 可通过细胞膜进入细胞内, 与胞内受体 ( 大多在核内 ) 结合, 两个激素 - 受体复合物形成二聚体, 作为转录因子与 DNA 上特定核昔酸序列即激素反应元件 (HRE) 结合, 以调节该元件所辖特定基因的表达 ( 三 ). 整体调节神经系统可通过内分泌腺间接调节代谢, 也可直接对组织 器官施加影响, 进行整体调节, 从而使机体代谢处于相对稳定状态 饥饿及应激的物质代谢的改变是整体代谢调节的结果 四. 名词解释 1. 限速酶 : 指整条代谢通路中, 催化反应速度最慢的酶, 它不但可影响整条代谢途径的总速度, 还可改变代谢方向, 是代谢途径的关键酶, 常受到变构调节和 / 或化学修饰调节 2. 别位酶 (Allostericenzyme ): 即变构酶, 指代谢途径中受到变构调节的酶, 酶分子中含与底物结合起催化作用的催化亚基 ( 部位 ) 和与变构效应剂结合起调节 49