2 蛋白质的高级结构 : 包括二级 三级 四级结构 1) 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 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 二级结构以一级结构为基础, 多为短距离效应 可分为 : α- 螺旋 : 多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋

Transcription

1 苏氨酸 第一篇生物大分子的结构与功能 一 组成蛋白质的 20 种氨基酸的分类 第一章氨基酸和蛋白质 1 非极性氨基酸包括 : 甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 2 极性氨基酸 极性中性氨基酸 : 色氨酸 酪氨酸 丝氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺 酸性氨基酸 : 天冬氨酸 谷氨酸碱性氨基酸 : 赖氨酸 精氨酸 组氨酸 其中 : 属于芳香族氨基酸的是 : 色氨酸 酪氨酸 苯丙氨酸 属于亚氨基酸的是 : 脯氨酸 含硫氨基酸包括 : 半胱氨酸 蛋氨酸 注意 : 在识记时可以只记第一个字, 如碱性氨基酸包括 : 赖精组 二 氨基酸的理化性质 1 两性解离及等电点 氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基, 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 的溶液中, 氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等, 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 2 氨基酸的紫外吸收性质 芳香族氨基酸在 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些氨基 酸残基, 氨基酸残基数与蛋白质含量成正比, 故通过对 280nm 波长的紫外吸光度的测量可对 蛋白质溶液进行定量分析 3 茚三酮反应 氨基酸的氨基与茚三酮水合物反应可生成蓝紫色化合物, 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, 因此可作为氨基酸定量分析 方法 三 肽 两分子氨基酸可借一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去 1 分子水缩合成最简 单的二肽 二肽中游离的氨基和羧基继续借脱水作用缩合连成多肽 10 个以内氨基酸连接而 成多肽称为寡肽 ;39 个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称为多肽 ;51 个氨基酸残基组成 的胰岛素归为蛋白质 多肽连中的自由氨基末端称为 N 端, 自由羧基末端称为 C 端, 命名从 N 端指向 C 端 人体内存在许多具有生物活性的肽, 重要的有 : 谷胱甘肽 (GSH): 是由谷 半胱和甘氨酸组成的三肽 半胱氨酸的巯基是该化合物的主 要功能基团 GSH 的巯基具有还原性, 可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中 巯基免被氧化, 使蛋白质或酶处于活性状态 四 蛋白质的分子结构 1 蛋白质的一级结构 : 即蛋白质分子中氨基酸的排列顺序 主要化学键 : 肽键, 有些蛋白质还包含二硫键

2 2 蛋白质的高级结构 : 包括二级 三级 四级结构 1) 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 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 二级结构以一级结构为基础, 多为短距离效应 可分为 : α- 螺旋 : 多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升, 顺时钟走向, 即右手螺旋, 每隔 3.6 个氨基酸残基上升一圈, 螺距为 0.540nm α- 螺旋的每个肽键的 N-H 和第四个肽键 的羧基氧形成氢键, 氢键的方向与螺旋长轴基本平形 β- 折叠 : 多肽链充分伸展, 各肽键平面折叠成锯齿状结构, 侧链 R 基团交错位于锯齿 状结构上下方 ; 它们之间靠链间肽键羧基上的氧和亚氨基上的氢形成氢键维系构象稳定. β- 转角 : 常发生于肽链进行 180 度回折时的转角上, 常有 4 个氨基酸残基组成, 第二个残基常为脯氨酸 无规卷曲 : 无确定规律性的那段肽链 主要化学键 : 氢键 2) 蛋白质的三级结构 : 指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置, 显示为长距离 效应 主要化学键 : 疏水键 ( 最主要 ) 盐键 二硫键 氢键 范德华力 3) 蛋白质的四级结构 : 对蛋白质分子的二 三级结构而言, 只涉及一条多肽链卷曲而 成的蛋白质 在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条肽链, 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, 为四级结构 由一条肽链形成的蛋白质没有四级结构 主要化学键 : 疏水键 氢键 离子键 五 蛋白质结构与功能关系 1 蛋白质一级结构是空间构象和特定生物学功能的基础 一级结构相似的多肽或蛋白 质, 其空间构象以及功能也相似 尿素或盐酸胍可破坏次级键 β- 巯基乙醇可破坏二硫键 2 蛋白质空间结构是蛋白质特有性质和功能的结构基础 肌红蛋白 : 只有三级结构的单链蛋白质, 易与氧气结合, 氧解离曲线呈直角双曲线 血红蛋白 : 具有 4 个亚基组成的四级结构, 可结合 4 分子氧 成人由两条 α- 肽链 (141 个氨基酸残基 ) 和两条 β- 肽链 (146 个氨基酸残基 ) 组成 在氧分压较低时, 与氧气结合较 难, 氧解离曲线呈 S 状曲线 因为 : 第一个亚基与氧气结合以后, 促进第二及第三个亚基与 氧气的结合, 当前三个亚基与氧气结合后, 又大大促进第四个亚基与氧气结合, 称正协同效 应 结合氧后由紧张态变为松弛态 六 蛋白质的理化性质 1 蛋白质的两性电离 : 蛋白质两端的氨基和羧基及侧链中的某些基团, 在一定的溶液 PH 条件下可解离成带负电荷或正电荷的基团 2 蛋白质的沉淀 : 在适当条件下, 蛋白质从溶液中析出的现象 包括 : a. 丙酮沉淀, 破坏水化层 也可用乙醇 b. 盐析, 将硫酸铵 硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液, 破坏在水溶液中的稳定因素电 荷而沉淀 3 蛋白质变性 : 在某些物理和化学因素作用下, 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 主要为二硫键和非共价键的破坏, 不涉及一级结构的

3 改变 变性后, 其溶解度降低, 粘度增加, 结晶能力消失, 生物活性丧失, 易被蛋白酶水解 常见的导致变性的因素有 : 加热 乙醇等有机溶剂 强酸 强碱 重金属离子及生物碱试剂 超声波 紫外线 震荡等 4 蛋白质的紫外吸收 : 由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸, 因此在 280nm 处有特征性吸收峰, 可用蛋白质定量测定 5 蛋白质的呈色反应 a. 茚三酮反应 : 经水解后产生的氨基酸可发生此反应, 详见二 3 b. 双缩脲反应 : 蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸酮共热, 呈现紫色或红 色 氨基酸不出现此反应 蛋白质水解加强, 氨基酸浓度升高, 双缩脲呈色深度下降, 可检 测蛋白质水解程度 七 蛋白质的分离和纯化 1 沉淀, 见六 2 2 电泳 : 蛋白质在高于或低于其等电点的溶液中是带电的, 在电场中能向电场的正极 或负极移动 根据支撑物不同, 有薄膜电泳 凝胶电泳等 3 透析 : 利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法 4 层析 : a. 离子交换层析, 利用蛋白质的两性游离性质, 在某一特定 PH 时, 各蛋白质的电荷量及性 质不同, 故可以通过离子交换层析得以分离 如阴离子交换层析, 含负电量小的蛋白质首先 被洗脱下来 b. 分子筛, 又称凝胶过滤 小分子蛋白质进入孔内, 滞留时间长, 大分子蛋白质不能时入孔 内而径直流出 5 超速离心 : 既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量 不同蛋白 质其密度与形态各不相同而分开 八 多肽链中氨基酸序列分析 a. 分析纯化蛋白质的氨基酸残基组成 ( 蛋白质水解为个别氨基酸, 测各氨基酸的量及在蛋白质中的百分组成 ) 测定肽链头 尾的氨基酸残基二硝基氟苯法 (DNP 法 ) 头端 丹酰氯法 尾端羧肽酶 A B C 法等 水解肽链, 分别分析胰凝乳蛋白酶 ( 糜蛋白酶 ) 法 : 水解芳香族氨基酸的羧基侧肽键 胰蛋白酶法 : 水解赖氨酸 精氨酸的羧基侧肽键 溴化脯法 : 水解蛋氨酸羧基侧的肽键 Edman 降解法测定各肽段的氨基酸顺序 ( 氨基末端氨基酸的游离 α- 氨基与异硫氰酸苯酯反应形成衍生物, 用层析法鉴定 氨基酸种类 ) b. 通过核酸推演氨基酸序列

4 第二章 核酸的结构与功能 一 核酸的分子组成 : 基本组成单位是核苷酸, 而核苷酸则由碱基 戊糖和磷酸三种成 分连接而成 两类核酸 : 脱氧核糖核酸 (DNA), 存在于细胞核和线粒体内 核糖核酸 (RNA), 存在于细胞质和细胞核内 1 碱基 : NH2 O CH3 O O NH2 O O O NH2 胞嘧啶胸腺嘧啶尿嘧啶鸟嘌呤腺嘌呤 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, 这一重要的理化性质被用于对核酸 核苷酸 核苷及碱基进行定性定量分析 2 戊糖 :DNA 分子的核苷酸的糖是 β-d-2- 脱氧核糖,RNA 中为 β-d- 核糖 3 磷酸 : 生物体内多数核苷酸的磷酸基团位于核糖的第五位碳原子上 连接 二 核酸的一级结构核苷酸在多肽链上的排列顺序为核酸的一级结构, 核苷酸之间通过 3,5 磷酸二酯键 三 DNA 的空间结构与功能 1 DNA 的二级结构 DNA 双螺旋结构是核酸的二级结构 双螺旋的骨架由糖和磷酸基构成, 两股链之间的 碱基互补配对, 是遗传信息传递者,DNA 半保留复制的基础, 结构要点 : a.dna 是一反向平行的互补双链结构亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外 侧, 而碱基位于内侧, 碱基之间以氢键相结合, 其中, 腺嘌呤始终与胸腺嘧啶配对, 形成两 个氢键, 鸟嘌呤始终与胞嘧啶配对, 形成三个氢键 b.dna 是右手螺旋结构螺旋直径为 2nm 每旋转一周包含了 10 个碱基, 每个碱基的旋 转角度为 36 度 螺距为 3.4nm, 每个碱基平面之间的距离为 0.34nm c.dna 双螺旋结构稳定的维系横向靠互补碱基的氢键维系, 纵向则靠碱基平面间的疏 水性堆积力维持, 尤以后者为重要 2 DNA 的三级结构三级结构是在双螺旋基础上进一步扭曲形成超螺旋, 使体积压缩 在真核生物细胞核内, DNA 三级结构与一组组蛋白共同组成核小体 在核小体的基础上,DNA 链经反复折叠形成染 色体 3 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, 它是生命遗传繁殖的物质基础, 也是个体生命活动的基础 DNA 中的核糖和磷酸构成的分子骨架是没有差别的, 不同区段的 DNA 分子只是碱基的排 列顺序不同

5 四 RNA 的空间结构与功能 DNA 是遗传信息的载体, 而遗传作用是由蛋白质功能来体现的, 在两者之间 RNA 起着中介作用 其种类繁多, 分子较小, 一般以单链存在, 可有局部二级结构, 各类 RNA 在遗传信息表达为氨基酸序列过程中发挥不同作用 如 : 名称功能 核蛋白体 RNA (rrna) 核蛋白体组成成分 信使 RNA (mrna) 蛋白质合成模板 转运 RNA (trna) 转运氨基酸 不均一核 RNA (HnRNA) 成熟 mrna 的前体小核 RNA (SnRNA) 参与 HnRNA 的剪接 转运 小核仁 RNA (SnoRNA) rrna 的加工和修饰 1 信使 RNA( 半衰期最短 ) 1)hnRNA 为 mrna 的初级产物, 经过剪接切除内含子, 拼接外显子, 成为成熟的 mrna 并移位到细胞质 2) 大多数的真核 mrna 在转录后 5 末端加上一个 7- 甲基鸟嘌呤及三磷酸鸟苷帽子, 帽子结构在 mrna 作为模板翻译成蛋白质的过程中具有促进核蛋白体与 mrna 的结合, 加速翻 译起始速度的作用, 同时可以增强 mrna 的稳定性 3 末端多了一个多聚腺苷酸尾巴, 可 能与 mrna 从核内向胞质的转位及 mrna 的稳定性有关 3) 功能是把核内 DNA 的碱基顺序, 按照碱基互补的原则, 抄录并转送至胞质, 以决定 蛋白质合成的氨基酸排列顺序 mrna 分子上每 3 个核苷酸为一组, 决定肽链上某一个氨基酸, 为三联体密码 2 转运 RNA( 分子量最小 ) 1)tRNA 分子中含有 10%~20% 稀有碱基, 包括双氢尿嘧啶, 假尿嘧啶和甲基化的嘌呤等 2) 二级结构为三叶草形, 位于左右两侧的环状结构分别称为 DHU 环和 Tψ 环, 位于下 方的环叫作反密码环 反密码环中间的 3 个碱基为反密码子, 与 mrna 上相应的三联体密码子 形成碱基互补 所有 trna3 末端均有相同的 CCA-OH 结构 3) 三级结构为倒 L 型 4) 功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的戴本并将其转呈给 mrna 3 核蛋白体 RNA( 含量最多 ) 1) 原核生物的 rrna 的小亚基为 16S, 大亚基为 5S 23S; 真核生物的 rrna 的小亚基为 18S, 大亚基为 5S 5.8S 28S 真核生物的 18SrRNA 的二级结构呈花状 2)rRNA 与核糖体蛋白共同构成核糖体, 它是蛋白质合成机器 -- 核蛋白体的组成成分, 参与蛋白质的合成 4 核酶 : 某些 RNA 分子本身具有自我催化能, 可以完成 rrna 的剪接 这种具有催化 作用的 RNA 称为核酶 五 核酸的理化性质 1 DNA 的变性 在某些理化因素作用下, 如加热,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, 即为变性 监测是否发生变性的一个最常用的指标是 DNA 在紫外区 260nm 波长处的吸光值变化 解链过程中, 吸光值增加, 并与解链程度有一定的比例关系,

6 称为 DNA 的增色效应 紫外光吸收值达到最大值的 50% 时的温度称为 DNA 的解链温度 (Tm), 一种 DNA 分子的 Tm 值大小与其所含碱基中的 G+C 比例相关,G+C 比例越高,Tm 值越高 2 DNA 的复性和杂交 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, 这一现象称为复性, 其过程为退火, 产生减色效应 不同来源的核酸变性后, 合并一起复性, 只要这些核苷酸序列可以形成碱基互补配对, 就会形成杂化双链, 这一过程为杂交 杂交可发生于 DNA-DNA 之间,RNA-RNA 之间以及 RNA-DNA 之间 六 核酸酶 ( 注意与核酶区别 ) 指所有可以水解核酸的酶, 在细胞内催化核酸的降解 可分为 DNA 酶和 RNA 酶 ; 外切酶和内切酶 ; 其中一部分具有严格的序列依赖性, 称为限制性内切酶 一 酶的组成 第三章 单纯酶 : 仅由氨基酸残基构成的酶 结合酶 : 酶蛋白 : 决定反应的特异性 ; 酶 辅助因子 : 决定反应的种类与性质 ; 可以为金属离子或小分子有机化合物 可分为辅酶 : 与酶蛋白结合疏松, 可以用透析或超滤方法除去 辅基 : 与酶蛋白结合紧密, 不能用透析或超滤方法除去 酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶, 只有全酶才有催化作用 参与组成辅酶的维生素 转移的基团 辅酶或辅基所含维生素 氢原子 NAD+ NADP+ 尼克酰胺 ( 维生素 PP) FMN FAD 维生素 B2 醛基 TPP 维生素 B1 酰基辅酶 A 硫辛酸泛酸 硫辛酸 烷基钴胺类辅酶类维生素 B12 二氧化碳生物素生物素 氨基磷酸吡哆醛吡哆醛 ( 维生素 B6) 甲基 等一碳单位四氢叶酸叶酸 二 酶的活性中心 酶的活性中心由酶作用的必需基团组成, 这些必需基团在空间位置上接近组成特定的空间结构, 能与底物特异地结合并将底物转化为产物 对结合酶来说, 辅助因子参与酶活性中 心的组成 但有一些必需基团并不参加活性中心的组成 三 酶反应动力学 酶促反应的速度取决于底物浓度 酶浓度 PH 温度 激动剂和抑制剂等 1 底物浓度 1) 在底物浓度较低时, 反应速度随底物浓度的增加而上升, 加大底物浓度, 反应速度 趋缓, 底物浓度进一步增高, 反应速度不再随底物浓度增大而加快, 达最大反应速度, 此时 酶的活性中心被底物饱合

7 2) 米氏方程式 V=Vmax S /Km+ S a. 米氏常数 Km 值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度 b.km 值愈小, 酶与底物的亲和力愈大 c.km 值是酶的特征性常数之一, 只与酶的结构 酶所催化的底物和反应环境如温度 PH 离子强度有关, 与酶的浓度无关 d.vmax 是酶完全被底物饱和时的反应速度, 与酶浓度呈正比 2 酶浓度 在酶促反应系统中, 当底物浓度大大超过酶浓度, 使酶被底物饱和时, 反应速度与酶的 浓度成正比关系 3 温度 温度对酶促反应速度具有双重影响 升高温度一方面可加快酶促反应速度, 同时也增加 酶的变性 酶促反应最快时的环境温度称为酶促反应的最适温度 酶的活性虽然随温度的下 降而降低, 但低温一般不使酶破坏 酶的最适温度不是酶的特征性常数, 它与反应进行的时间有关 4 PH 酶活性受其反应环境的 PH 影响, 且不同的酶对 PH 有不同要求, 酶活性最大的某一 PH 值为酶的最适 PH 值, 如胃蛋白酶的最适 PH 约为 1.8, 肝精氨酸酶最适 PH 为 9.8, 但多数酶 的最适 PH 接近中性 最适 PH 不是酶的特征性常数, 它受底物浓度 缓冲液的种类与浓度 以及酶的纯度等因素影响 5 激活剂 使酶由无活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂, 大多为金属离子, 也有许多有机 化合物激活剂 分为必需激活剂和非必需激活剂 6 抑制剂凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂 大多与酶的活 性中心内 外必需基团相结合, 从而抑制酶的催化活性 可分为 : 1) 不可逆性抑制剂 : 以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合, 使酶失活 此种抑 制剂不能用透析 超滤等方法去除 又可分为 : a. 专一性抑制剂 : 如农药敌百虫 敌敌畏等有机磷化合物能特民地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合, 使酶失活, 解磷定可解除有机磷化合物对羟基酶的抑制作用 b. 非专一性抑制剂 : 如低浓度的重金属离子如汞离子 银离子可与酶分子的巯基结合, 使酶失活, 二巯基丙醇可解毒 化学毒气路易士气是一种含砷的化合物, 能抑制体内的巯基 酶而使人畜中毒 2) 可逆性抑制剂 : 通常以非共价键与酶和 ( 或 ) 酶 - 底物复合物可逆性结合, 使酶活性降低或消失 采用透析或超滤的方法可将抑制剂除去, 使酶恢复活性 可分为 : a. 竞争性抑制剂 : 与底物竞争酶的活性中心, 从而阻碍酶与底物结合形成中间产物 如 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用 ; 磺胺类药物由于化学结构与对氨基苯甲酸相似, 是二氢 叶酸合成酶的竞争抑制剂, 抑制二氢叶酸的合成 ; 许多抗代谢的抗癌药物, 如氨甲蝶呤 (MTX) 5- 氟尿嘧啶 (5-FU ) 6- 巯基嘌呤 (6-MP) 等, 几乎都是酶的竞争性抑制剂, 分别抑制四氢叶酸 脱氧胸苷酸及嘌呤核苷酸的合成 Vmax 不变,Km 值增大 b. 非竞争性抑制剂 : 与酶活性中心外的必需基团结合, 不影响酶与底物的结合, 酶和底 物的结合也不影响与抑制剂的结合

8 Vmax 降低,Km 值不变 c. 反竞争性抑制剂 : 仅与酶和底物形成的中间产物结合, 使中间产物的量下降 Vmax Km 均降低 四 酶活性的调节 1 酶原的激活 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体, 必须在一定条件下, 这些酶的前 体水解一个或几个特定的肽键, 致使构象发生改变, 表现出酶的活性 酶原的激活实际上是 酶的活性中心形成或暴露的过程 生理意义是避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化, 并使酶在特定的部位环境中发挥作用, 保证体内代谢正常进行 2 变构酶 体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心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, 有变构激活与变构抑制 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, 从而改变酶的活性, 这一过程称为酶的共价修饰 在共价修饰过程中, 酶发生无活性与有活性两种形式的互变 酶的共价修饰包括磷酸化与脱磷酸化 乙酰化与脱乙酰化 甲基化与脱甲基化 腺苷化与脱 腺苷化等, 其中以磷酸化修饰最为常见 五 同工酶同工酶是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 同工酶是由不同基因或等位基因编码的多肽链, 或由同一基因转录生成的不同 mrna 翻译的不同多肽链组成的蛋白质 翻译后经修饰生成的多分子形式不在同工酶之列 同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中 如乳酸脱氢酶是四聚体酶 亚基有两型 : 骨骼肌型 (M 型 ) 和心肌型 (H 型 ) 两型亚基以不同比例组成五种同工酶, 如 LDH1(HHHH) LDH2(HHHM) 等 它们具有不同的电泳速度, 对同一底物表现不同的 Km 值 单个亚基无酶的催化活性 心肌 肾以 LDH1 为主, 肝 骨骼 肌以 LDH5 为主 肌酸激酶是二聚体, 亚基有 M 型 ( 肌型 ) 和 B 型 ( 脑型 ) 两种 脑中含 CK1(BB 型 ); 骨骼肌中含 CK3(MM 型 );CK2(MB 型 ) 仅见于心肌 一 脂溶性维生素 1 维生素 A 第四章 维生素 作用 : 与眼视觉有关, 合成视紫红质的原料 ; 维持上皮组织结构完整 ; 促进生长发育 缺乏可引起夜盲症 干眼病等 2 维生素 D 作用 : 调节钙磷代谢, 促进钙磷吸收 缺乏儿童引起佝偻病, 成人引起软骨病 3 维生素 E 作用 : 体内最重要的抗氧化剂, 保护生物膜的结构与功能 ; 促进血红素代谢 ; 动物实验 发现与性器官的成熟与胚胎发育有关 4 维生素 K 作用 : 与肝脏合成凝血因子 Ⅱ Ⅶ Ⅸ Ⅹ 有关

9 缺乏时可引起凝血时间延长, 血块回缩不良 二 水溶性维生素 1 维生素 B1 又名硫胺素, 体内的活性型为焦磷酸硫胺素 (TPP) TPP 是 α- 酮酸氧化脱羧酶和转酮醇酶的辅酶, 并可抑制胆碱酯酶的活性, 缺乏时可引 起脚气病和 ( 或 ) 末梢神经炎 2 维生素 B2 又名核黄素, 体内的活性型为黄素单核苷酸 (FMN) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) FMN 和 FAD 是体内氧化还原酶的辅基, 缺乏时可引起口角炎 唇炎 阴囊炎 眼睑炎等症 3 维生素 PP 包括尼克酸及尼克酰胺, 肝内能将色氨酸转变成维生素 PP, 体内的活性型包括尼克酰 胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+) 和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP+) NAD+ 和 NADP+ 在体内是多种不需氧脱氢酶的辅酶, 缺乏时称为癞皮症, 主要表现为皮炎 腹泻及痴呆 4 维生素 B6 包括吡哆醇 吡哆醛及吡哆胺, 体内活性型为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺 磷酸吡哆醛是氨基酸代谢中的转氨酶及脱羧酶的辅酶, 也是 δ- 氨基 γ- 酮戊酸 (ALA) 合成酶的辅酶 5 泛酸 又称遍多酸, 在体内的活性型为辅酶 A 及酰基载体蛋白 (ACP) 在体内辅酶 A 及酰基载体蛋白 (ACP) 构成酰基转移酶的辅酶 6 生物素 生物素是体内多种羧化酶的辅酶, 如丙酮酸羧化酶, 参与二氧化碳的羧化过程 7 叶酸 以四氢叶酸的形式参与一碳基团的转移, 一碳单位在体内参加多种物质的合成, 如嘌呤 胸腺嘧啶核苷酸等 叶酸缺乏时,DNA 合成受抑制, 骨髓幼红细胞 DNA 合成减少, 造成巨幼 红细胞贫血 8 维生素 B12 又名钴胺素, 唯一含金属元素的维生素 参与同型半工半胱氨酸甲基化生成蛋氨酸的反应, 催化这一反应的蛋氨酸合成酶 ( 又称 甲基转移酶 ) 的辅基是维生素 B12, 它参与甲基的转移 一方面不利于蛋氨酸的生成, 同时 也影响四氢叶酸的再生, 最终影响嘌呤 嘧啶的合成, 而导致核酸合成障碍, 产生巨幼红细 胞性贫血 9 维生素 C 促进胶原蛋白的合成 ; 是催化胆固醇转变成 7-α 羟胆固醇反应的 7-α 羟化酶的辅酶 ; 参 与芳香族氨基酸的代谢 ; 增加铁的吸收 ; 参与体内氧化还原反应, 保护巯基等作用 一 糖酵解 1 过程 : 见图 1-1 第二篇物质代谢及其调节第一章糖代谢

10 糖酵解过程中包含两个底物水平磷酸化 : 一为 1,3- 二磷酸甘油酸转变为 3- 磷酸甘油酸 ; 二为磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸 2 调节 1)6- 磷酸果糖激酶 -1 变构抑制剂 :ATP 柠檬酸变构激活剂 :AMP ADP 1,6- 双磷酸果糖 ( 产物反馈激, 比较少见 ) 和 2,6- 双磷酸果 糖 ( 最强的激活剂 ) 2) 丙酮酸激酶 变构抑制剂 :ATP 肝内的丙氨酸 变构激活剂 :1,6- 双磷酸果糖 3) 葡萄糖激酶 变构抑制剂 : 长链脂酰辅酶 A 注 : 此项无需死记硬背, 理解基础上记忆是很容易的, 如知道糖酵解是产生能量的, 那 么有 ATP 等能量形式存在, 则可抑制该反应, 以利节能, 上述的柠檬酸经三羧酸循环也是可 以产生能量的, 因此也起抑制作用 ; 产物一般来说是反馈抑制的 ; 但也有特殊, 如上述的 1, 6- 双磷酸果糖 特殊的需要记忆, 只属少数 以下类同 关于共价修饰的调节, 只需记住几 个特殊的即可, 下面章节提及 (1) 糖原 1- 磷酸葡萄糖 (2) 葡萄糖己糖激酶 6- 磷酸葡萄糖 6- 磷酸果糖 6- 磷酸果糖 -1- 激酶 ATP ADP ATP ADP 1,6- 二磷酸果糖 3- 磷酸甘油醛 1,3- 二磷酸甘油酸 磷酸二羟丙酮 NAD+ NADH+H+ 3- 磷酸甘油酸 2- 磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶 ADP ATP ADP ATP 丙酮酸乳酸 NADH+H+ NAD+ 注 : 红色表示该酶为该反应的限速酶 ; 蓝色 ATP 表示消耗, 红色 ATP 和 NADH 等表示生成的能量或可以转变为能量的物质 以下类同 3 生理意义 ( 图 1-1) 1) 迅速提供能量, 尤其对肌肉收缩更为重要 若反应按 (1) 进行, 可净生成 3 分子 ATP, 若反应按 (2) 进行, 可净生成 2 分子 ATP; 另外, 酵解过程中生成的 2 个 NADH 在有氧条件下经电子传递链, 发生氧化磷酸化, 可生成更多的 ATP, 但在缺氧条件下丙酮酸转化 为乳酸将消耗 NADH, 无 NADH 净生成 2) 成熟红细胞完全依赖糖酵解供能, 神经 白细胞 骨髓等代谢极为活跃, 即使不缺 氧也常由糖酵解提供部分能量 3) 红细胞内 1,3- 二磷酸甘油酸转变成的 2,3- 二磷酸甘油酸可与血红蛋白结合, 使氧气与血红蛋白结合力下降, 释放氧气 4) 肌肉中产生的乳酸 丙氨酸 ( 由丙酮酸转变 ) 在肝脏中能作为糖异生的原料, 生成 葡萄糖 4 乳酸循环

11 葡萄糖葡萄糖 径 糖 异 生 途 丙酮酸 葡萄糖 径 糖 酵 解 途 丙酮酸 乳酸乳酸乳酸 ( 肝 ) ( 血液 ) ( 肌肉 ) 乳酸循环是由于肝内糖异生活跃, 又有葡萄糖 -6- 磷酸酶可水解 6- 磷酸葡萄糖, 释出葡萄糖 肌肉除糖异生活性低外, 又没有葡萄糖 -6- 磷酸酶 生理意义 : 避免损失乳酸以及防止因乳酸堆积引起酸中毒 二 糖有氧氧化 1 过程 1) 经糖酵解过程生成丙酮酸 2) 丙酮酸丙酮酸脱氢酶复合体乙酰辅酶 A NAD+ NADH+H+ 限速酶的辅酶有 :TPP FAD NAD+ CoA 及硫辛酸 3) 三羧酸循环草酰乙酸 + 乙酰辅酶 A 柠檬酸合成酶柠檬酸 α- 酮戊二酸 α- 酮戊二酸脱氢酶复合体琥珀酸酰 CoA 琥珀酸 异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶 NAD+ NADH+H+ GDP GTP NAD+ NADH+H+ FAD FADH2 延胡索酸苹果酸草酰乙酸 NAD+ NADH+H+ 三羧酸循环中限速酶 α- 酮戊二酸脱氢酶复合体的辅酶与丙酮酸脱氢酶复合体的辅酶同 三羧酸循环中有一个底物水平磷酸化, 即琥珀酰 COA 转变成琥珀酸, 生成 GTP; 加上糖酵解过程中的两个, 本书中共三个底物水平磷酸化 2 调节 1) 丙酮酸脱氢酶复合体 抑制 : 乙酰辅酶 A NADH ATP 激活 :AMP 钙离子 2) 异柠檬酸脱氢酶和 α- 酮戊二酸脱氢酶 NADH ATP 反馈抑制 3 生理意义 1) 基本生理功能是氧化供能 2) 三羧酸循环是体内糖 脂肪和蛋白质三大营养物质代谢的最终共同途径 3) 三羧酸循环也是三大代谢联系的枢纽 4 有氧氧化生成的 ATP 反 应辅酶 ATP 葡萄糖有氧氧化生成的 ATP

12 第一阶段葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖 磷酸果糖 1,6 双磷酸果糖 -1 2*3- 磷酸甘油醛 2*1,3- 二磷酸甘油酸 NAD+ 2*3 或 2*2( 详见 ) 2*1,3- 二磷酸甘油酸 2*3- 磷酸甘油酸 2*1 2* 磷酸烯醇式丙酮酸 2* 丙酮酸 2*1 第二阶段 2* 丙酮酸 2* 乙酰 CoA NAD+ 2*3 第三阶段 2* 异柠檬酸 2*α- 酮戊二酸 NAD+ 2*3 2*α- 酮戊二酸 2* 琥珀酰 CoA NAD+ 2*3 2* 琥珀酰 CoA 2* 琥珀酸 2*1 2* 琥珀酸 2* 延胡索酸 FAD 2*2 2* 苹果酸 2* 草酰乙酸 NAD+ 2*3 净生成 38 或 36 个 ATP 5 巴斯德效应 有氧氧化抑制糖酵解的现象 1 过程 NADPH 三 磷酸戊糖途径 6- 磷酸葡萄糖 NADP+ 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶 6- 磷酸葡萄糖酸内酯 6- 磷酸葡萄糖酸 NADP+ NADPH 5- 磷酸核酮糖 5- 磷酸核糖 5- 磷酸木酮糖 7- 磷酸景天糖 3- 磷酸甘油醛 5- 磷酸木酮糖 4- 磷酸赤藓糖 6- 磷酸果糖 3- 磷酸甘油醛 6- 磷酸果糖 6- 磷酸果糖 2 生理意义 1) 为核酸的生物合成提供 5- 磷酸核糖, 肌组织内缺乏 6- 磷酸葡萄糖脱氢酶, 磷酸核 糖可经酵解途径的中间产物 3- 磷酸甘油醛和 6- 磷酸果糖经基团转移反应生成 2) 提供 NADPH a.nadph 是供氢体, 参加各种生物合成反应, 如从乙酰辅酶 A 合成脂酸 胆固醇 ;α-

13 酮戊二酸与 NADPH 及氨生成谷氨酸, 谷氨酸可与其他 α- 酮酸进行转氨基反应而生成相应的 氨基酸 b.nadph 是谷胱甘肽还原酶的辅酶, 对维持细胞中还原型谷胱甘肽的正常含量进而保护 巯基酶的活性及维持红细胞膜完整性很重要, 并可保持血红蛋白铁于二价 c.nadph 参与体内羟化反应, 有些羟化反应与生物合成有关, 如从胆固醇合成胆汁酸 类固醇激素等 ; 有些羟化反应则与生物转化有关 四 糖原合成与分解 1 合成 过程 : 葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖 1- 磷酸葡萄糖 UDPG 焦磷酸化酶尿苷二磷酸葡萄糖 糖原合成酶 (G)n+1+UDP (G)n UTP PPi (UDPG) 注 :1)UDPG 可看作是活性葡萄糖, 在体内充作葡萄糖供体 2) 糖原引物是指原有的细胞内较小的糖原分子, 游离葡萄糖不能作为 UDPG 的葡 萄糖基的接受体 3) 葡萄糖基转移给糖原引物的糖链末端, 形成 α-1,4 糖苷键 在糖原合酶作用 下, 糖链只能延长, 不能形成分支 当糖链长度达到 12~18 个葡萄糖基时, 分支酶将约 6~7 个葡萄糖基转移至邻近的糖链上, 以 α-1,6 糖苷键相接 调节 : 糖原合成酶的共价修饰调节 过程 : 2 分解 (G)n+1 磷酸化酶 (G)n+1- 磷酸葡萄糖 6- 磷酸葡萄糖葡萄糖 -6- 磷酸酶 G+Pi 注 :1) 磷酸化酶只能分解 α-1,4 糖苷键, 对 α-1,6 糖苷键无作用 2) 糖链分解至离分支处约 4 个葡萄基时, 转移酶把 3 个葡萄基转移至邻近糖链的 末端, 仍以 α-1,4 糖苷键相接, 剩下 1 个以 α-1,6 糖苷键与糖链形成分支的葡萄糖基被 α -1,6 葡萄糖苷酶水解成游离葡萄糖 转移酶与 α-1,6 葡萄糖苷酶是同一酶的两种活性, 合 称脱支酶 3) 最终产物中约 85% 为 1- 磷酸葡萄糖, 其余为游离葡萄糖 调节 : 磷酸化酶受共价修饰调节, 葡萄糖起变构抑制作用 五 糖异生途径 1 过程乳酸 NADH 丙酮酸 丙氨酸等生糖氨基酸 丙酮酸 ATP 丙酮酸 丙酮酸 丙酮酸羧化酶 草酰乙酸草酰乙酸 ( 线粒体内 ) 天冬氨酸 苹果酸

14 GTP 天冬氨酸 NADH 草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶磷酸烯醇式丙酮酸 苹果酸 2- 磷酸甘油酸 ( 胞液 ) ATP 3- 磷酸甘油酸 NADH 1,3- 二磷酸甘油酸 甘油 ATP NADH 3- 磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮 3- 磷酸甘油 1,6- 双磷酸果糖果糖双磷酸酶 6- 磷酸果糖 6- 磷酸葡萄糖 1- 磷酸葡萄糖糖原 葡萄糖 葡萄糖 -6- 磷酸酶 注意 :1) 糖异生过程中丙酮酸不能直接转变为磷酸烯醇式丙酮酸, 需经过草酰乙酸的中间 步骤, 由于草酰乙酸羧化酶仅存在于线粒体内, 故胞液中的丙酮酸必须进入线粒体, 才能羧 化生成草酰乙酸 但是, 草酰乙酸不能直接透过线粒体膜, 需借助两种方式将其转运入胞液 : 一是经苹果酸途径, 多数为以丙酮酸或生糖氨基酸为原料异生成糖时 ; 另一种是经天冬氨酸途径, 多数为乳酸为原料异生成糖时 2) 在糖异生过程中,1,3- 二磷酸甘油酸还原成 3- 磷酸甘油醛时, 需 NADH, 当以乳酸为原 料异生成糖时, 其脱氢生成丙酮酸时已在胞液中产生了 NADH 以供利用 ; 而以生糖氨基酸为 原料进行糖异生时,NADH 则必须由线粒体内提供, 可来自脂酸 β- 氧化或三羧酸循环 3) 甘油异生成糖耗一个 ATP, 同时也生成一个 NADH 2 调节 2,6- 双磷酸果糖的水平是肝内调节糖的分解或糖异生反应方向的主要信号, 糖酵解加强, 则 糖异生减弱 ; 反之亦然 3 生理意义 1) 空腹或饥饿时依赖氨基酸 甘油等异生成糖, 以维持血糖水平恒定 2) 补充肝糖原, 摄入的相当一部分葡萄糖先分解成丙酮酸 乳酸等三碳化合物, 后者再异 生成糖原 合成糖原的这条途径称三碳途径 3) 调节酸碱平衡, 长期饥饿进, 肾糖异生增强, 有利于维持酸碱平衡 第 2 章脂类代谢一 甘油三酯的合成代谢 合成部位 : 肝 脂肪组织 小肠, 其中肝的合成能力最强 合成原料 : 甘油 脂肪酸 1 甘油一酯途径 ( 小肠粘膜细胞 )

15 2- 甘油一酯脂酰 CoA 转移酶 1,2- 甘油二酯脂酰 CoA 转移酶甘油三酯 脂酰 CoA 2 甘油二酯途径 ( 肝细胞及脂肪细胞 ) 葡萄糖 脂酰 CoA 3- 磷酸甘油脂酰 CoA 转移酶 1 脂酰 -3- 磷酸甘油脂酰 CoA 转移酶 脂酰 CoA 脂酰 CoA 磷脂酸磷脂酸磷酸酶 1,2 甘油二酯脂酰 CoA 转移酶甘油三酯 脂酰 CoA 二 甘油三酯的分解代谢 1 脂肪的动员储存在脂肪细胞中的脂肪被脂肪酶逐步水解为游离脂肪酸 (FFA) 及甘油并释放入血以供其它组织氧化利用的过程 甘油三酯激素敏感性甘油三酯脂肪酶甘油二酯甘油一酯甘油 +FFA +FFA +FFA α- 磷酸甘油磷酸二羟丙酮糖酵解或糖异生途径 2 脂肪酸的 β- 氧化 1) 脂肪酸活化 ( 胞液中 ) 脂酸脂酰 CoA 合成酶脂酰 CoA( 含高能硫酯键 ) ATP AMP 2) 脂酰 CoA 进入线粒体 脂酰 CoA 肉毒碱线肉毒碱脂酰 CoA 肉毒碱脂酰转移酶 Ⅰ 粒酶 Ⅱ CoASH 脂酰肉毒碱体脂酰肉毒碱 CoASH 3) 脂肪酸 β- 氧化 脂酰 CoA 进入线粒体基质后, 进行脱氢 加水 再脱氢及硫解等四步连续反应, 生成 1 分子 比原来少 2 个碳原子的脂酰 CoA 1 分子乙酰 CoA 1 分子 FADH2 和 1 分子 NADH 以上生成的比原来少 2 个碳原子的脂酰 CoA, 可再进行脱氢 加水 再脱氢及硫解反应 如此反复进行, 以至彻底 4) 能量生成 以软脂酸为例, 共进行 7 次 β- 氧化, 生成 7 分子 FADH2 7 分子 NADH 及 8 分子乙酰 CoA, 即共生成 (7*2)+(7*3)+(8*12)-2=129 5) 过氧化酶体脂酸氧化主要是使不能进入线粒体的廿碳, 廿二碳脂酸先氧化成较短 链脂酸, 以便进入线粒体内分解氧化, 对较短链脂酸无效 三 酮体的生成和利用 组织特点 : 肝内生成肝外用 合成部位 : 肝细胞的线粒体中 酮体组成 : 乙酰乙酸 β- 羟丁酸 丙酮 1 生成 脂肪酸 β- 氧化 2* 乙酰 CoA 乙酰乙酰 CoA HMGCoA 合成酶羟甲基戊二酸单酰 CoA HMGCoA 裂解酶乙酰乙酸 β- 羟丁酸脱氢酶 β- 羟丁酸 丙酮 CO2 NADH (HMGCoA)

16 2 利用 1) β- 羟丁酸 ATP+ HSCoA 乙酰乙酸 琥珀酰 CoA 乙酰乙酸硫激酶琥珀酰 CoA 转硫酶 AMP 乙酰乙酰 CoA 琥珀酸 乙酰乙酰 CoA 硫解酶 乙酰 CoA 三羧酸循环 2) 丙酮可随尿排出体外, 部分丙酮可在一系列酶作用下转变为丙酮酸或乳酸, 进而异生成 糖 在血中酮体剧烈升高时, 从肺直接呼出 四 脂酸的合成代谢 1 软脂酸的合成 合成部位 : 线粒体外胞液中, 肝是体体合成脂酸的主要场所 合成原料 : 乙酰 CoA ATP NADPH HCO3- Mn++ 等 合成过程 : 1) 线粒体内的乙酰 CoA 不能自由透过线粒体内膜, 主要通过柠檬酸 - 丙酮酸循环转移至胞 液中 2) 乙酰 CoA 乙酰 CoA 羧化酶丙二酰 CoA ATP 3) 丙二酰 CoA 通过酰基转移 缩合 还原 脱水 再还原等步骤, 碳原子由 2 增加至 4 个 经过 7 次循环, 生成 16 个碳原子的软脂酸 更长碳链的脂酸则是对软脂酸的加工, 使其碳链 延长 在内质网脂酸碳链延长酶体系的作用下, 一般可将脂酸碳链延长至二十四碳, 以十八 碳的硬脂酸最多 ; 在线粒体脂酸延长酶体系的催化下, 一般可延长脂酸碳链至 24 或 26 个碳原 子, 而以硬脂酸最多 2 不饱和脂酸的合成 人体含有的不饱和脂酸主要有软油酸 油酸 亚油酸, 亚麻酸及花生四烯酸等, 前两种单不 饱和脂酸可由人体自身合成, 而后三种多不饱和脂酸, 必须从食物摄取 五 前列腺素及其衍生物的生成细胞膜中的磷脂磷脂酶 A2 花生四烯酸 PGH 合成酶 PGH2 TXA2 合成酶 TXA2 PGD2 PGE2 PGI2 等 白三烯 (LTA4) 脂过氧化酶氢过氧化廿碳四烯酸 脱水酶 六 甘油磷脂的合成与代谢 1 合成 除需 ATP 外, 还需 CTP 参加 CTP 在磷脂合成中特别重要, 它为合成 CDP- 乙醇胺 CDP- 胆碱 及 CDP- 甘油二酯等活化中间物所必需 1) 甘油二酯途径 CDP- 乙醇胺 CMP 磷脂酰乙醇胺 葡萄糖 3- 磷酸甘油磷脂酸甘油二酯转移酶 ( 脑磷脂 ) 磷脂酰胆碱

17 CDP- 胆碱 CMP ( 卵磷脂 ) 脑磷脂及卵磷脂主要通过此途径合成, 这两类磷脂在体内含量最多 2)CDP- 甘油二酯途径 磷脂酰肌醇 肌醇 丝氨酸 葡萄糖 3- 磷酸甘油 磷脂酸 CDP- 甘油二酯合成酶 磷脂酰丝氨酸 CTP PPi 磷脂酰甘油 ( 心磷脂 ) 二磷脂酰甘油 此外, 磷脂酰胆碱亦可由磷脂酰乙醇胺从 S- 腺苷甲硫氨酸获得甲基生成 ; 磷脂酰丝氨酸可由磷脂酰乙醇胺羧化生成 2 降解 生物体内存在能使甘油磷脂水解的多种磷脂酶类, 根据其作用的键的特异性不同, 分为磷脂 酶 A1 和 A2, 磷脂酶 B, 磷脂酶 C 和磷脂酶 D 磷脂酶 A2 特异地催化磷酸甘油酯中 2 位上的酯键水解, 生成多不饱和脂肪酸和溶血磷脂 后者在磷脂酶 B 作用, 生成脂肪酸及甘油磷酸胆碱或甘油磷酸乙醇胺, 再经甘油酸胆碱水解酶 分解为甘油及磷酸胆碱 磷脂酶 A1 催化磷酸甘油酯 1 位上的酯键水解, 产物是脂肪酸和溶血 磷脂 七 胆固醇代谢 1 合成 合成部位 : 肝是主要场所, 合成酶系存在于胞液及光面内质网中 合成原料 : 乙酰 CoA( 经柠檬酸 - 丙酮酸循环由线粒体转移至胞液中 ) ATP NADPH 等 合成过程 : 1) 甲羟戊酸的合成 ( 胞液中 ) 2* 乙酰 CoA 乙酰乙酰 CoA HMGCoA HMGCoA 还原酶甲羟戊酸 2) 鲨烯的合成 ( 胞液中 ) NADPH 3) 胆固醇的合成 ( 滑面内质网膜上 ) 合成调节 : 1) 饥饿与饱食饥饿可抑制肝合成胆固醇, 相反, 摄取高糖 高饱和脂肪膳食后, 肝 HMGCoA 还原酶活性增加, 胆固醇合成增加 2) 胆固醇胆固醇可反馈抑制肝胆固醇的合成 主要抑制 HMGCoA 还原酶活性 3) 激素胰岛素及甲状腺素能诱导肝 HMGCoA 还原酶的合成, 增加胆固醇的合成 胰 高血糖素及皮质醇则能抑制并降低 HMGCoA 还原酶的活性, 因而减少胆固醇的合成 ; 甲状腺素除能促进合成外, 又促进胆固醇在肝转变为胆汁酸, 且后一作用较强, 因而甲亢时患者血 清胆固醇含量反而下降 2 转化 1) 胆固醇在肝中转化成胆汁酸是胆固醇在体内代谢的主要去路, 基本步骤为 : 胆酸 胆固醇 7α- 羟化酶 7α- 羟胆固醇 NADPH 鹅脱氧胆酸 胆酸 肠道细菌 7- 脱氧胆酸 甘氨酸或牛磺酸结合型胆汁酸

18 甘氨酸牛磺酸鹅脱氧胆酸石胆酸 2) 转化为类固醇激素胆固醇是肾上腺皮质 睾丸, 卵巢等内分泌腺合成及分泌类固醇激 素的原料, 如睾丸酮 皮质醇 雄激素 雌二醇及孕酮等 3) 转化为 7- 脱氢胆固醇在皮肤, 胆固醇可氧化为 7- 脱氢胆固醇, 后者经紫外光照射转变 为维生素 D 3 胆固醇酯的合成 细胞内游离胆固醇在脂酰胆固醇脂酰转移酶 (ACAT) 的催化下, 生成胆固醇酯 ; 血浆中游离胆固醇在卵磷脂胆固醇脂酰转移酶 (LCAT) 的催化下, 生成胆固醇酯和溶血卵磷 酯 八 血浆脂蛋白 1 分类 1) 电泳法 :α 前 β β 及乳糜微粒 2) 超速离心法 : 乳糜微粒 ( 含脂最多 ), 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- 脂蛋白 β- 脂蛋白及 α- 脂蛋白等四类 2 组成 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 乳糜微粒含甘油三酯最多, 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 ; 含蛋白质最多, 故密度最高 血浆脂蛋白中的蛋白质部分, 基本功能是运载脂类, 称载脂蛋白 HDL 的载脂蛋白主要为 apoa, LDL 的载脂蛋白主要为 apob100,vldl 的载脂蛋白主要为 apob apoc,cm 的载脂蛋白主要 为 apoc 3 生理功用及代谢 1)CM 运输外源性甘油三酯及胆固醇的主要形式 成熟的 CM 含有 apocⅡ, 可激活脂蛋白脂肪酶 (LPL),LPL 可使 CM 中的甘油三酯及磷脂逐步水解, 产生甘油 脂酸及溶血磷脂等, 同时其表面的载脂蛋白连同表面的磷脂及胆固醇离开 CM, 逐步变小, 最后转变成为 CM 残粒 2)VLDL 运输内源性甘油三酯的主要形式 VLDL 的甘油三酯在 LPL 作用下, 逐步水解, 同时其表面的 apoc 磷脂及胆固醇向 HDL 转移, 而 HDL 的胆固醇酯又转移到 VLDL 最后只 剩下胆固醇酯, 转变为 LDL 3)LDL 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 apob100 水解 为氨基酸, 其中的胆固醇酯被胆固醇酯酶水解为游离胆固醇及脂酸 游离胆固醇在调节细胞 胆固醇代谢上具有重要作用 :1 抑制内质网 HMGCoA 还原酶 ;2 在转录水平上阴抑细胞 LDL 受体蛋白质的合成, 减少对 LDL 的摄取 ;3 激活 ACAT 的活性, 使游离胆固醇酯化成胆固醇 酯在胞液中储存 4)HDL 逆向转运胆固醇 HDL 表面的 apoⅠ 是 LCAT 的激活剂,LCAT 可催化 HDL 生成溶血 卵磷脂及胆固醇酯 九 高脂血症 高脂蛋白血症分型分型脂蛋白变化血脂变化 Ⅰ CM 甘油三酯 Ⅱa LDL 胆固醇 Ⅱb LDL VLDL 胆固醇 甘油三酯

19 Ⅲ IDL 胆固醇 甘油三酯 Ⅳ VLDL 甘油三酯 Ⅴ VLDL CM 甘油三酯 注 :IDL 是中间密度脂蛋白, 为 VLDL 向 LDL 的过度状态 家族性高胆固醇血症的重要原因是 LDL 受体缺陷第三章氨基酸代谢 一 营养必需氨基酸 简记为 : 缬 异 亮 苏 蛋 赖 苯 色 二 体内氨的来源和转运 1 来源 1) 氨基酸经脱氨基作用产生的氨是体内氨的主要来源 ; 2) 由肠道吸收的氨 ; 即肠内氨基酸在肠道细菌作用下产生的氨和肠道尿素经细菌尿素 酶水解产生的氨 3) 肾小管上皮细胞分泌的氨主要来自谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的催化下水解生成的氨 2 转运 1) 丙氨酸 - 葡萄糖循环 ( 肌肉 ) ( 血液 ) ( 肝 ) 肌肉蛋白质葡萄糖葡萄糖葡萄糖尿素 分异 氨基酸糖糖尿素循环 NH3 解生 NH3 谷氨酸 丙酮酸 丙酮酸 谷氨酸 转氨酶 转氨酶 α- 酮戊二酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 α- 酮戊二酸 2) 谷氨酰胺的运氨作用 谷氨酰胺主要从脑 肌肉等组织向肝或肾运氨 氨与谷氨酰胺在谷氨酰胺合成酶催化下生成 谷氨酰胺, 由血液输送到肝或肾, 经谷氨酰胺酶水解成谷氨酸和氨 可以认为, 谷氨酰胺既是氨的解毒产物, 也是氨的储存及运输形式 三 氨基酸的脱氨基作用 1 转氨基作用转氨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 ; 原来的氨基酸则转变成 α- 酮酸 既是氨基酸的分解代谢过程, 也是体内某些 氨基酸合成的重要途径 除赖氨酸 脯氨酸及羟脯氨酸外, 体内大多数氨基酸可以参与转氨基作用 如 : 谷氨酸 + 丙酮酸谷丙转氨酶 (ALT) α- 酮戊二酸 + 丙氨酸 谷氨酸 + 草酰乙酸谷草转氨酶 (AST)α- 酮戊二酸 + 天冬氨酸 转氨酶的辅酶是维生素 B6 的磷酸酯, 即磷酸吡哆醛 2 L- 谷氨酸氧化脱氨基作用 L- 谷氨酸 L- 谷氨酸脱氢酶 α- 酮戊二酸 +NH3 NADH 3 联合脱氨基作用 氨基酸 α- 酮戊二酸 NH3+NADH

20 转氨酶谷氨酸脱氢酶 α- 酮酸谷氨酸 NAD+ 4 嘌呤核苷酸循环 上述联合脱氨基作用主要在肝 肾等组织中进行 骨骼肌和心肌中主要通过嘌呤核苷酸循环 脱去氨基 氨基酸 α- 酮戊二酸天冬氨酸次黄嘌呤核苷酸 NH3 GTP (IMP) 延胡索酸 α- 酮酸 L- 谷氨酸草酰乙酸 苹果酸 腺苷酸代琥珀酸 腺嘌呤核苷酸 (AMP) 5 氨基酸脱氨基后生成的 α- 酮酸可以转变成糖及脂类, 在体内可以转变成糖的氨基酸称 为生糖氨基酸 ; 能转变成酮体者称为生酮氨基酸 ; 二者兼有者称为生糖兼生酮氨基酸 只要记住生酮氨基酸包括 : 亮 赖 ; 生糖兼生酮氨基酸包括异亮 苏 色 酪 苯丙 ; 其余为生 糖氨基酸 四 氨基酸的脱羧基作用 1 L- 谷氨酸 L- 谷氨酸脱羧酶 γ- 氨基丁酸 (GABA) GABA 为抑制性神经递质 2 L- 半胱氨酸磺酸丙氨酸磺酸丙氨酸脱羧酶牛磺酸 牛磺酸是结合型胆汁酸的组成成分 3 L- 组氨酸组氨酸脱羧酶组胺 组胺是一种强烈的血管舒张剂, 并能增加毛细血管的通透性 4 色氨酸色氨酸羟化酶 5- 羟色氨酸 5- 羟色氨酸脱羧酶 5- 羟色胺 (5-HT) 脑内的 5- 羟色胺可作为神经递质, 具有抑制作用 ; 在外周组织, 有收缩血管作用 5 L- 鸟氨酸鸟氨酸脱羧酶腐胺精脒精胺 脱羧基 SAM 脱羧基 SAM 精脒与精胺是调节细胞生长的重要物质 合称为多胺类物质 五 一碳单位 一碳单位来源于组 色 甘 丝, 体内的一碳单位有 : 甲基 甲烯基 甲炔基 甲酰基及亚 氨甲基,CO2 不属于一碳单位 四氢叶酸是一碳单位代谢的辅酶 主要生理功用是作为合成嘌呤及嘧啶的原料 如 N10-CHO-FH4 与 N5,H10=CH-FH4 分别提供嘌 呤合成时 C2 与 C8 的来源 ;N5,N10-CH2-FH4 提供胸苷酸合成时甲基的来源 由此可见, 一碳 单位将氨基酸与核酸代谢密切联系起来 六 芳香族氨基酸 ( 色 酪 苯丙 ) 的代谢 1 苯丙氨酸 苯丙氨酸羟化酶 酪氨酸羟化酶 酪氨酸黑色素细胞的酪氨酸酶多巴

21 多巴 多巴脱羧酶 多巴胺 黑色素 SAM 去甲肾上腺素儿茶酚胺 肾上腺素 苯酮酸尿症 : 当苯丙氨酸羟化酶先天性缺乏时, 苯丙氨酸不能转变为酪氨酸, 体内苯丙氨酸 蓄积, 并经转氨基作用生成苯丙酮酸, 再进一步转变成苯乙酸等衍生物 此时尿中出现大量 苯丙酮酸等代谢产物, 称为苯酮酸尿症 白化病 : 人体缺乏酪氨酸酶, 黑色素合成障碍, 皮肤 毛发等发白, 称为白化病 2 色氨酸 1) 生成 5- 羟色胺 2) 生成一碳单位 3) 可分解产生尼克酸, 这是体内合成维生素的特例 七 含硫氨基酸 ( 甲硫 半胱 胱 ) 代谢 1 甲硫氨酸 S- 腺苷甲硫氨酸 (SAM) ATP PPi SAM 中的甲基为活性甲基, 通过转甲基作用可以生成多种含甲基的重要生理活性物质 SAM 是体内最重要的甲基直接供给体 2 甲硫氨酸循环 甲硫氨酸 SAM 甲基转移酶 S- 腺苷同型半胱氨酸 RH RCH3 甲硫氨酸合成酶 FH4 N5-CH3-FH4 同型半胱氨酸 N5-CH3-FH4 可看成体内甲基的间接供体, 甲硫氨酸合成酶辅酶为维生素 B12 3 肌酸的合成肌酸以甘氨酸为骨架, 由精氨酸提供脒基,SAM 供给甲基而合成 在肌酸 激酶催化下, 肌酸转变成磷酸肌酸, 并储存 ATP 的高能磷酸键 4 体内硫酸根主要来源于半胱氨酸, 一部分以无机盐形式随尿排出, 另一部分则经 ATP 活化成活性硫酸根, 即 3'- 磷酸腺苷 -5'- 磷酸硫酸 (PAPS) 八 氨基酸衍生的重要含氮化合物 化合物氨基酸前体 嘌呤碱天冬氨酸 谷氨酰胺 甘氨酸嘧啶碱天冬氨酸 血红素 细胞色素甘氨酸 肌酸 磷酸肌酸甘氨酸 精氨酸 蛋氨酸 尼克酸色氨酸 儿茶酚胺类苯丙氨酸 酪氨酸甲状腺素酪氨酸 黑色素苯丙氨酸 酪氨酸 精胺 精脒蛋氨酸 鸟氨酸 九 尿素的生成

22 线粒体 NH3+CO2+H2O 2*ATP 氨基甲酰磷酸合成酶 Ⅰ(CSP-Ⅰ) 2*ADP N- 酰谷氨酸 (AGA),Mg++ 氨基甲酰磷酸 Pi 胞液 鸟氨酸 瓜氨酸 AMP ATP 瓜氨酸天冬氨酸 α- 酮戊二酸氨基酸 ASS 鸟氨酸精氨酸代琥珀酸草酰乙酸谷氨酸 α- 酮酸 尿素 精氨酸 延胡索酸 苹果酸 ASS: 精氨酸代琥珀酸合成酶尿素分子中的 2 个氮原子,1 个来自氨, 另 1 个来自天冬氨酸, 而天冬氨酸又可由其他氨基酸 通过转氨基作用而生成 线粒体中以氨为氮源, 通过 CSP-Ⅰ 合成氨甲酰磷酸, 并进一步合成尿素 ; 在胞液中以 谷氨酰胺为氮源, 通过 CSP-Ⅱ, 催化合成氨基甲酰磷酸, 并进一步参与嘧啶的合成 CSP- Ⅰ 的活性可用为肝细胞分化程度的指标之一 ;CSP-Ⅱ 的活性可作为细胞增殖程度的指标之一 氨基甲酰磷酸的生成是尿素合成的重要步骤 AGA 是 CSP-Ⅰ 的变构激动剂, 精氨酸是 AGA 合成酶的激活剂 第 3 章核苷酸代谢 一 嘌呤核苷酸代谢 1 合成原料 CO2 甘氨酸 C6 N7 天冬氨酸 N1 C5 甲酰基 ( 一碳单位 ) C2 C4 C8 甲酰基 ( 一碳单位 ) N3 N9 2 合成过程 谷氨酰胺 1) 从头合成 : 5- 磷酸核糖 PRPP 合成酶磷酸核糖焦磷酸 PRPP 酰胺转移酶 5- 磷酸核糖胺 ATP AMP (PRPP) (IMP) GTP GMP 黄嘌呤核苷酸 (XMP) ATP AMP 次黄嘌呤核苷酸 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的, 而不是首先单独合成嘌呤碱然后再与磷酸核糖 结合而成的

23 2) 补救合成 : 利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷, 经过简单的反应过程, 合成嘌呤核苷酸 生理意义为 : 一 方面在于可以节省从头合成时能量和一些氨基酸的消耗 ; 另一方面, 体内某些组织器官, 如 脑 骨髓等由于缺乏从头合成的酶体系, 只能进行补救合成 3 脱氧核苷酸的生成脱氧核苷酸的生成是在二磷酸核苷水平上, 由核糖核苷酸还原酶催化, 核糖核苷酸 C2 上的 羟基被氢取代生成 4 分解产物 AMP GMP 次黄嘌呤黄嘌呤氧化酶 鸟嘌呤 黄嘌呤黄嘌呤氧化酶尿酸 人体内嘌呤碱最终分解生成尿酸, 随尿排出体外 痛风症患者血中尿酸含量升高 临床上常用别嘌呤醇治疗痛风症, 这是因为别嘌呤醇与 次黄嘌呤结构类似, 可抑制黄嘌呤氧化酶, 从而抑制尿酸的生成 5 抗代谢物第九章核苷酸代谢 一 核苷酸类物质的生理功用 : 核苷酸类物质在人体内的生理功用主要有 : 1 作为合成核酸的原料 : 如用 ATP,GTP,CTP,UTP 合成 RNA, 用 datp,dgtp,dctp,dttp 合成 DNA 2 作为能量的贮存和供应形式 : 除 ATP 之外, 还有 GTP,UTP,CTP 等 3 参与代谢或生理活动的调节 : 如环核苷酸 camp 和 cgmp 作为激素的第二信使 4 参与构成酶的辅酶或辅基 : 如在 NAD+,NADP+,FAD,FMN,CoA 中均含有核苷酸的成分 5 作为代谢中间物的载体 : 如用 UDP 携带糖基, 用 CDP 携带胆碱, 胆胺或甘油二酯, 用腺 苷携带蛋氨酸 (SAM) 等 二 嘌呤核苷酸的合成代谢 : 1. 从头合成途径 : 利用一些简单的前体物, 如 5- 磷酸核糖, 氨基酸, 一碳单位及 CO2 等, 逐步合成嘌呤核苷酸的过程称为从头合成途径 这一途径主要见于肝脏, 其次为小肠和胸腺 嘌呤环中各原子分别来自下列前体物质 :Asp N1;N10-CHO FH4 C2 ;Gln N3 和 N9 ;CO2 C6 ;N5,N10=CH-FH4 C8 ;Gly C4 C5 和 N7 合成过程可分为三个阶段 : ⑴ 次黄嘌呤核苷酸的合成 : 在磷酸核糖焦磷酸合成酶的催化下, 消耗 ATP, 由 5'- 磷酸核糖 合成 PRPP(1'- 焦磷酸 -5'- 磷酸核糖 ) 然后再经过大约 10 步反应, 合成第一个嘌呤核苷酸 -- 次黄苷酸 (IMP) ⑵ 腺苷酸及鸟苷酸的合成 :IMP 在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下, 由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸 (AMP-S), 然后裂解产生 AMP;IMP 也可在 IMP 脱氢酶的催化下, 以 NAD+ 为受氢体, 脱氢氧化为黄苷酸 (XMP), 后者再在鸟苷酸合成酶催化下, 由谷氨酰胺提供氨基 合成鸟苷酸 (GMP) ⑶ 三磷酸嘌呤核苷的合成 :AMP/GMP 被进一步磷酸化, 最后生成 ATP/GTP, 作为合成 RNA 的 原料 ADP/GDP 则可在核糖核苷酸还原酶的催化下, 脱氧生成 dadp/dgdp, 然后再磷酸化为 datp/dgtp, 作为合成 DNA 的原料 2. 补救合成途径 : 又称再利用合成途径 指利用分解代谢产生的自由嘌呤碱合成嘌呤核苷 酸的过程 这一途径可在大多数组织细胞中进行 其反应为 :A + PRPP AMP;G/I + PRPP GMP/IMP

24 3. 抗代谢药物对嘌呤核苷酸合成的抑制 : 能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代谢药物, 通 常是属于嘌呤 氨基酸或叶酸的类似物, 主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用, 来干扰或抑 制嘌呤核苷酸的合成, 因而具有抗肿瘤治疗作用 在临床上应用较多的嘌呤核苷酸类似物主 要是 6- 巯基嘌呤 (6-MP) 6-MP 的化学结构与次黄嘌呤类似, 因而可以抑制 IMP 转变为 AMP 或 GMP, 从而干扰嘌呤核苷酸的合成 三 嘌呤核苷酸的分解代谢 : 嘌呤核苷酸的分解首先是在核苷酸酶的催化下, 脱去磷酸生成嘌呤核苷, 然后再在核苷酶的 催化下分解生成嘌呤碱, 最后产生的 I 和 X 经黄嘌呤氧化酶催化氧化生成终产物尿酸 痛风 症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常, 可致血中尿酸水平升高, 以尿酸钠晶体沉积于软 骨 关节 软组织及肾脏, 临床上表现为皮下结节, 关节疼痛等 可用别嘌呤醇予以治疗 四 嘧啶核苷酸的合成代谢 : 1. 从头合成途径 : 指利用一些简单的前体物逐步合成嘧啶核苷酸的过程 该过程主要在肝 脏的胞液中进行 嘧啶环中各原子分别来自下列前体物 :CO2 C2 ;Gln N3 ;Asp C4 C5 C6 N1 嘧啶核苷酸的主要合成步骤为 : ⑴ 尿苷酸的合成 : 在氨基甲酰磷酸合成酶 Ⅱ 的催化下, 以 Gln,CO2,ATP 等为原料合成氨基甲酰磷酸 后者在天冬氨酸转氨甲酰酶的催化下, 转移一分子天冬氨酸, 从而合成氨甲酰天 冬氨酸, 然后再经脱氢 脱羧 环化等反应, 合成第一个嘧啶核苷酸, 即 UMP ⑵ 胞苷酸的合成 :UMP 经磷酸化后生成 UTP, 再在胞苷酸合成酶的催化下, 由 Gln 提供氨基 转变为 CTP ⑶ 脱氧嘧啶核苷酸的合成 :1CTP CDP dcdp dctp 2dCDP dcmp dump dtmp dtdp dttp 胸苷酸合成酶催化 dump 甲基化, 甲基供体为 N5,N10- 亚甲基四氢叶酸 2. 补救合成途径 : 由分解代谢产生的嘧啶 / 嘧啶核苷转变为嘧啶核苷酸的过程称为补救合成 途径 以嘧啶核苷的补救合成途径较重要 主要反应为 :UR/CR + ATP UMP/CMP;TdR + ATP dtmp 3. 抗代谢药物对嘧啶核苷酸合成的抑制 : 能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物, 通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑制嘧啶核苷酸的合成 主要的抗代 谢药物是 5- 氟尿嘧啶 (5-FU) 5-FU 在体内可转变为 F-dUMP, 其结构与 dump 相似, 可竞争 性抑制胸苷酸合成酶的活性, 从而抑制胸苷酸的合成 五 嘧啶核苷酸的分解代谢 : 嘧啶核苷酸可首先在核苷酸酶和核苷磷酸化酶的催化下, 除去磷酸和核糖, 产生的嘧啶碱可在体内进一步分解代谢 不同的嘧啶碱其分解代谢的产物不同, 其降解过程主要在肝脏进行 胞嘧啶和尿嘧啶降解的终产物为 (β- 丙氨酸 + NH3 + CO2 ); 胸腺嘧啶降解的终产物为 (β - 氨基异丁酸 + NH3 + CO2 ) 第十一章 DNA 的生物合成 一 遗传学的中心法则和反中心法则 : DNA 通过复制将遗传信息由亲代传递给子代 ; 通过转录和翻译, 将遗传信息传递给蛋白质分 子, 从而决定生物的表现型 DNA 的复制 转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则 但 在少数 RNA 病毒中, 其遗传信息贮存在 RNA 中 因此, 在这些生物体中, 遗传信息的流向是 RNA 通过复制, 将遗传信息由亲代传递给子代 ; 通过反转录将遗传信息传递给 DNA, 再由 DNA 通过转录和翻译传递给蛋白质, 这种遗传信息的流向就称为反中心法则 二 DNA 复制的特点 : 1. 半保留复制 :DNA 在复制时, 以亲代 DNA 的每一股作模板, 合成完全相同的两个双链子 代 DNA, 每个子代 DNA 中都含有一股亲代 DNA 链, 这种现象称为 DNA 的半保留复制 (semiconservative replication) DNA 以半保留方式进行复制, 是在 1958 年由 M. Meselson

25 和 F. Stahl 所完成的实验所证明 2. 有一定的复制起始点 :DNA 在复制时, 需在特定的位点起始, 这是一些具有特定核苷酸 排列顺序的片段, 即复制起始点 ( 复制子 ) 在原核生物中, 复制起始点通常为一个, 而在 真核生物中则为多个 3. 需要引物 (primer):dna 聚合酶必须以一段具有 3' 端自由羟基 (3'-OH) 的 RNA 作为引物, 才能开始聚合子代 DNA 链 RNA 引物的大小, 在原核生物中通常为 50~100 个核苷酸, 而在 真核生物中约为 10 个核苷酸 4. 双向复制 :DNA 复制时, 以复制起始点为中心, 向两个方向进行复制 但在低等生物中, 也可进行单向复制 5. 半不连续复制 : 由于 DNA 聚合酶只能以 5' 3' 方向聚合子代 DNA 链, 因此两条亲代 DNA 链作为模板聚合子代 DNA 链时的方式是不同的 以 3' 5' 方向的亲代 DNA 链作模板的子代链 在聚合时基本上是连续进行的, 这一条链被称为领头链 (leading strand) 而以 5' 3' 方向 的亲代 DNA 链为模板的子代链在聚合时则是不连续的, 这条链被称为随从链 (lagging strand) DNA 在复制时, 由随从链所形成的一些子代 DNA 短链称为冈崎片段 (Okazaki fragment) 冈崎片段的大小, 在原核生物中约为 1000~2000 个核苷酸, 而在真核生物中约为 100 个核苷酸 三 DNA 复制的条件 : 1. 底物 : 以四种脱氧核糖核酸 (deoxynucleotide triphosphate) 为底物, 即 datp,dgtp, dctp,dttp 2. 模板 (template): 以亲代 DNA 的两股链解开后, 分别作为模板进行复制 3. 引发体 (primosome) 和 RNA 引物 (primer): 引发体由引发前体与引物酶 (primase) 组装 而成 引发前体是由若干蛋白因子聚合而成的复合体 ; 引物酶本质上是一种依赖 DNA 的 RNA 聚合酶 (DDRP) 4.DNA 聚合酶 (DNA dependent DNA polymerase, DDDP): ⑴ 种类和生理功能 : 在原核生物中, 目前发现的 DNA 聚合酶有三种, 分别命名为 DNA 聚合酶 Ⅰ(pol Ⅰ),DNA 聚合酶 Ⅱ(pol Ⅱ),DNA 聚合酶 Ⅲ(pol Ⅲ), 这三种酶都属于具有多种 酶活性的多功能酶 pol Ⅰ 为单一肽链的大分子蛋白质, 具有 5' 3' 聚合酶活性 3' 5' 外切酶活性和 5' 3' 外切酶的活性 ; 其功能主要是去除引物 填补缺口以及修复损伤 pol Ⅱ 具有 5' 3' 聚合酶活性和 3' 5' 外切酶活性, 其功能不明 pol Ⅲ 是由十种亚基组成的不 对称二聚体, 具有 5' 3' 聚合酶活性和 3' 5' 外切酶活性, 与 DNA 复制功能有关 在真核生物中, 目前发现的 DNA 聚合酶有五种 其中, 参与染色体 DNA 复制的是 pol α( 延 长随从链 ) 和 pol δ( 延长领头链 ), 参与线粒体 DNA 复制的是 pol γ,polε 与 DNA 损伤 修复 校读和填补缺口有关,pol β 只在其他聚合酶无活性时才发挥作用 ⑵DNA 复制的保真性 : 为了保证遗传的稳定,DNA 的复制必须具有高保真性 DNA 复制时的 保真性主要与下列因素有关 :1 遵守严格的碱基配对规律 ;2 在复制时对碱基的正确选择 ; 3 对复制过程中出现的错误及时进行校正 5.DNA 连接酶 (DNA ligase):dna 连接酶可催化两段 DNA 片段之间磷酸二酯键的形成, 而使 两段 DNA 连接起来 该酶催化的条件是 :1 需一段 DNA 片段具有 3'-OH, 而另一段 DNA 片段 具有 5'-Pi 基 ;2 未封闭的缺口位于双链 DNA 中, 即其中有一条链是完整的 ;3 需要消耗 能量, 在原核生物中由 NAD+ 供能, 在真核生物中由 ATP 供能 6. 单链 DNA 结合蛋白 (single strand binding protein, SSB): 又称螺旋反稳蛋白 (HDP) 这是一些能够与单链 DNA 结合的蛋白质因子 其作用为 :1 稳定单链 DNA, 便于以其为模板 复制子代 DNA;2 保护单链 DNA, 避免核酸酶的降解 7. 解螺旋酶 (unwinding enzyme): 又称解链酶或 rep 蛋白, 是用于解开 DNA 双链的酶蛋白,

26 每解开一对碱基, 需消耗两分子 ATP 8. 拓扑异构酶 (topoisomerase): 拓扑异构酶可将 DNA 双链中的一条链或两条链切断, 松开 超螺旋后再将 DNA 链连接起来, 从而避免出现链的缠绕 四 DNA 生物合成过程 : 1. 复制的起始 : ⑴ 预引发 :1 解旋解链, 形成复制叉 : 由拓扑异构酶和解链酶作用, 使 DNA 的超螺旋及双螺 旋结构解开, 形成两条单链 DNA 单链 DNA 结合蛋白 (SSB) 结合在单链 DNA 上, 形成复制 叉 DNA 复制时, 局部双螺旋解开形成两条单链, 这种叉状结构称为复制叉 2 引发体组装 : 由引发前体蛋白因子识别复制起始点, 并与引发酶一起组装形成引发体 ⑵ 引发 : 在引发酶的催化下, 以 DNA 链为模板, 合成一段短的 RNA 引物 2. 复制的延长 : ⑴ 聚合子代 DNA: 由 DNA 聚合酶催化, 以亲代 DNA 链为模板, 从 5' 3' 方向聚合子代 DNA 链 ⑵ 引发体移动 : 引发体向前移动, 解开新的局部双螺旋, 形成新的复制叉, 随从链重新合成 RNA 引物, 继续进行链的延长 3. 复制的终止 : ⑴ 去除引物, 填补缺口 : RNA 引物被水解, 缺口由 DNA 链填补, 直到剩下最后一个磷酸酯 键的缺口 ⑵ 连接冈崎片段 : 在 DNA 连接酶的催化下, 将冈崎片段连接起来, 形成完整的 DNA 长链 ⑶ 真核生物端粒 (telomere) 的形成 : 端粒是指真核生物染色体线性 DNA 分子末端的结构部 分, 通常膨大成粒状 线性 DNA 在复制完成后, 其末端由于引物 RNA 的水解而可能出现缩短 故需要在端粒酶 (telomerase) 的催化下, 进行延长反应 端粒酶是一种 RNA- 蛋白质复合 体, 它可以其 RNA 为模板, 通过逆转录过程对末端 DNA 链进行延长 五 DNA 的损伤 : 由自发的或环境的因素引起 DNA 一级结构的任何异常的改变称为 DNA 的损伤 常见的 DNA 的损伤包括碱基脱落 碱基修饰 交联, 链的断裂, 重组等 引起 DNA 损伤的因素有 : 1. 自发因素 : (1) 自发脱碱基 : 由于 N- 糖苷键的自发断裂, 引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落 (2) 自发脱氨基 :C 自发脱氨基可生成 U,A 自发脱氨基可生成 I (3) 复制错配 : 由于复制时碱基配对错误引起的损伤 2. 物理因素 : 由紫外线 电离辐射 X 射线等引起的 DNA 损伤 其中,X 射线和电离辐射常常引起 DNA 链的断裂, 而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成, 如 TT,TC,CC 等二聚体 3. 化学因素 : (1) 脱氨剂 : 如亚硝酸与亚硝酸盐, 可加速 C 脱氨基生成 U,A 脱氨基生成 I (2) 烷基化剂 : 这是一类带有活性烷基的化合物, 可提供甲基或其他烷基, 引起碱基或磷酸 基的烷基化, 甚至可引起邻近碱基的交联 (3)DNA 加合剂 : 如苯并芘, 在体内代谢后生成四羟苯并芘, 与嘌呤共价结合引起损伤 (4) 碱基类似物 : 如 5-FU,6-MP 等, 可掺入到 DNA 分子中引起损伤或突变 (5) 断链剂 : 如过氧化物, 含巯基化合物等, 可引起 DNA 链的断裂 六 DNA 突变的类型 : 1. 点突变 : 转换 -- 相同类型碱基的取代 颠换 -- 不同类型碱基的取代 插入 -- 增加一个碱基 缺失 -- 减少一个碱基 2. 复突变 : 插入 -- 增加一段顺序 缺失 -- 减少一段顺序 倒位 -- 一段碱基顺序发生颠倒 易位 -- 一段碱基顺序的位置发生改变 重组 -- 一段碱基顺序与另一段碱基顺序发生交换 七 DNA 突变的效应 :

27 1. 同义突变 : 基因突变导致 mrna 密码子第三位碱基的改变但不引起密码子意义的改变, 其 翻译产物中的氨基酸残基顺序不变 2. 误义突变 : 基因突变导致 mrna 密码子碱基被置换, 其意义发生改变, 翻译产物中的氨基 酸残基顺序发生改变 3. 无义突变 : 基因突变导致 mrna 密码子碱基被置换而改变成终止暗码子, 引起多肽链合成的终止 4. 移码突变 : 基因突变导致 mrna 密码子碱基被置换, 引起突变点之后的氨基酸残基顺序全 部发生改变 八 DNA 损伤的修复 : DNA 损伤的修复方式可分为直接修复和取代修复两大类 直接修复包括光复活 转甲基作用和直接连接作用, 均属于无差错修复 取代修复包括切除修复 重组修复和 SOS 修复, 后二 者属于有差错倾向修复 1. 光复活 : 由光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物, 在可见光照射下, 酶获得 能量, 将嘧啶二聚体的丁酰环打开, 使之完全修复 2. 转甲基作用 : 在转甲基酶的催化下, 将 DNA 上的被修饰的甲基去除 此时, 转甲基酶自身被甲基化而失活 3. 直接连接 :DNA 断裂形成的缺口, 可以在 DNA 连接酶的催化下, 直接进行连接而封闭缺 口 4. 切除修复 : 这种修复机制可适用于多种 DNA 损伤的修复 该修复机制可以分别由两种不 同的酶来发动, 一种是核酸内切酶, 另一种是 DNA 糖苷酶 1 特异性的核酸内切酶 ( 如原核中的 UvrA UvrB 和 UvrC) 或 DNA 糖苷酶识别 DNA 受损伤的部位, 并在该部位的 5' 端作一切 口 ;2 由核酸外切酶 ( 或 DNA 聚合酶 Ⅰ) 从 5' 3' 端逐一切除损伤的单链 ;3 在 DNA 聚合酶 的催化下, 以互补链为模板, 合成新的单链片段以填补缺口 ;4 由 DNA 连接酶催化连接片段, 封闭缺口 5. 重组修复 :1DNA 复制时, 损伤部位导致子链 DNA 合成障碍, 形成空缺 ;2 此空缺诱导产生重组酶 ( 重组蛋白 RecA), 该酶与空缺区结合, 并催化子链空缺与对侧亲链进行重组交 换 ;3 对侧亲链产生的空缺以互补的子链为模板, 在 DNA 聚合酶和连接酶的催化下, 重新修 复缺口 ;4 亲链上的损伤部位继续保留或以切除修复方式加以修复 6.SOS 修复 : 这是一种在 DNA 分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机 制, 以 SOS 借喻细胞处于危急状态 第十二章 RNA 的生物合成 一 RNA 转录合成的特点 : 在 RNA 聚合酶的催化下, 以一段 DNA 链为模板合成 RNA, 从而将 DNA 所携带的遗传信息传递 给 RNA 的过程称为转录 经转录生成的 RNA 有多种, 主要的是 rrna,trna,mrna,snrna 和 HnRNA 1. 转录的不对称性 : 指以双链 DNA 中的一条链作为模板进行转录, 从而将遗传信息由 DNA 传递给 RNA 对于不同的基因来说, 其转录信息可以存在于两条不同的 DNA 链上 能够转录 RNA 的那条 DNA 链称为有意义链 ( 模板链 ), 而与之互补的另一条 DNA 链称为反意义链 ( 编 码链 ) 2. 转录的连续性 :RNA 转录合成时, 在 RNA 聚合酶的催化下, 连续合成一段 RNA 链, 各条 RNA 链之间无需再进行连接 3. 转录的单向性 :RNA 转录合成时, 只能向一个方向进行聚合,RNA 链的合成方向为 5' 3' 4. 有特定的起始和终止位点 :RNA 转录合成时, 只能以 DNA 分子中的某一段作为模板, 故 存在特定的起始位点和特定的终止位点

28 二 RNA 转录合成的条件 : 1. 底物 : 四种核糖核苷酸, 即 ATP,GTP,CTP,UTP 2. 模板 : 以一段单链 DNA 作为模板 3.RNA 聚合酶 (DDRP): RNA 聚合酶在单链 DNA 模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下, 不 需要引物, 即可从 5' 3' 聚合 RNA 原核生物中的 RNA 聚合酶全酶由五个亚基构成, 即 α2ββ'σ σ 亚基与转录起始点的识别 有关, 而在转录合成开始后被释放, 余下的部分 (α2ββ') 被称为核心酶, 与 RNA 链的聚 合有关 真核生物中的 RNA 聚合酶分为三种 :RNA polⅠ 存在于核仁, 对 α- 鹅膏蕈碱不敏感, 用于合 成 rrna 前体 ;RNA polⅡ 存在于核基质, 对 α- 鹅膏蕈碱极敏感, 用于合成 HnRNA;RNA pol Ⅲ 存在于核基质, 对 α- 鹅膏蕈碱敏感, 用于合成 trna 前体 snrna 及 5S rrna 4. 终止因子 ρ 蛋白 : 这是一种六聚体的蛋白质, 能识别终止信号, 并能与 RNA 紧密结合, 导 致 RNA 的释放 5. 激活因子 : 降解产物基因激活蛋白 (CAP), 又称为 camp 受体蛋白 (CRP), 是一种二聚体 蛋白质 该蛋白与 camp 结合后, 刺激 RNA 聚合酶与起始部位结合, 从而起始转录过程 三 RNA 转录合成的基本过程 : 1. 识别 :RNA 聚合酶中的 σ 因子识别转录起始点, 并促使核心酶结合形成全酶复合物 位于基因上游, 与 RNA 聚合酶识别 结合并起始转录有关的一些 DNA 顺序称为启动子 在原 核生物中的启动子通常长约 60bp, 存在两段带共性的顺序, 即 5'-TTGACA-3' 和 5'-TATAATG-3', 其中富含 TA 的顺序被称为 Pribnow 盒 真核生物的启动子中也存在一段富含 TA 的顺序, 被称为 Hogness 盒或 TATA 盒 2. 起始 :RNA 聚合酶全酶促使局部双链解开, 并催化 ATP 或 GTP 与另外一个三磷酸核苷聚 合, 形成第一个 3',5'- 磷酸二酯键 3. 延长 :σ 因子从全酶上脱离, 余下的核心酶继续沿 DNA 链移动, 按照碱基互补原则, 不 断聚合 RNA 4. 终止 :RNA 转录合成的终止机制有两种 ⑴ 自动终止 : 模板 DNA 链在接近转录终止点处存在相连的富含 GC 和 AT 的区域, 使 RNA 转录 产物形成寡聚 U 及发夹形的二级结构, 引起 RNA 聚合酶变构及移动停止, 导致 RNA 转录的终 止 ⑵ 依赖辅助因子的终止 : 由终止因子 (ρ 蛋白 ) 识别特异的终止信号, 并促使 RNA 的释放 四 真核生物 RNA 转录后的加工修饰 : 1.mRNA 的转录后加工 : ⑴ 加帽 : 即在 mrna 的 5'- 端加上 m7gtp 的结构 此过程发生在细胞核内, 即对 HnRNA 进行加 帽 加工过程首先是在磷酸酶的作用下, 将 5'- 端的磷酸基水解, 然后再加上鸟苷三磷酸, 形成 GpppN 的结构, 再对 G 进行甲基化 ⑵ 加尾 : 这一过程也是细胞核内完成, 首先由核酸外切酶切去 3'- 端一些过剩的核苷酸, 然 后再加入 polya ⑶ 剪接 : 真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因 结构基因中能够指导多肽链合成的编 码顺序被称为外显子, 而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子 真核生物 HnRNA 的剪接一般需 snrna 参与构成的核蛋白体参加, 通过形成套索状结构而将内含子切除掉 ⑷ 内部甲基化 : 由甲基化酶催化, 对某些碱基进行甲基化处理 2.tRNA 的转录后加工 : 主要加工方式是切断和碱基修饰

29 3.rRNA 的转录后加工 : 主要加工方式是切断 第十三章蛋白质的生物合成 一 蛋白质生物合成体系 : 生物体内的各种蛋白质都是生物体利用约 20 种氨基酸为原料自行合成的 蛋白质的生物合成过程, 就是将 DNA 传递给 mrna 的遗传信息, 再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过 程, 这一过程被称为翻译 (translation) 参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合 成体系, 该体系包括 : 1.mRNA: 作为指导蛋白质生物合成的模板 mrna 中每三个相邻的核苷酸组成三联体, 代表一个氨基酸的信息, 此三联体就称为密码 共有 64 种不同的密码 遗传密码具有以下特点 :1 连续性 ;2 简并性 ;3 通用性 ;4 方 向性 ;5 摆动性 ;6 起始密码 :AUG; 终止密码 :UAA UAG UGA 2.tRNA: 在氨基酸 trna 合成酶催化下, 特定的 trna 可与相应的氨基酸结合, 生成氨基酰 trna, 从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成 trna 反密码环中部的三个核苷酸构成三联体, 可以识别 mrna 上相应的密码, 此三联体就称为反密码 反密码对密码的识别, 通常也是根据碱基互补原则, 即 A-U,G-C 配对 但反密 码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对, 并不严格遵循碱基互补原则, 这种配对称为不 稳定配对 能够识别 mrna 中 5 端起动密码 AUG 的 trna 称为起动 trna 在原核生物中, 起动 trna 是 trnafmet; 而在真核生物中, 起动 trna 是 trnamet 3.rRNA 和核蛋白体 : 原核生物中的核蛋白体大小为 70S, 可分为 30S 小亚基和 50S 大亚基 真核生物中的核蛋白体大小为 80S, 也分为 40S 小亚基和 60S 大亚基 核蛋白体的大 小亚基 分别有不同的功能 : ⑴ 小亚基 : 可与 mrna GTP 和起动 trna 结合 ⑵ 大亚基 :1 具有两个不同的 trna 结合点 A 位 -- 受位或氨酰基位, 可与新进入的氨基酰 trna 结合 ;P 位 -- 给位或肽酰基位, 可与延伸中的肽酰基 trna 结合 2 具有转肽酶活性 在蛋白质生物合成过程中, 常常由若干核蛋白体结合在同一 mrna 分子上, 同时进行翻译 由若干核蛋白体结合在一条 mrna 上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋 白体 4. 起动因子 (IF): 这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子 原核生物中存在 3 种起动因子, 分别称为 IF1-3 在真核生物中存在 9 种起动因子 (eif) 其作用主要是促进核蛋白 体小亚基与起动 trna 及模板 mrna 结合 5. 延长因子 (EF): 原核生物中存在 3 种延长因子 (EFTU,EFTS,EFG), 真核生物中存在 2 种 (EF1,EF2) 其作用主要促使氨基酰 trna 进入核蛋白的受体, 并可促进移位过程 6. 释放因子 (RF): 原核生物中有 4 种, 在真核生物中只有 1 种 其主要作用是识别终止密码, 协助多肽链的释放 7. 氨基酰 trna 合成酶 : 该酶存在于胞液中, 与特异氨基酸的活化以及氨基酰 trna 的合成 有关 每种氨基酰 trna 合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种 trna 具有高度特异性 二 蛋白质生物合成过程 : 1. 氨基酸的活化与搬运 : 氨基酸的活化以及活化氨基酸与 trna 的结合, 均由氨基酰 trna 合成酶催化完成 反应完成后, 特异的 trna3 端 CCA 上的 2 或 3 位自由羟基与相应的活 化氨基酸以酯键相连接, 形成氨基酰 trna 2. 活化氨基酸的缩合 -- 核蛋白体循环 : 活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译 mrna 上的密码并 缩合生成多肽链的循环反应过程, 称为核蛋白体循环 核蛋白体循环过程可分为三个阶段 :

30 ⑴ 起动阶段 :130S 起动复合物的形成 在 IF 促进下,30S 小亚基与 mrna 的起动部位, 起 动 trna(trnafmet), 和 GTP 结合, 形成复合体 270S 起动前复合体的形成 IF3 从 30S 起 动复合体上脱落,50S 大亚基与复合体结合, 形成 70S 起动前复合体 370S 起动复合体的 形成 GTP 被水解,IF1 和 IF2 从复合物上脱落 ⑵ 肽链延长阶段 :1 进位 : 与 mrna 下一个密码相对应的氨基酰 trna 进入核蛋白体的受位 此步骤需 GTP,Mg2+, 和 EF 参与 2 成肽 : 在转肽酶的催化下, 将给位上的 trna 所携带的 甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰 trna 上, 与其 α- 氨基缩合形成肽键 给位上 已失去蛋氨酰基或肽酰基的 trna 从核蛋白上脱落 3 移位 : 核蛋白体向 mrna 的 3'- 端滑动 相当于一个密码的距离, 同时使肽酰基 trna 从受体移到给位 此步骤需 EF(EFG) GTP 和 Mg2+ 参与 此时, 核蛋白体的受位留空, 与下一个密码相对应的氨基酰 trna 即可再进入, 重复以上循环过程, 使多肽链不断延长 ⑶ 肽链终止阶段 : 核蛋白体沿 mrna 链滑动, 不断使多肽链延长, 直到终止信号进入受位 1 识别 :RF 识别终止密码, 进入核蛋白体的受位 2 水解 :RF 使转肽酶变为水解酶, 多肽 链与 trna 之间的酯键被水解, 多肽链释放 3 解离 : 通过水解 GTP, 使核蛋白体与 mrna 分 离,tRNA RF 脱落, 核蛋白体解离为大 小亚基 三 多肽链合成后的加工修饰 : 1. 一级结构的加工修饰 : ⑴N 端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除 :N 端甲酰蛋氨酸是多肽链合成的起始氨基酸, 必须在多 肽链折迭成一定的空间结构之前被切除 其过程是 :1 去甲酰化 ;2 去蛋氨酰基 ⑵ 氨基酸的修饰 : 由专一性的酶催化进行修饰, 包括糖基化 羟基化 磷酸化 甲酰化等 ⑶ 二硫键的形成 : 由专一性的氧化酶催化, 将 -SH 氧化为 -S-S- ⑷ 肽段的切除 : 由专一性的蛋白酶催化, 将部分肽段切除 2. 高级结构的形成 : ⑴ 构象的形成 : 在分子内伴侣 辅助酶及分子伴侣的协助下, 形成特定的空间构象 ⑵ 亚基的聚合 ⑶ 辅基的连接 3. 靶向输送 : 蛋白质合成后, 定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送 大多数情 况下, 被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构, 才能到达特定的地点 因此, 在这些蛋白质分 子的氨基端, 一般都带有一段疏水的肽段, 称为信号肽 分泌型蛋白质的定向输送, 就是靠 信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子 (SRP) 识别并特异结合, 然后再通过 SRP 与膜上的对接蛋白 (DP) 识别并结合后, 将所携带的蛋白质送出细胞 第十四章基因表达调控 一 基因表达调控基本概念与原理 : 1. 基因表达的概念 : 基因表达 (gene expression) 就是指在一定调节因素的作用下,DNA 分子上特定的基因被激活并转录生成特定的 RNA, 或由此引起特异性蛋白质合成的过程 2. 基因表达的时间性及空间性 : ⑴ 时间特异性 : 基因表达的时间特异性 (temporal specificity) 是指特定基因的表达严格按 照特定的时间顺序发生, 以适应细胞或个体特定分化 发育阶段的需要 故又称为阶段特异 性 ⑵ 空间特异性 : 基因表达的空间特异性 (spatial specificity) 是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段, 同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同, 从而导致特异性的蛋 白质分布于不同的细胞或组织器官 故又称为细胞特异性或组织特异性 3. 基因表达的方式 : ⑴ 组成性表达 : 组成性基因表达 (constitutive gene expression) 是指在个体发育的任一

31 阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达 其基因表达产物通常是对生命过程必需的或 必不可少的, 且较少受环境因素的影响 这类基因通常被称为管家基因 (housekeeping gene) ⑵ 诱导和阻遏表达 : 诱导表达 (induction) 是指在特定环境因素刺激下, 基因被激活, 从 而使基因的表达产物增加 这类基因称为可诱导基因 阻遏表达 (repression) 是指在特定 环境因素刺激下, 基因被抑制, 从而使基因的表达产物减少 这类基因称为可阻遏基因 4. 基因表达的生物学意义 :1 适应环境 维持生长和增殖 2 维持个体发育与分化 5. 基因表达调控的基本原理 : ⑴ 基因表达的多级调控 : 基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段, 因 此基因表达的调控可分为转录水平 ( 基因激活及转录起始 ), 转录后水平 ( 加工及转运 ), 翻 译水平及翻译后水平, 但以转录水平的基因表达调控最重要 ⑵ 基因转录激活调节基本要素 :1 顺式作用元件 : 顺式作用元件 (cis-acting element) 又 称分子内作用元件, 指存在于 DNA 分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序 2 反式作 用因子 : 反式作用因子 (trans-acting factor) 又称为分子间作用因子, 指一些与基因表 达调控有关的蛋白质因子 反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用, 才能够达到对特 定基因进行调控的目的 3 顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用 : 大多数调节蛋白在与 DNA 结合之前, 需先通过蛋白质 - 蛋白质相互作用, 形成二聚体或多聚体, 然后再通过 识别特定的顺式作用元件, 而与 DNA 分子结合 这种结合通常是非共价键结合 二 操纵子的结构与功能 : 在原核生物中, 若干结构基因可串联在一起, 其表达受到同一调控系统的调控, 这种基因的 组织形式称为操纵子 典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分 信息区由一个或数个结构基因串联在一起组成 ; 控制区通常由调节基因 ( 阻抑蛋白编码基因 ) 启动基因 (CRP 和 RNA 聚合酶结合区 ) 和操纵基因 ( 阻抑蛋白结合位点 ) 构成 1. 原核生物乳糖操纵子 : 原核生物乳糖操纵子 (Lac operon) 的控制区包括调节基因, 启动基因 ( 其 CRP 结合位点位于 RNA 聚合酶结合位点上游 ) 和操纵基因 ; 其信息区由 β- 半乳糖苷酶基因 (lacz), 通透酶基因 (lacy) 和乙酰化酶基因 (laca) 串联在一起构成 当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓 度降低时, 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合, 促使阻抑蛋白与操纵基因分离 ; 另一方面, 细 胞中 camp 浓度升高,cAMP 与 CRP 结合并使之激活,CRP 与启动基因结合并促使 RNA 聚合酶 与启动基因结合, 基因转录激活 2. 原核生物色氨酸操纵子 : 色氨酸操纵子 (trp operon) 属于阻遏型操纵子, 主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶 蛋白的转录合成 色氨酸操纵子通常处于开放状态, 其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻 遏转录 而当色氨酸合成过多时, 色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白, 后者与操纵基因结合而使基因转录关闭 色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减 (attenuation) 机制 即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域, 当细胞内色氨酸酸浓度很高时, 通过与转录相偶联的翻译过程, 形成一个衰减子结构, 使 RNA 聚合酶从 DNA 上脱落, 导致转录终止 3. 原核生物转录的整体调控模式 : 由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子 通过组成调节子调控网络, 对若干操 纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控, 从而达到整体调控的目的 典型的整体调控模式是 SOS 反应, 这是由一组与 DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成 在正常情况下, 这些基 因均被 LexA 阻遏蛋白封闭 当有紫外线照射时, 细菌体内的 RecA 蛋白水解酶被激活, 催化 LexA 阻遏蛋白裂解失活, 从而导致与 DNA 损伤修复有关的基因表达 三 真核基因组结构特点 :

32 1. 转录产物为单顺反子 : 真核基因的转录产物一般是单顺反子 (mono-cistron), 即一个编 码基因转录生成一个 mrna 分子, 并指导翻译一条多肽链 2. 大量重复序列 : 真核基因组中含大量的重复序列, 这些重复序列大部分是没有特定生物 学功能的 DNA 片段, 可占整个基因组 DNA 的 90% 根据重复频率可将其分为高度重复序列 中度重复序列和单拷贝序列 3. 断裂基因 : 真核生物中的基因具有不连续性, 即一个基因的编码序列往往被一些非编码 序列分隔开 基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子 (exon), 而在转 录后会被剪除的部分则称为内含子 (intron) 三 真核基因表达调控的特点 : 1.RNA 聚合酶活性受转录因子调控 : 真核生物中存在 RNA polⅠ Ⅱ Ⅲ 三种不同的 RNA 聚合酶, 分别负责转录不同的 RNA 这些 RNA 聚合酶与相应的转录因子形成复合体, 从而激 活或抑制该酶的催化活性 2. 染色质结构改变参与基因表达的调控 : 真核生物 DNA 与组蛋白结合并形成核小体的结构, 再进一步形成染色质 当真核基因被激活时, 染色质的结构也随之发生改变 主要的改变有 : ⑴ 单链 DNA 形成 : 基因被激活后, 双链 DNA 解开成单链以利于转录, 从而形成一些对 DNAase Ⅰ 的超敏位点 ⑵DNA 拓朴结构改变 : 天然双链 DNA 均以负性超螺旋构象存在, 当基因激活后, 则转录区前 方的 DNA 拓朴结构变为正性超螺旋 正性超螺旋可阻碍核小体形成, 并促进组蛋白解聚 ⑶ 核小体不稳定性增加 : 由于组蛋白修饰状态改变, 巯基暴露等原因而引起核小体结构改变 4. 正性调节占主导 : 真核基因一般都处于阻遏状态,RNA 聚合酶对启动子的亲和力很低 通过利用各种转录因子正性激活 RNA 聚合酶是真核基因调控的主要机制 5. 转录和翻译过程分别进行 : 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位, 可分别进行 调控 6. 转录后加工修饰过程复杂 : 特别是 mrna, 转录后仅形成其初级转录产物 --HnRNA, 然后 再经剪接 加帽 加尾等加工修饰, 才能转变为成熟的 mrna 四 真核基因转录调控元件及激活机制 : 1. 顺式作用元件 ( 分子内作用元件 ): ⑴ 启动子 : 存在于结构基因上游, 与基因转录启动有关的一段特殊 DNA 顺序称为启动子 与 原核生物类似, 也含有一段富含 TATA 的顺序, 称为 TATA 盒 除此之外, 还可见 CAAT 盒和 GC 盒 ⑵ 增强子 : 位于结构基因附近, 能够增强该基因转录活性的一段 DNA 顺序称为增强子 增强 子的特点是 :1 在转录起始点 5 或 3 侧均能起作用 ;2 相对于启动子的任一指向均能起作 用 ;3 发挥作用与受控基因的远近距离相对无关 ;4 对异源性启动子也能发挥作用 ;5 通常 具有一些短的重复顺序 ⑶ 沉默子 : 能够对基因转录起阻遏作用的 DNA 片段, 属于负性调控元件 2. 反式作用因子 ( 分子间作用因子 ): 真核生物反式作用因子通常属于转录因子 (transcription factor,tf) (1) 转录因子的种类 :1 非特异性转录因子 ( 基本转录因子 ): 非选择性调控基因转录表达的 蛋白质因子称为非特异性转录因子 真核生物中存在的三种 RNA 聚合酶分别有相应的转录因 子, 即 TFⅠ,TFⅡ,TFⅢ 其中,TFⅡ 一共有六种亚类 TFⅡD 是唯一能识别启动子 TATA 盒并与之结合的转录因子, 而 TFⅡB 则可促进聚合酶 Ⅱ 与启动子的结合 2 特异性转录因子 : 能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子 目前较清楚的 是调控免疫球蛋白基因表达的核内蛋白质因子 (NF) (2) 转录因子的结构 : 反式作用因子至少含有三个功能域, 即 DNA 结合功能域, 转录活性功

33 能域和其它转录因子结合功能域 DNA 结合功能域带共性的结构主要有 :1HTH 和 HLH 结构 : 由两段 α- 螺旋夹一段 β- 折迭构成,α- 螺旋与 β- 折迭之间通过 β- 转角或成环连接, 即螺 旋 - 转角 - 螺旋结构和螺旋 - 环 - 螺旋结构 2 锌指结构 : 见于 TFⅢA 和类固醇激素受体中, 由 一段富含半胱氨酸的多肽链构成 每四个半光氨酸残基或 His 残基螯合一分子 Zn2+, 其余 约 个残基则呈指样突出, 刚好能嵌入 DNA 双螺旋的大沟中而与之相结合 3 亮氨酸拉链结构 : 见于真核生物 DNA 结合蛋白的 C 端, 与癌基因表达调控有关 由两段 α- 螺旋平行 排列构成, 其 α- 螺旋中存在每隔 7 个残基规律性排列的 Leu 残基,Leu 侧链交替排列而呈拉 链状 两条肽链呈钳状与 DNA 相结合 ⑶ 转录因子的作用特点 :1 同一 DNA 顺式作用元件可被不同的转录因子所识别 ;2 同一转录 因子也可识别不同的 DNA 顺式作用元件 ;3TF 与 TF 之间存在相互作用 ;4 当 TF 与 TF,TF 与 DNA 结合时, 可导致构象改变 ;5TF 在合成过程中, 有较大的可变性和可塑性 3. 转录激活及其调控 : 真核 RNA 聚合酶 Ⅱ 的激活需要依赖多种转录因子, 并与之形成复合 体 其过程首先是由 TFⅡD 识别启动子序列并与之结合 ; 继而 RNA 聚合酶 Ⅱ 与 TFⅡD B 等 聚合形成一个功能性的前起始复合体 --PIC; 最后, 结合了增强子的转录因子与前起始复合 体结合, 从而形成稳定的转录起始复合体 --- 第十五章基因重组和基因工程 一 自然界的基因转移和重组 : 基因重组 (gene recombination) 是指 DNA 片段在细胞内 细胞间, 甚至在不同物种之间进行 交换, 交换后的片段仍然具有复制和表达的功能 1. 接合作用 : 当细胞与细胞相互接触时,DNA 分子即从一个细胞向另一个细胞转移, 这种遗传物质的转移方式称为接合作用 (conjugation) 2. 转化和转染 : 由外来 DNA 引起生物体遗传性状改变的过程称为转化 (transformation) 噬菌体常常可感染细菌并将其 DNA 注入细菌体内, 也可引起细菌遗传性状的改变 通过感染 方式将外来 DNA 引入宿主细胞, 并导致宿主细胞遗传性状改变的过程称为转染 (transfection) 转染是转化的一种特殊形式 3. 整合和转导 : 外来 DNA 侵入宿主细胞, 并与宿主细胞 DNA 进行重组, 成为宿主细胞 DNA 的一部分, 这一过程称为整合 整合在宿主细胞染色体 DNA 中的外来 DNA, 可以被切离出来, 同时也可带走一部分的宿主 DNA, 这一过程称为转导 (transduction) 来源于宿主 DNA 的基 因称为转导基因 4. 转座 : 转座又称为转位 (transposition), 是指 DNA 的片段或基因从基因组的一个位置转移到另一个位置的现象 这些能够在基因组中自由游动的 DNA 片段包括插入序列和转座子 两种类型 ⑴ 插入序列 : 典型的插入序列 (insertion sequence,is) 是长 bp 的 DNA 片段, 由两个分离的反向重复序列和一个转座酶基因 当转座酶基因表达时, 即可引起该序列的转 座 其转座方式主要有保守性转座和复制性转座 ⑵ 转座子 : 转座子 (transposons) 是可从一个染色体位点转移到另一个位点的分散的重复序 列, 含两个反向重复序列 一个转座酶基因和其他基因 ( 如抗生素抗性基因 ) 免疫球蛋白重链基因由一组可变区基因 (VH) 和一组恒定区基因 (CH) 构成, 通过这些基因 的选择性转座和重组, 就可以转录表达出各种各样的免疫球蛋白重链, 以对付不同的抗原 5. 基因重组的方式 : ⑴ 位点特异性重组 : 在整合酶的催化下, 两段 DNA 序列的特异的位点处发生整合并共价连接, 称为位点特异性重组 ⑵ 同源重组 : 发生在同源 DNA 序列之间的重组称为同源重组 (homologous recombination) 这种重组方式要求两段 DNA 序列类似, 并在特定的重组蛋白或酶的作用下完成

34 二 重组 DNA 技术 : 重组 DNA 技术又称为基因工程 (genetic engineering) 或分子克隆 (molecular cloning), 是指采用人工方法将不同来源的 DNA 进行重组, 并将重组后的 DNA 引入宿主细胞中进行增殖 或表达的过程 1. 载体和目的基因的分离 ( 分 ): 对载体 DNA 和目的基因分别进行分离纯化, 得到其纯品 ⑴ 载体 : 常用的载体 (vector) 主要包括质粒 (plasmid) 噬菌体 (phage) 和病毒 (virus) 三大 类 这些载体均需经人工构建, 除去致病基因, 并赋予一些新的功能, 如有利于进行筛选的 标志基因 单一的限制酶切点等 1 质粒 : 是存在于天然细菌体内的一种独立于细菌染色体 之外的双链环状 DNA, 具有独立复制的能力, 通常带有细菌的抗药基因 2 噬菌体 : 可通过 转染方式将其 DNA 送入细菌体内进行增殖 常用的为人工构建的 λ 噬菌体载体, 当目的基因与噬菌体 DNA 进行重组时, 可采用插入重组方式, 也可采用置换重组方式 3 病毒 : 常用的 为 SV40, 通过感染方式将其 DNA 送入哺乳动物细胞中进行增殖 ⑵ 目的基因 :1 直接从染色体 DNA 中分离 : 仅适用于原核生物基因的分离 2 人工合成 : 根 据已知多肽链的氨基酸顺序, 利用遗传密码表推定其核苷酸顺序再进行人工合成 适应于编 码小分子多肽的基因 3 从 mrna 合成 cdna: 采用一定的方法钓取特定基因的 mrna, 再通过逆转录酶催化合成其互补 DNA(cDNA), 除去 RNA 链后, 再用 DNA 聚合酶合成其互补 DNA 链, 从而得到双链 DNA 4 从基因文库中筛选 : 将某一种基因 DNA 用适当的限制酶切断后, 与载 体 DNA 重组, 再全部转化宿主细胞, 得到含全部基因组 DNA 的种群, 称为 G 文库 (genomic DNA library) 将某种细胞的全部 mrna 通过逆转合成 cdna, 然后转化宿主细胞, 得到含全部表 达基因的种群, 称为 C- 文库 (cdna library) C- 文库具有组织细胞特异性 5 利用 PCR 合成 : 如已知目的基因两端的序列, 则可采用聚合酶链反应 (polymerase chain reaction, PCR) 技术, 在体外合成目的基因 2. 载体和目的基因的切断 ( 切 ): 通常采用限制性核酸内切酶 (restriction endonuclease), 简称限制酶, 分别对载体 DNA 和目的基因进行切断, 以便于重组 能够识别特定的碱基顺序 并在特定的位点降解核酸的核酸内切酶称为限制酶 限制酶所识别的顺序往往为 4-8 个碱基对, 且有回文结构 由限制酶切断后的末端可形成平端 3'- 突出粘性末端和 5'- 突出粘性末 端三种情况 形成粘性末端 (cohesive end) 者较有利于载体 DNA 和目的基因的重组 3. 载体和目的基因的重组 ( 接 ): 即将带有切口的载体与所获得的目的基因连接起来, 得到 重新组合后的 DNA 分子 ⑴ 粘性末端连接法 : 载体与目的基因通过粘性末端进行互补粘合, 再加入 DNA 连接酶, 即可封闭其缺口, 得到重组体 ⑵ 人工接尾法 : 即同聚物加尾连接法 在末端核苷酸转移酶的催化下, 将脱氧核糖核苷酸添 加于载体或目的基因的 3'- 端, 如载体上添加一段 polyg, 则可在目的基因上添加一段 polyc, 通过碱基互补进行粘合后, 再由 DNA 连接酶连接 ⑶ 人工接头连接法 : 将人工连接器 ( 即一段含有多种限制酶切点的 DNA 片段 ) 连接到载体和目的基因上, 即有可能使用同一种限制酶对载体和目的基因进行切断, 得到可以互补的粘性 末端 4. 重组 DNA 的转化和扩增 ( 转 ): 将重组 DNA 导入宿主细胞进行增殖或表达 重组质粒可通 过转化方式导入宿主细胞,λ 噬菌体作为载体的重组体, 则需通过转染方式将重组噬菌体 DNA 导入大肠杆菌等宿主细胞 重组 DNA 导入宿主细胞后, 即可在适当的培养条件下进行培养以扩增宿主细胞 5. 重组 DNA 的筛选和鉴定 ( 筛 ): 对含有重组体的宿主细胞进行筛选并作鉴定 ⑴ 根据重组体的表型进行筛选 : 对于带有抗药基因的质粒重组体, 可采用插入灭活法进行筛 选

35 ⑵ 根据标志互补进行筛选 : 当宿主细胞存在某种基因及其表达产物的缺陷时, 可采用此方法 筛选重组体 即在载体 DNA 分子中插入相应的缺陷基因, 如宿主细胞重新获得缺陷基因的表 达产物, 则说明该细胞中带有重组体 ⑶ 根据 DNA 限制酶谱进行分析 : 经过粗筛后的含重组体的细菌, 还需进行限制酶谱分析进一 步鉴定 ⑷ 用核酸杂交法进行分析鉴定 : 采用与目的基因部分互补的 DNA 片段作为探针, 与含有重组 体的细菌菌落进行杂交, 以确定重组体中带目的基因 获得带目的基因的细菌后, 可将其不断进行增殖, 从而得到大量的目的基因片段用于分析研 究 如在目的基因的上游带有启动子顺序, 则目的基因还可转录表达合成蛋白质 第十六章细胞信息传递 一 细胞间信息物质 : 凡是由细胞分泌的 能够调节特定的靶细胞生理活动的化学物质都称为细胞间信息物质, 或 第一信使 1. 激素 : 激素 (hormone) 是由特殊分化细胞合成并分泌的一类生理活性物质, 这些物质通过体液进行转运, 作用于特定的靶细胞, 调节细胞的物质代谢或生理活动 ⑴ 激素的分类 : 激素可按照其化学本质的不同分为四类 1 类固醇衍生物 : 如肾上腺皮质激 素 性激素等 ;2 氨基酸衍生物 : 如甲状腺激素, 儿茶酚胺类激素 ;3 多肽及蛋白质 : 如胰 岛素 下丘脑激素 垂体激素等 ;4 脂肪酸衍生物 : 如前列腺素 ⑵ 激素的作用方式 :1 自分泌 : 激素分泌释放后仍作用于自身细胞, 其传递介质为胞液 ;2 旁分泌 : 激素分泌释放后作用于邻近的靶细胞, 其传递介质为细胞间液 3 内分泌 : 激素分 泌后作用较远的靶细胞, 其传递介质为血液 2. 细胞因子 : 细胞因子是指由细胞分泌的一类信息分子, 可作用于特定的靶细胞, 调节细 胞的生长, 分化等生理功能 细胞因子也可通过自分泌 旁分泌和内分泌三种方式作用于特 定的靶细胞 常见的细胞因子有 : 表皮生长因子 (EGF) 血小板衍生生长因子 (PDGF) 成纤维细胞生长 因子 (FGF) 神经生长因子 (NGF) 胰岛素样生长因子 (IGF) 等 3. 神经递质 : 由神经元突触前膜释放的信息物质, 可作用于突触后膜上的受体, 传递神经 冲动信号 二 细胞内信息物质 : 存在于细胞内, 能够传递特定调控信号的化学物质称为细胞内信息物质 1. 第二信使 : 在细胞内传递信息的小分子化学物质称为第二信使 1 环核苷酸类 : 如 camp 和 cgmp;2 脂类衍生物 : 如甘油二脂 (DAG), 1,4,5- 三磷酸肌醇 (IP3), 花生四烯酸等 3 无机物 : 如 Ca2+ NO 等 2. 信号蛋白 : 细胞膜上或细胞内能够传递特定信号的蛋白质分子, 常与其他蛋白质或酶构成复合体以传递信息 如 G 蛋白 连接蛋白 (SOS,GRB2) 鸟苷酸交换蛋白 (GEF) GTPase 激活蛋白 (GAP) 等 3. 信号酶 : 细胞内能够传递特定调控信号的酶蛋白分子 如胰岛素受体底物 -1/2(IRS1/2) MAPKKK(Raf-1) MAPKK(MEK-1/2) MAPK(ERK1/2) PKA PKB PKC PKG PAK PDK CaMPK 等 三 受体的分类 结构与功能 : 受体 (receptor) 是指存在于靶细胞膜上或细胞内的一类特殊蛋白质分子, 它们能识别特异 性的配体并与之结合, 产生各种生理效应 1. 根据受体的亚细胞定位分类 :

36 ⑴ 细胞膜受体 : 这类受体是细胞膜上的结构成分, 一般是糖蛋白 脂蛋白或糖脂蛋白 多肽 及蛋白质类激素 儿茶酚胺类激素 前列腺素以及细胞因子通过这类受体进行跨膜信号传递 ⑵ 细胞内受体 : 这类受体位于细胞液或细胞核内, 通常为单纯蛋白质 此型受体主要包括类 固醇激素受体, 维生素 D3 受体 (VDR) 以及甲状腺激素受体 (TR) 2. 根据受体的分子结构分类 : ⑴ 配体门控离子通道型受体 : 此型受体本身就是位于细胞膜上的离子通道 其共同结构特点 是由均一性的或非均一性的亚基构成一寡聚体, 而每个亚基则含有 4~6 个跨膜区 此型受体 包括烟碱样乙酰胆碱受体 (N-AchR) A 型 γ- 氨基丁酸受体 (GABAAR) 谷氨酸受体等 ⑵G 蛋白偶联型受体 : 此型受体通常由单一的多肽链或均一的亚基组成, 其肽链可分为细胞 外区 跨膜区 细胞内区三个区 在第五及第六跨膜 α 螺旋结构之间的细胞内环部分 ( 第三内环区 ), 是与 G 蛋白偶联的区域 大多数常见的神经递质受体和激素受体是属于 G 蛋白偶 联型受体 G 蛋白是由 α β γ 亚基组成的三聚体, 存在于细胞膜上, 其 α 亚基具有 GTPase 活性 当配体与受体结合后, 受体的构象发生变化, 与 α 亚基的 C- 端相互作用, G 蛋白被激活, 此时,α 亚基与 β γ 亚基分离, 可分别与效应蛋白 ( 酶 ) 发生作用 此后,α 亚基的 GTPase 将 GTP 水解为 GDP,α 亚基重新与 β γ 亚基结合而失活 ⑶ 单跨膜 α 螺旋型受体 : 此型受体只有一段 α 螺旋跨膜, 受体本身具有酪氨酸蛋白激酶活性 ; 或当受体与配体结合后, 再与具有酪氨酸蛋白激酶活性的酶分子相结合, 进一步催化效应酶 或蛋白质的酪氨酸残基磷酸化, 也可以发生自身蛋白酪氨酸残基的磷酸化, 由此产生生理效 应 此型受体主要有表皮生长因子受体 (EGFR), 胰岛素受体 (IR), 血小板衍生生长因子受体 (PDGFR) 等 此型受体的主要功能与细胞生长及有丝分裂的调控有关 ⑷ 转录调控型受体 : 此型受体分布于细胞浆或细胞核内, 其配体通常具有亲脂性 结合配体 的受体被活化后, 进入细胞核作用于染色体, 调控基因的开放或关闭 受体的分子结构有共 同特征性结构域, 即分为高度可变区 -DNA 结合区及绞链区 - 激素结合区 1 高度可变区 : 不同激素的受体此区的一级结构变化较大, 其功能主要是与调节基因转录表达有关 2DNA 结 合区及绞链区 : 此区的功能是与受体被活化后向细胞核内转移 ( 核转位 ) 并与特异的 DNA 顺序结合有关 3 激素结合区 : 一般情况下, 此区与一种称为热休克蛋白 90(hsp90) 的蛋 白质结合在一起而使受体处于失活状态 四 受体与配体的结合特点 : 1. 高度的亲和力 : 配体与其受体的结合具有高度亲和力, 多数配体与受体的解离常数为 10-11~10-9mol/L 2. 高度的特异性 : 指一种激素或细胞因子只能选择性与相应的受体结合的性质 3. 可逆性 : 配体与受体通常通过非共价键而结合 4. 可饱和性 : 由于存在于细胞膜上或细胞内的受体数目是一定的, 因此配体与受体的结合也是可以饱和的 5. 结合量与效应成正比 : 配体的浓度越大, 配体与受体的亲和力越大, 受体的数目越多, 则配体与受体的结合量越大, 产生的生理效应也越大 五 细胞信息传递途径 : 1.cAMP- 蛋白激酶 A 途径 : 通过这一途径传递信号的第一信使主要有儿茶酚胺类激素 胰高血糖素 腺垂体的激素 下 丘脑激素等 其受体属于 G 蛋白偶联型膜受体,G 蛋白有激活型的 Gs 和抑制型的 Gi 两种 腺苷酸环化酶 (AC) 存在于细胞膜上, 可接受 G 蛋白的信号而被激活, 催化 ATP 转化为 camp,

37 导致细胞内 camp 浓度升高, 从而激活蛋白激酶 A(PKA) PKA 是一种四聚体, 两个亚基为催 化亚基, 两个亚基为调节亚基 当调节亚基与 camp 结合后发生变构 ( 每一调节亚基可结合 两分子 camp), 与催化亚基解聚, 从而使催化亚基激活 PKA 可促使多种酶或蛋白质丝氨酸 或苏氨酸残基的磷酸化, 改变酶的催化活性或蛋白质的生理功能 2.IP3,Ca2+-CaM 激酶途径 : 通过此途径传递信号的第一信使主要有 :1 激素 : 儿茶酚胺 血管紧张素 Ⅱ 等 2 生长因子 : PDGF EGF 等 3 神经递质 : 乙酰胆碱 5- 羟色胺等 其受体可为 G 蛋白偶联型, 也可为酪 氨酸蛋白激酶型 G 蛋白为 Gp 型 通过 Gp 蛋白介导, 存在于细胞膜上的 PLCβ 可被激活 ; 而 PLCγ 则是在受体的酪氨酸蛋白激酶催化下, 其酪氨酸残基被磷酸化修饰而激活 PLC 激 活后, 可催化膜上的磷脂酰肌醇 -4,5- 双磷酸 (PIP2) 水解成为二脂酰甘油 (DAG) 及 1,4,,5- 三磷酸肌醇 (IP3) 当 IP3 与存在于内质网膜上的 IP3 受体结合后, 钙通道开放, 贮存于内 质网中的 Ca2+ 释放进入胞液, 引起胞液中 Ca2+ 浓度升高 胞液中的钙调蛋白 (CaM) 与 Ca2+ 结合发生变构, 从而激活依赖 Ca2+/CaM 的蛋白激酶 (CaM 激酶 ), 催化数十种酶或蛋白质的 磷酸化修饰, 产生相应的调节作用 3.DAG- 蛋白激酶 C 途径 : 此途径的第一信使与 IP3,Ca2+-CaM 激酶途径相似, 也通过 Gp 型和另一种 G 蛋白介导信息, 激活磷脂酶 C(PLC) 和磷脂酶 D(PLD) PLD 是存在于细胞膜上的另一种磷脂酶, 在 Ca2+ 的存在下, 可将磷脂酰胆碱水解成为磷脂酸 (PA),PA 可进一步在磷脂酸磷酸水解酶 (PAP) 的催化下水解生成 DAG, 是 DAG 的另一生成途径 胞液中 DAG 浓度升高, 可致蛋白激酶 C 激 活 该酶可催化底物蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化 经典的蛋白激酶 C 需在 Ca2+, DAG 和磷脂酰丝氨酸的存在下才能被激活 4.Ras-MAPK 途径 : 已知胰岛素和大部分的生长因子经此途径传递信号 主要过程为 :EGF + EGFR SHC 磷酸 化 形成 SHC-SOS-GRB2-Ras 复合体 Ras 激活 Raf-1 激酶 MEK1/2 ERK1/2 细胞生长与调亡 5. 胞内受体介导途径 : 通过细胞内受体传递信号的第一信使有 :1 类固醇激素 ;21,25-(OH)2D3;3 甲状腺激素 当激素与受体结合后, 引起 hsp90 与受体解离, 受体被活化 ; 活化受体核转移并与 HRE 结合 ; 特异基因去阻遏且 RNA 聚合酶活性增高, 特异基因表达及特异蛋白质合成, 产生特定的生理 效应 第二十一章癌基因和抑癌基因 一 癌基因的概念及分类 : 癌基因 (oncogene) 是指存在于正常细胞内, 与细胞生长发育调控有关的一组结构基因 癌 基因可按其来源不同而分为病毒癌基因 (v-onc) 和细胞癌基因 (c-onc) 1. 病毒癌基因 : 具有致癌性的肿瘤病毒有两种类型 : 一种是 DNA 肿瘤病毒, 另一种是 RNA 病毒即逆转录病毒 DNA 肿瘤病毒的基因组的早期功能基因编码转化蛋白, 如病毒 SV40 的 A 基因编码大 T 抗原, 分布于胞核, 可与 p53 结合而使之失活 RNA 病毒基因组中可含有致癌基因, 并表达相应的 转化蛋白, 感染动物后即可诱发肿瘤 2. 细胞癌基因 : 细胞癌基因 (c-onc) 又称为原癌基因 (protooncogene), 大多数的原癌基因属于调控细胞生长 分化的正常基因, 原癌基因的蛋白产物是通过影响细胞生长分化中的控制系统而起作用的 原癌基因激活后可引起细胞生长分化失控, 从而导致细胞癌变 目前发现的细胞癌基因已超 过 100 种, 根据这些基因表达蛋白产物的功能可将细胞癌基因分为四大类 :

38 ⑴ 生长因子类 : 如 c-sis 癌基因, 其编码产物为 PDGF 的 β 链 ⑵G 蛋白类 : 如 ras 家族, 其编码产物为存在于细胞膜上的 G 蛋白, 能传递生长信号 ⑶ 受体及信号蛋白类 : 如 src 家族, 其编码产物为细胞内的生长信号传递蛋白, 通常含酪氨 酸蛋白激酶活性 ⑷ 转录因子类 : 如 myc 家族和 myb 家族, 其编码产物为存在于细胞核内的转录因子 二 癌基因的激活机制 : 1. 插入激活 : 指来源于病毒等的启动子或增强子插入到细胞癌基因的附近或内部而使其开 放转录 2. 基因重排 : 基因从正常位置转移到另一位置, 常常是插入一启动子后而使其转录活性增 加 3. 基因扩增 : 基因数量的增加 4. 突变点 :ras 癌基因的点突变, 导致其 GTPase 活性下降, 从而使其保持激活状态 三 抑癌基因及其作用机制 : 抑癌基因又称为抗癌基因 (anti-oncogene), 是指存在于正常细胞中, 其编码产物能抑制细 胞生长增殖的一组结构基因 常见的抑癌基因有 Rb 基因,p53 基因,p16 基因等 其中,Rb 基因编码 p105rb 转录因子,p53 基因编码 p53 转录因子,p16 基因编码一种 p16 蛋白 1.Rb 基因的作用机制 : Rb 基因的失活主要与视网膜母细胞瘤的发生相关 低磷酸化型的 p105rb 可与促进细胞分裂 的转录因子 E2F 结合形成复合物, 从而阻止 E2F 对某些与细胞增殖相关的基因启动转录 高 磷酸化型的 p105rb 则可促使其与 E2F 转录因子分离, 从而使其呈现活性, 细胞即由 G1 期进入 S 期 2.p53 基因的作用机制 : p53 蛋白一般都位于核内, 可与特异的 DNA 片段结合 其酸性区域具有许多转录调节因子的 共同特征, 并与寡聚体的形成有关 p53 蛋白能以四聚体的形式与 DNA 结合, 调节其它基因 的表达 p53 蛋白的生物学功能有 :1 转录调节及抑制细胞生长的作用 :p53 蛋白促进 WAF1/CIP1 基因表达产生一种分子量为 21kD 的蛋白质 (p21waf1/cip1), 诱导细胞生长停滞 于 G1 期 2 参与程序性细胞凋亡 :p53 蛋白启动不能修复的损伤细胞进入程序性凋亡 3 抑制 DNA 复制 :p53 蛋白与复制蛋白 A(repA) 结合后可抑制其与单链 DNA 的结合, 阻止细胞 进入 S 期 第二十三章分子生物学常用技术 一 分子杂交与印渍技术的原理 : 1. 分子杂交 : 不同来源的单链核酸 (DNA 或 RNA), 只要它们具有大致相同的碱基序列, 经过退火处理, 就 能重新形成杂种双螺旋, 这一现象称为分子杂交 (molecular hybridization) 利用这一原理, 就可以使用已知序列的单链核酸片段作为探针, 去查找各种不同来源的基因组 DNA 分子 中的同源基因或同源序列 2. 印渍技术 : 印渍技术的原理首先由 Edwen Southern 在 1975 年提出 其基本操作过程是 : 将 DNA 片段在 琼脂糖凝胶中电泳分离后, 置 NaOH 液中浸泡, 从而将凝胶中的 DNA 变性为单链 ; 然后将一张硝酸纤维素膜铺在凝胶上, 上面放上大量吸水纸巾, 利用吸水纸巾的毛细作用, 将单链 DNA 从凝胶中转移到硝酸纤维素膜上, 再将膜置 80 烘干并使单链 DNA 分子固定在膜上, 再 用于分子杂交分析 因此, 用于 DNA 印渍的技术又称为 Southern Blotting 或 Southern 杂 交

39 3. 探针技术 : 将已知序列的核酸片段用放射性同位素 生物素或荧光染料进行标记, 然后用于分子杂交, 杂交后通过放射自显影 荧光检测或显色技术, 使杂交区带显现出来 二 印渍技术的类别及应用 : 1.DNA 印渍技术 : 又称为 Southern 杂交, 即 DNA-DNA 杂交分析 2.RNA 印渍技术 : 又称为 Northern 杂交, 即 RNA-DNA 杂交分析 3. 蛋白质印渍技术 : 又称为 Western 杂交, 或免疫印渍技术, 即利用抗原 - 抗体反应, 检测 转移到硝酸纤维素膜上的特异性蛋白质 三 PCR 技术 : 1.PCR 的概念 :PCR(polymerase chain reaction) 即聚合酶链反应技术, 是指利用耐热 DNA 聚合酶的反复作用, 通过变性 - 延伸 - 复性的循环操作, 在体外迅速将 DNA 模板扩增数百万倍 的一种操作技术 2.PCR 反应系统的组成 : ⑴ 耐热 DNA 聚合酶 (Taq 酶 ): 这是由耐热水生细菌体内提取的一种 DNA 聚合酶 ⑵ 模板 DNA: 即待分析的目的 DNA, 其长度不宜大于 10kb ⑶ 两种引物 : 为了保证 DNA 聚合酶能够对两条互补链均能进行延伸, 需要两种引物, 分别位 于两条互补模板 DNA 链的 3`- 端 ⑷ 四种脱氧核糖核苷酸 : 用作底物的 dntps ⑸ 缓冲溶液 : 保证 DNA 聚合酶催化时所需的适当的溶液 ph 值 3.PCR 的反应原理 : 一般采用变性 - 复性 - 延伸三步循环, 也可采用变性 - 延伸两步循环 ⑴ 变性 : 将模板 DNA 或延伸后的双链 DNA 加热到 950C, 使双螺旋 DNA 解开成为单链 ⑵ 复性 : 通过降低反应温度至 550C, 使两种引物能与两条解开的 DNA 互补链的 3` 端粘合 ⑶ 延伸 : 将反应温度提高到约 700C, 在耐热 DNA 聚合酶的催化下, 合成两条互补链, 从而使 模板 DNA 扩增一倍 按照上述步骤重复操作约 30 次, 即可将模板 DNA 扩增数百万倍 4.PCR 的主要用途 : ⑴ 目的基因的克隆 : 是迅速获得一定量的目的基因的有效方法之一 1 利用特异性引物以 cdna 或基因组 DNA 为模板, 获得已知的目的基因 ;2 利用简并引物从 cdna 文库或基因组 文库中获得具有同源性的 DNA 片段 ;3 利用随机引物从 cdna 文库或基因组文库中随机获得 目的基因 ⑵ 基因的体外突变 : 采用随意设计的引物, 在体外对基因进行嵌合 缺失 点突变等改造 ⑶DNA 的微量分析 : 由于 PCR 技术具有高度敏感性, 故可用于微量 DNA 的分析检测 四 DNA 碱基序列测定 : DNA 碱基序列测定即 DNA 一级结构的测定, 目前常用的方法为 Maxam-Gilbert 建立的化学裂 解法和 Sanger 建立的双脱氧末端终止法 双脱氧末端终止法的主要操作步骤有 : 1. 获得待测 DNA 片段的单链模板 : 一般采用基因工程的方法以获取一定数量的单链待测 DNA 模板 可将待测 DNA 片段与噬菌体 M13DNA 进行重组, 然后将其导入大肠杆菌进行增殖,M13 噬菌体一般以单链 DNA 形式透出细胞再感染新的细菌, 故此可获得单链 DNA 模板 2. 合成寡核苷酸引物 : 利用 DNA 合成仪合成一段与待测 DNA 片段的 3'- 端互补的寡核苷酸引 物 3. 模板 - 引物杂交 : 将待测单链 DNA 模板与寡核苷酸引物混合, 并进行保温处理, 使引物与 DNA 单链模板的 3'- 端进行杂交 4. 互补链的延长和终止 : 将上述杂交混合液分为四份, 每份混合液中均加入 DNA 聚合酶, 四种 dntps, 一种带放射性同位素标记的脱氧核糖核酸 ( 如 α-32p-datp) 此外还需分别加 入一种双脱氧核糖核酸 (ddatp,ddgtp,ddctp 或 ddttp) 然后在适当温度条件下延伸互补

40 链, 就可得到四组分别以 A G C T 终止的长短不一的互补链的混合物 5. 电泳分离 : 将四组含有长短不等的反应混合物在同一聚丙烯酰胺凝胶板上进行电泳, 即 可将只相差一个核苷酸的寡核苷酸链分离开 6. 放射自显影 : 将电泳凝胶进行放射自显影, 即可得到放射自显图谱, 通过该图谱即可直 接读出核苷酸的排列顺序 DNA 的复制 修复和重组 第一节 DNA 的复制 (DNA Replication) 一 DNA 复制的基本特性 1. 半保留性 (Semi-Conservative) Meselson-Stahl 实验 2. 双向复 3. 制 ( 一般 ) 复制起始点 (origin)+ 两侧复制叉 = 复制单位 ( 复制子, Replicon) 3. 半不连续性 (Semi-discontinuous) 前导链 (leading strand)- 连续合成 随从链 (Lagging Strand)- 不连续, 由岗崎片段 (okazaki fragment) 连接而成. 二 DNA 复制必需的成份 ( 真核生物 ) 1. 染色体 DNA 复制必需三种核苷酸序列 1 复制起点 2 着丝粒 3 端粒. 2. RNA 引物 (RNA Primer) 一般 8-14nt. 带游离 3'-OH 末端. 3. 参加 DNA 复制的主要酶和蛋白质 1 DNA 聚合酶 (DNA Polymerase) 真核 DNA 复制的主要酶 DNA Pol a/δ. 功能 : 从 5'-3' 方向延伸与模板互补的子代链. 2 引发酶 (Primase) 与其他多种蛋白组成多蛋白复合体 - 引发体 (Primosome). 催化 RNA 引物合成和复制起始. 3DNA 连接酶 (DNA Ligase) 催化一个双链 DNA 的 5' 磷酸与另一双链 DNA 的 3'-OH 形成磷酸二酯键. 4DNA 解链酶 (DNA Helicase), 打开 DNA 双链. 5 增殖细胞核抗原 (Proliferating cell nuclear antigen.pcna) 辅助催化前导链合成. 6 端粒酶 (Telomerase) 末端复制问题 端粒酶负责染色体末端 ( 端粒 ) 复制, 是由 RNA 和蛋白质组成的核糖核蛋白. 其中的 RNA 成分是 端粒复制的模板.( 因此端粒是逆转录酶 ) 作用 : 维持端粒长度. 端粒酶活性可用基于 PCR 的 TRAP ( Telomerase repeat amplification protocol) 法测 定 (Kim,N et al.,science,266, (1994) 端粒与细胞寿命 端粒 端粒酶与肿瘤的关系 : 绝大多数恶性肿瘤具有端粒酶活性但端粒缩短, 但也有约 5% 的肿瘤无端粒酶活性且端粒较长 端粒酶作为新的肿瘤标志和肿瘤治疗靶点. 第 2 节 DNA 修复第 3 节 (DNA repair) DNA 修复是维持基因组完整性的重要机制, 在保护基因组避免发生可能导致肿瘤或遗传疾病