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上海交大生化课件浓缩打印版 2


这是第二部分

氧化磷酸化
在线粒体进行氧化磷酸化,是需氧生物 ATP 的主要来源。一个葡萄糖分子彻底氧化成 CO2 和 H2O 生成 30ATP,其中 26ATP 是氧化磷酸化产生的。

氧化磷酸化用质子梯度将碳原料氧化反应与 ATP 合成反应偶联 ···NADH 和 FADH2 高能分子···跨线粒体内膜的质子浓度梯度 整个氧化磷酸化称为 细胞呼吸 或简称呼吸。在氧化磷酸化过程中,高能电子驱动力转化 成质子驱动力(呼吸链中),随后转化成高能磷酸基团。呼吸链有三个电子驱动的质子泵: NADH-Q 氧化还原酶,Q-细胞色素 c 氧化还原酶,细胞色素 c 氧化酶。氧化磷酸化最后阶 段由 ATP 合成酶负责。
呼吸:以无机物(如氧气分子)最为电子最终受体合成 ATP 的过程。电子供体可以是有机物,也可以是无机物。

18.1 真核生物的氧化磷酸化在线粒体进行 线粒体为双膜围绕 线粒体有两个组分:(1)内膜和外膜间的膜间区;(2)内膜包裹的基质。 柠檬酸循环和脂肪酸氧化—线粒体基质。氧化磷酸化—线粒体内膜上(电子驱动的质子泵 和 ATP 形成复合物)。 线粒体内膜的内面是线粒体基质,外面是细胞质(因为细胞质大多数小分子能够自由通过 线粒体外膜)。内膜内外侧也被分别称为 N 侧和 P 侧(因为内侧电势负,外侧电势正)。 线粒体是胞内共生的结果 线粒体宿主细胞内共生的半自主细胞器。 线粒体有两层膜、基因组环状(有例外)、有特异的转录和翻译机制—支持内吞共生假设。
注意原核生物被较大细胞暂时性内吞在微生物世界是非常稀有的事件。 18.3 呼吸链有四种组分:三个质子泵和一个柠檬酸循环关联 与呼吸链其他组分不同,琥珀酸-Q 还原酶不泵出质子。 NADH-Q 氧化还原酶、琥珀酸Q 还原酶、Q-细胞色素 c 氧化还原酶、细胞色素 c 氧化酶分别称为复合物 I、II、III、IV。 复合物 I、Ⅲ和 IV 相互结合形成超分子复合物,称之为 呼吸体 。超分子复合物有助于底物 的快速运输、组织中间体释放。 注意:随着电子向后传递,呼吸链组分的电子亲和性逐步增加。 醌在电子转移反应中与质子的结合和释放偶联。而质子的结合和释放是跨膜质子运输的关 键。 电势能高的 NADH 在 NADH-Q 氧化还原酶处进入呼吸链 NADH-Q 氧化还原酶 (即复合物 I 或 NADH 脱氢酶)处进入呼吸链。如同呼吸链的其他 两种复合物,其质子泵一部分由线粒体基因编码,一部分由细胞核基因编码。 NADH 高能电子释放转给 FMN 辅基(异咯嗪环),转化成还原型 FMNH2;后再转给 FeS 簇。Fe-S 簇是 NADH-Q 氧化还原酶复合体的第二类辅基。铁-硫蛋白(即非血红素铁蛋 白)的 Fe-S 簇在生物体内不同的还原反应中起关键作用。与醌和核黄素辅基不同,Fe-S 簇 进行氧化还原反应时不需要结合或释放质子。

NADH-Q 氧化还原酶催化的电子-质子转 移偶联反应。在复合物 I 的电子流动,从 NADH 经 FMN 和一系列 Fe-S 簇流向泛醌 Q。电子流动的结果导致基质的 4 个质子被 泵出,2 个质子被 Q 结合。 复合体催化还原反应都在它的膜外区域进 行。NADH 明显地与这个复合体的膜外区 域的一个位点结合。

泛醌醇是黄素蛋白 FADH2 电子进入呼吸链的入口 柠檬酸循环的琥珀酸脱氢酶— 琥珀酸-Q 还原酶复合物 (复合物 II)的一部分。线粒体内 膜镶嵌蛋白。FADH2 不离开酶,直接将电子转移给 Fe-S 中心,后转给 Q,进入电子传递 链。不能泵出质子。结果,FADH2 氧化形成的 ATP 量较 NADH 的少。 甘油磷酸脱氢酶和脂肪酰-CoA 脱氢酶,类似之形成 QH2。酶分别氧化甘油和脂肪,提供 电子进行氧化磷酸化,不能泵出质子。 电子从 QH2 传递到细胞色素 c 经过 Q-细胞色素 c 氧化还原酶 呼吸链的第二个质子泵是 Q-细胞色素 c 氧化还原酶 (也称复合物 II)。功能:催化电子从 QH2 转移给氧化态的水溶性蛋白细胞色素 c,同时泵出质子。传递 1 对电子可产生 2 个质 子的净泵出,相当于复合物Ⅰ的一半,原因在于 QH2-细胞色素 c 的电势能较低。 含有两类细胞色素,分别是 b 和 c1。细胞色素是电子传递蛋白,含有血红素辅基。在电 子传递过程中,细胞色素的铁离子能够改变氧化状态(Fe2+和 Fe3+)。细胞色素 b, c1 和 c 的血红素辅基是铁-原卜啉 IX,与血红蛋白和肌红蛋白的血红素辅基相同。由于它们所处 的多肽环境不同,同一辅基对电子的亲和性不同。 酶还含有 1 个 2Fe-2S 中心。该中心被称为 Riske 中心。特别之处:其中两个半胱氨酸残 基被两个组氨酸残基替代。因此 Fe 的配位键有两个组氨酸残基。这种配位模式稳定其还原 态,提升其还原势能使之易于接受 QH2 的电子。 Q 循环将双电子载体的电子汇聚给单电子载体、同时泵出质子 电子从 Q 转移给细胞色素 c 与质子跨膜运输偶联的机理称之为 Q 循环 。 两个 QH2 分子连续地结合该复合物,每个分子丢失两个电子和两个质子。一轮 Q 循环, 两个 QH2 分子被氧化,形成两分子 Q,还有一分子 Q 转化成 QH2。为什么要如此复杂?这 样能够将双电子载体(QH2)的电子传递给单电子载体(细胞色素 c)。还原酶的细胞色素 b 组 分本质上是一种循环装置,这种装置使 QH2 的两个电子被有效利用。

移给细胞色素 c,另一个电子被转移给氧化 型泛醌、形成半醌自由基阴离子(Q·-)。 这个半醌自由基阴离子加入线粒体膜的 Q 库。在循环的另一半,第二个 QH2 也释 放电子。一个电子给细胞色素 c,另一个电 子给半醌自由基阴离子,后者接着摄取基 质的两个质子形成一分子 QH2。电子转移 图 18.12 Q 循环。在循环的前半部分, QH2 结合的两个电子被转移,一个电子转 的路径用红色标出。

细胞色素 c 氧化酶催化,将氧气转化成水 呼吸链最后的一个质子泵是 细胞色素 c 氧化酶 (复合物 IV)。催化还原型细胞色素 c 的 电子转移给氧气分子(呼吸链的最终电子受体)。同时泵出 4 个质子。(实质为 8-4=4 个) 酶有两个血红素 A 分子:血红素 a 和血红素 a3。血红素 A 与细胞色素 c 和 c1 的血红素差 异有三处:···(3)血红素与蛋白质不是共价连接。 4 个细胞色素 c 与细胞色素 c 氧化酶结合,转移电子来还原一分子氧气,形成 2 分子水 线粒体基质面摄取 4 个质子将 1 分子氧气还原成 2 分子水。由于这些质子参 与化学反应,因此称这些质子为“ 化学质子 ”。基质的另外 4 个质子被细胞 色素 c 氧化酶泵至细胞质。被泵出的质子使呼吸链最后一步质子梯度储能效 应加倍。 保护性酶清除有毒性的氧分子衍生物(如超氧自由基) 细胞色素 c 氧化酶和其他还原氧气的蛋白质能够成功地降低有毒氧类物质的释放,但是少 量的超氧阴离子和过氧化氢却是无法避免的。能够形成超氧化合物,过氧化氢的活性氧 (如 OH·)统称为 活性氧 (ROS)。 细胞有抵抗 ROS 所致氧化损伤的防御机制—超氧化物歧化酶。催化两个活性自由基转化 成过氧化氢和 O2。真核生物有 2 类 过氧化物歧化酶(SOD) 。一类线粒体内,含 Mn2+; 另一 类细胞质,Zn2+依赖型。机制相似 L:过氧化物将这些酶还原,形成氧气;形成的还原酶与第 二个超氧离子反应,形成过氧化物。如果反应过程中摄取两个质子,就形成过氧化氢; 它被 过氧化氢酶清除。过氧化氢酶是普遍存在的血红素蛋白,催化过氧化氢歧化生成水和氧气。 谷胱甘肽过氧化物酶在清除 H2O2 方面也起关键作用。防疫氧化的其它细胞机制包括包括 抗氧化的维生素 E 和 C。维生素 E 是脂溶性化合物,防膜脂氧化。 运动的长期效益 之一可能增加细胞过氧化物歧化酶的含量。在运动过程中,细胞有氧 代谢水平提升,产生更多 ROS。因此细胞应答则要提供更多抗 ROS 的酶。因此,休息状 态时超氧化物歧化酶很多就更能有效地保护细胞,避免被氧化。 18.4 质子梯度驱动 ATP 合成 线粒体内膜酶复合物线粒体 ATPase 或 F1F0ATPase,因为这个酶能够催化 ATP 合成的逆 反应,即 ATP 水解,可称 ATP 合成酶 。这个酶复合物也被称为复合物 V。 1961 年,Peter Mitchell 提出了一个完全不同的机制: 化学渗透假设 —电子传递和 ATP 合 成经质子梯度偶联,即质子梯度将氧化和磷酸化偶联。 质子不均匀分布产生的能量成为 质子驱动力。质子驱动力=化学梯度+电荷梯度。化学梯度就是 pH 梯度,电荷梯度是质子 (正电荷)的不均匀分布所致。Mitchell 认为这两种梯度的力量驱使 ATP 合成。 验证假设 构建一个人工系统。细菌视紫质蛋白起呼吸链的作用(即将质子泵入膜内)。

在光照射的情况下,这个紫色膜蛋白能够泵质子。合成的人工囊泡膜上有视紫质蛋白和线 粒体 ATP 合成酶。光照则形成 ATP。这个关键试验明确指出,呼吸链和 ATP 合成在生化 上是两个分离的系统,它们之间用质子驱动力偶联。 ATP 合成酶有一个质子驱动单元和一个 ATP 合成单元 F1 单位有合成酶的催化活性。实际上,与 F0 分离的 F1 单位有 ATPase 活性。 F0 单位跨过线粒体内膜的疏水区,含质子通道。 同位素交换试验—没有质子驱动,ATP 也能形成,但是与酶蛋白结合。在 H218O 存在下, 经过 ATP 合成和水解使 18O 整合到磷酸分子中。18O 整合的速率约等于 ADP 和 ATP 与催 化活性位点结合平衡的量(即使没有质子梯度存在)。但是,没有质子流过这个酶,则 ATP 不离开催化活性中心。因此,质子的功能不是形成 ATP,而是将 ATP 从酶分子释放。 Paul Boyer 提出 结合-交换机制 使质子驱动 ATP 合成。??亚基改变构象,连续执行 ATP 合 成的三个步骤:(1)ADP 与 Pi 与酶的结合;(2)ATP 合成;(3)ATP 释放。 细粒体 ATP 合成酶是世界上最小的分子马达 旋转催化机制有无直接证据?采用直含有?????亚基(克隆表达的产物)构建的实验系统 证实旋转。 质子跨膜路径:质子从细胞质侧半通道进入,随后 c 环旋转,从另一半通道排入线粒体基质。

ATP 合成酶和 G 蛋白有一些共同的特征 ATP 合成酶?和?亚基是 P?loop NTPase 家族蛋白。在第 14 章,我们学习了这个家族成员 (G 蛋白)在信号传导途径的性质,即这种蛋白质的活性与它所结合的核苷三磷酸还是核 苷二磷酸密切相关。它们不交换核苷酸,除非它们与其他蛋白质相互作用促进核苷酸交换。 ATP 合成酶的结合-改变模型也是这种模式,只是进行了一些改变。??亚基的 P-loop 区域 要么结合 ATP(或释放 ATP),要么结合 ADP,具体其什么作用取决于??亚基的哪一面与 它相作用。??亚基旋转驱动??亚基构型依次转换。 18.5 很多穿梭体允许物质跨线粒体内膜运输 线粒体内膜对大多数物质必须是不可透过的。交换由内膜的跨膜运输器介导完成。 穿梭体将细胞质 NADH 运入线粒体 呼吸链的功能之一是再生 NAD+,以满足糖酵解的需求。NADH 和 NAD+都不能透过线粒 体内膜。解决:将 NADH 的电子运过线粒体膜。 1 甘油 3-磷酸穿梭。NADH 的电子将二羟基丙酮磷酸还原成甘油 3-磷酸,进入线粒体内。 甘油 3-磷酸被重新氧化,将电子转移给膜结合的甘油 3-磷酸脱氢酶的 FAD 辅基。随后 电子转移给 Q 形成 QH2,此时电子进入呼吸链。 本途径 NADH 只能形成 1.5 分子 ATP(而不是 2.5)。使用 FAD 作为电子受体,使细胞 质 NADH 能够逆浓度梯度地将电子传递给线粒体(因为线粒体 NADH 浓度高,电子数量 比细胞质多)。代价是每传递两个电子就损失一分子 ATP。在肌肉尤为显著,使肌肉能够 进行高水平氧化磷酸化。实际上,有些昆虫缺乏乳酸脱氢酶,完全依靠甘油 3-磷酸穿梭 再生细胞质 NAD+。 2 苹果酸-天冬氨酸穿梭 系统心脏和肝脏组织。参与这个转运系统的有两个膜载体和 4 个酶。

ATP-ADP 转位酶将 ADP 进入线粒体与 ATP 排出线粒体偶联 一种反向运输器。它只有一个核苷酸结合位点,所面向的面在细胞质和线粒体基质发生转 换。ATP 和 ADP 与转位酶结合不需要 Mg2+ 。ATP 比 ADP 多一个负电荷,因此呼吸线粒

体的膜电势是正值,有助于线粒体派出 ATP,引入 ADP。ATP-ADP 交换耗能,呼吸链约 1/4 的能量用于膜电势再生,而膜电势是启动交换所需。抑制核苷酸交换则抑制细胞呼吸。 ???类似:Na+,K+—泵机制???? 用于转运代谢物的线粒体运输器的常有三元结构(tripartite structure) 运输离子和带电代谢物的很多运输器。磷酸载体与 ATP-ADP 转位酶协同作用,进行 H2PO4-和 OH-的电中性交换。两个运输器联合作用,将细胞质 ADP 和磷酸与基质 ATP 交换,花费一个 H+(因为从基质运出一个 OH-)。给 ATP 合成酶提供底物的这两种 运输器与 ATP 合成酶结合,形成一个大复合体,称之为 ATP 合成体。 线粒体内膜还有其他同源载体。二羧基载体能够进行线粒体基质的苹果酸、琥珀酸、延胡 索酸与细胞质的磷酸进行交换。三羧酸载体进行柠檬酸和 H+与苹果酸交换。线粒体丙酮酸 载体执行细胞质丙酮酸和线粒体 OH-交换。总共有 40 多种载体是人基因组编码的。 18.6 细胞呼吸主要受 ATP 需求控制 细胞呼吸的种产物是 ATP。ATP 需求是呼吸途径及其组分最后的决定因素。 彻底氧化葡萄糖约产生 30 分子 ATP 传统的数据是 36 个 ATP 分子。大多数 ATP 由氧化磷 酸化提供,约 26 ~ 30 个。厌氧代谢只产生 2 分子 ATP。体育锻炼的人,其肌肉的线粒体 数量和血管(供氧)数量增加,因此能够提升氧化磷酸化提供 ATP 的水平。这个事实显示 细胞呼吸的效率。 氧化磷酸化速率取决于 ATP 的需求 多数生理条件下,电子运输与磷酸化紧密偶联。除非同时将 ADP 转化成 ATP,否则电子 不会经过呼吸链传递给 O2。当 ADP 浓度升高(如活跃运动的肌肉),氧化磷酸化速率增 加以满足肌肉的 ATP 需求。ADP 水平控制氧化磷酸化速率的现象称为 呼吸控制 或受体控 制。当 ADP 增加,线粒体消耗氧气的速率增加;当 ADP 转化成 ATP 后,线粒体消耗氧气 的速率恢复到初始水平。 ADP 的水平也影响柠檬酸循环速率。ADP 水平低(如休息状态的肌肉),呼吸链没 有消耗 NADH 和 FADH2。由于参与反应的 NAD+和 FAD 量少,柠檬酸循环慢。反之循环 快。除非需要合成 ATP,否则不能将燃料分子的电子传递给 O2。此处又是一个利用 能荷 进 行调节的实例。 能荷调节燃料的利用。ADP 和 Pi 合成 ATP 的过程控制电子自 NADH 和 FADH2 向 O2 的流动。而可用的 NAD+和 FAD 数量能控制柠檬酸循环的效 率。 解除偶联产生热量 解除呼吸与磷酸化的偶联—冬眠动物维持体温。在动物,棕色脂肪是 nonshivering thermogenesis 进行这一过程的特异化组织。线粒体处有很多棕色脂肪组织,常常成为棕色 脂肪线粒体。这些线粒体内膜有大量的 解偶联蛋白(UCP-1) ,与 ATP-ADP 转位酶相似。 UCP-1 构成细胞质质子向线粒体基质内流的途径。本质上 UCP-1 通过线粒体质子电池短路 产生热量。通常为 ATP 捕获的质子梯度能量,在 UCP-1 接到的质子向线粒体内流的过程 中以热量的形式释放。如果机体核心区域的体温降低,就激活这种解偶联途径。温度降低 的应答是释放相应的激素,后者动员脂肪水解释放脂肪酸,进而激活 thermogenin。 还鉴定出另外两个解偶联蛋白。很多组织有 UCP-2。骨骼肌和棕色脂肪组织有 UCP-3。 解偶联家族蛋白,尤其是 UCP-2 和-3 可能参与体内热量稳定。实际上,UCP-2 和 UCP3 的基因就处于人和鼠的肥胖基因区域,说明此基因是调节体重的关键基因。 很多阶段能抑制氧化磷酸化 很多致命性强的毒物能够抑制氧化磷酸化的一个或几个位置。 1. 抑制呼吸链。鱼藤酮是昆虫和鱼的毒药,异戊巴比妥(amytal)是巴比妥类镇定药, 阻止 NADH-Q 氧化还原酶进行的电子传递,进而阻止 NADH 充当该酶的底物。相反,

琥珀酸氧化的电子流动则不受影响(因为琥珀酸氧化的电子流动位于 NADH-Q 氧化还 原酶下游,不受异戊巴比妥影响)。抗霉素 C 干扰 Q-细胞色素 c 氧化还原酶从细胞色 素 bH 的流出。而且,最后阶段的电子流,即细胞色素 c 氧化酶,也能被 CN-,N3-, CO 抑制。CN-和 N3-与血红素 a3 的三价铁离子(ferric)反应,而 CO 与二价铁离子 (ferrous)反应。由于无法形成质子梯度,因此不能形成 ATP。

2. 3.

ATP 合成酶的抑制。寡霉素是对抗真菌的抗生素,和二环己基碳二亚胺(DCCD,)阻 止质子流过 ATP 合成酶。 解除 ATP 合成与呼吸链之间的偶联。2,4-二硝基苯酚能解除线粒体电子传递和磷酸化 之间的紧密偶联。这些物质携带质子跨过线粒体内膜,降低质子浓度梯度。NADH 的 电子传递给 O2 的速率正常,但是线粒体 ATP 合成酶不能合成 ATP。呼吸控制的丧失 导致氧消耗和 NADH 氧化速率的增加。化学解偶联试剂的解偶联作用与解偶联蛋白效 应一样,但是化学解偶联试剂没有生理活性、也不受调节控制。 ATP 外输的抑制。很低水平的苍术苷能特异抑制 ATP-ADP 转位酶。当 ATP-ADP 转 位酶的核苷酸结合位点面向细胞质时,能够结合苍术苷;而 ATP-ADP 转位酶的核苷 酸结合位点面向线粒体时能够结合 bongkrekic。加入这类抑制剂,氧化磷酸化马上停 止,说明 ATP-ADP 转位酶是维持足量 ADP 接受质子驱动力能量所必需的。

4.

正在发现线粒体疾病 人类发现的第一例线粒体疾病是 LHON。患者线粒体复合物 I 发生突变,中年致盲。有些 突变损伤 NADH 利用,而其它突变阻止电子向 Q 的传递。复合物 I 突变是最常见的线粒体 疾病。线粒体基因突变经过几十年的积累,与老年化、退行性病变、和癌症有关。 线粒体在细胞凋亡中起作用 线粒体是这些过程的调节控制中心。损伤线粒体形成线粒体的孔(mtPTP 即线粒体通透性 转化孔)。此孔由 VDAV,腺苷酸转位酶,和其它几种线粒体蛋白质(包括 Bcl 家族蛋白) 构成。Bcl 家族蛋白最初发现在癌细胞内有作用。细胞凋亡最强的活化剂之一是细胞色素 c。研究 mtPTP,证明细胞色素 c 也存在于这类线粒体。细胞色素 c 在细胞质内活化 caspase(即胱冬蛋白酶,属于胱氨酸蛋白酶家族成员)级联蛋白酶裂解反应。细胞色素 c 与其他蛋白质一道,活化 caspase 9 前体,后者接着活化其它其它 caspases。每类 caspase 能破坏特定目标,如哺乳细胞结构蛋白。另一个目标是一种蛋白质,这种蛋白质是 能抑制那些破坏 DNA 酶的活性(即 caspase- activated DNAse,CAD)。释放 CAD 破坏遗 传物质。这些蛋白酶级联,造成成千上万节个细小缺口,导致死亡。 用质子梯度进行的能量转移是生物能力学中心 跨膜质子梯度将线粒体的电子传递和 ATP 合成偶联。叶绿体和细菌进行的 ATP 合成也是 利用质子梯度作为动力的。实际上质子梯度能够驱动一些需能反应,如线粒体主动运输 Ca2+、细菌的葡萄糖和一些氨基酸的摄取、细菌纤毛的转动、以及电子从 NADP+向 NADPH 的转移。质子梯度也用于产热过程,如 hibernation。很明显,质子梯度是生物系统 的能量转化中心(图 18.44)。Mitchell 注意到,质子驱动力是自由能储存最简单但最有效 的方式,因为两个水相之间只需一层薄的、封闭的脂质双层膜隔开。

第 20 章 Calvin 循环和戊糖磷酸途径
光反应,即将光能转化成 ATP 和 NADPH(生物合成的还原力)。暗反应利用 ATP 和 NADPH 将 CO2 还原成己糖。暗反应也称为 Calvin 循环。因为这些反应不直接依靠光能, Calvin 循环的组分称为暗反应。 戊糖磷酸途径和 Calvin 循环有几个酶和中间体是相同的,证实它们属于同一家系。如同 糖酵解和葡萄糖异生,Calvin 循环和戊糖磷酸是两个作用相反的途径:Calvin 循环利用 NADPH 还原 CO2 产生己糖,而戊糖磷酸途径将葡萄糖断裂成 CO2,同时产生 NADPH。

20.1 Calvin 循环将 CO2 和 H2O 转化成己糖 具有光合作用的生物成为自养生物,这种生物依靠自养作用提供燃料。 在叶绿体基质进行的 Calvin 循环有 3 个阶段 。1:核酮糖 1,5-二磷酸羧基化固定 CO2。 2:固定碳原子的还原,以合成己糖。3:再生起始化合物核酮糖 1,5-二磷酸。 CO2 与核酮糖 1,5-二磷酸反应形成两分子 3-磷酸甘油酸 核酮糖 1,5-二磷酸羧化酶/氧合酶(称为 rubisco)催化。此酶位于类囊体膜的基质面。在己 糖合成反应中,这个反应是 限速步骤 。 此酶在叶绿体内含量丰富,实际上,rubisco 是生物圈含量最丰富的酶,也许是含量最丰 富的蛋白质。 原因 在于 rubisco 催化反应速度缓慢,催化反应的最大速率只有 3 s-1。 Rubisco 活性依赖 Mg2+和氨基甲酸(carbamate) 该金属离子 Mg2+能稳定一个负电荷从而活化结合的底物分子。有趣的是,与底物不同的 CO2 分子缩合到 rubisco 201 位赖氨酸残基侧链不带电荷的??氨基,形成氨基甲酸。带负电 荷的氨基甲酸基团与 Mg2+结合。Rubisco 活化酶有助于氨基甲酸的形成,但是 rubisco 自身 也能缓慢形成氨基甲酸。 Rubisco 也催化浪费的氧合酶反应:催化缺陷 在 Mg2+上形成的活性中间物有时与 O2 反应而不是与 CO2 反应。因此 rubisco 也催化有害 的氧合酶反应。此反应的产物是磷酸乙醇酸和 3-磷酸甘油酸。氧合酶促反应与羧化酶反应 一样,需要酶蛋白 201 位赖氨酸羧基化成氨基甲酸。由于氨基甲酸只在 CO2 存在时才能生 成,如果没有 CO2,rubisco 无法催化氧合酶促反应。
磷酰羟基乙酸不是一个通用的代谢物。一个抢救途径能够恢复部分碳骨架。 光呼吸反应 叶绿体氧合酶反应的产物是磷酰羟基乙酸。经过脱磷酸反应,羟基乙酸进入 过氧化物酶体(也称微体)被氧化成乙醛酸,然后转化成甘氨酸。在线粒体两个甘氨酸缩合 成丝氨酸,同时丢失一个 CO2 和一个铵离子。铵离子可以被叶绿体挽救成谷氨酰胺。 这个挽救途径能够将两分子乙醛酸的 4 个碳原子的 3 个碳原子重新利用。但是,有一个碳 原子以 CO2 的形式流失。此过程称为光呼吸,因为消耗了氧气,释放 CO2。光呼吸很浪费, 因为有机碳原子在转化成 CO2 的过程中没有产生 ATP, NADPH, 或其他富含能量的代谢物。

磷酸甘油酸产生己糖磷酸,同时再生核酮糖 1,5-二磷酸 转化的具体步骤与葡萄糖异生相似(但是叶绿体的甘油醛 3-磷酸脱氢酶只利用 NADPH 而不是 NADH)。这些反应与 rubisco 催化的羧化反应一道,将 CO2 参入己糖,

即消耗光反应制造的 NADPH 和 ATP,将 CO2 转化成化学燃料。 有限量的核酮糖 1,5-二磷酸就能够将很多 CO2 整合成己糖。 五碳糖的形成。首先,转酮醇酶将一个六碳糖和一个三碳糖转化成一个四碳糖和一个五碳 糖。然后醛缩酶将四碳糖产物与一个三碳糖缩合形成七碳糖。最后,这个七碳糖与另一个 三碳糖反应又产生两个五碳糖。 再生核酮糖 1,5-二磷酸。核糖 5-磷酸和木糖 5-磷酸转化成核酮糖 5-磷酸,后者磷酸化形成 核酮糖 1,5-二磷酸。

3 个 ATP 和 2 个 NADPH 用来将 CO2 整合到己糖分子 每轮只能还原一个碳原子,因此需要六轮 Calvin 循环。在 12 分子 3-磷酸甘油酸磷酸化成 1,3-二磷酸甘油酸的过程中,消耗 12 分子 ATP;12 分子 1,3 二磷酸甘油酸还原成 12 分子 3-磷酸甘油醛需要 12 分子 NADPH。还需要 6 分子 ATP 再生 1,5-二磷酸核酮糖。Calvin 循 环反应式可以写为

6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H2O C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+ + H+
因此每次将一分子 CO2 整合到一个己糖(如葡萄糖或果糖)分子中需要消耗 3 分子 ATP,2 分子 NADPH。

淀粉和蔗糖是植物主要的碳水化合物 淀粉如同动物特储存糖原,是葡萄糖聚合物。但分支程度比动物糖原低,??1,6-糖苷键少。 另一个差别是合成葡萄糖聚合物的 前体分子 不同。植物使用 UDP-G,而动物使用 ADPG。叶绿体内合成并储存淀粉。 而蔗糖是二聚糖,在细胞质合成。植物不能将己糖磷酸跨叶绿体膜运输,但是能够将 叶绿体的三碳糖磷酸从叶绿体运入细胞质。三碳糖磷酸中间体如甘油醛 3-磷酸运入细胞质 交换磷酸(即磷酸经过含量丰富的磷酸转位酶作用进入叶绿体)。三碳糖磷酸转化成果糖 6-磷酸,然后与 UDP-葡萄糖的葡萄糖单位连接形成蔗糖 6-磷酸(图 20.13)。水解磷酸酯 形成蔗糖。很多植物细胞能够运输或储存蔗糖,如甜菜和甘蔗。 20.2 Calvin 循环的效率依赖于环境条件 Calvin 循环在白天进行,而糖降解产生能量的反应主要在夜晚进行。合成和降解如何 协调控制?光反应导致叶绿体基质发生变化,即 pH 值、Mg2+浓度和 NADPH 浓度增加, 还原型铁氧还蛋白浓度增加——所有这些都有利于活化参与 Calvin 循环的酶。 光导致的质子浓度和 Mg2+浓度变化活化 Rubisco 原因 在于光照有利于氨基甲酸的形成,后者是 rubisco 酶活性必需的。叶绿体基质的 pH 值从 7 增加至 8,Mg2+水平也增加。这两种效应都是光照将基质的质子泵入类囊体的结 果。类囊体腔的 Mg2+进入叶绿体基质是为了补偿质子的移动(维持电中性)。因此,光 照不仅产生了 ATP 和 NADPH,还产生了调节信号。 铁氧还蛋白在调节 Calvin 循环中起关键作用 光照驱动反应导致电子从水分子转移给铁氧还蛋白,最后转移给 NADPH。 还原型铁氧还蛋白和 NADPH 是一种信号,表示进行生物合成的条件具备。还原型硫 氧还蛋白能够活化 Calvin 循环的一些酶,其机理是硫氧还蛋白断裂起活性调解作用的二硫 键。 NADPH 是两种生物合成酶(磷酸核酮糖激酶和甘油醛 3-磷酸脱氢酶)的活化信号。 20.3 戊糖磷酸途径产生 NADPH,合成戊糖 戊糖磷酸途径给所有生物提供 NADPH(用于生物合成的还原化合物)。 包括 两个阶段 :(1)氧化产生 NADPH;(2)糖的非氧化转化。在氧化阶段,葡萄糖 6磷酸氧化成戊糖 6-磷酸,产生 NADPH。此戊糖及其衍生物是 RNA 和 DNA 的组分,也是

ATP,NADH,FAD,和 CoA 的组分。 所有这些反应都在 细胞质 进行。这些转化以来 Calvin 循环的核酮糖 1,5-二磷酸再生。 G6-P 转化成核酮糖 5-磷酸过程中产生两分子 NADPH 葡萄糖 6-磷酸脱氢酶催化。此酶对 NADP+的特异性高,其 Km 值相当于 NAD+的 1/1000。后 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶氧化脱羧,电子受体也是 NADP+。最后磷酸戊糖异构酶 将核酮糖 5-磷酸转化成核糖 5-磷酸。 转醛基酶和转酮基酶将戊糖磷酸途径和糖酵解途径联系起来 很多细胞进行生物合成所需要的 NADPH 量超出核苷酸和核酸合成所需的核糖磷酸量。 因此 5-磷酸核糖经过 转酮基酶和转醛基酶 作用,转化成甘油醛 3-磷酸和果糖 6-磷酸。 因此,戊糖磷酸途径形成过量的核糖 5-磷酸可以完全转化成糖酵解的中间体。 转酮基酶和转醛基酶采用不同机制稳定 C 负离子 转酮基酶和转醛基酶反应,虽然方式类似,但机制不同。一个差别是转酮基酶转移一个二 碳单位,而转醛基酶转移的是三碳单位。 转酮基酶促反应。辅基是硫氨素焦磷酸(TPP)。二碳单位加成的位点是 TPP 的噻唑环。 转酮基酶与丙酮酸脱氢酶复合物的 E1 亚基同源,反应机制也相似。 转醛基酶促反应。转醛基酶将酮基糖供体的二羟基丙酮单位转移给醛基糖受体。没有辅基。 实际上,醛缩酶与转醛基酶是同源的。 20.4 戊糖磷酸途径与糖酵解途径协调葡萄糖 6-磷酸代谢 戊糖磷酸途径的速率由 NADP+的浓度决定 戊糖磷酸途径氧化阶段的第一个反应是葡萄糖 6-磷酸脱氢。是生理条件下的限速步骤。 最重要的调节因素是 NADP+的水平。NADP+水平低,葡萄糖 6-磷酸脱氢酶的活性受到抑制。 另一方面,NADPH 能够竞争酶的 NADP+结合位点,使 NADP+的低水平效应(即抑制脱 氢酶活性)加剧。正常饲养的大鼠,其肝脏的 NADP+/NADPH 比值约为 0.014,比 NAD+/NADH 比值低几个数量级(同样条件下,NAD+/NADH 比值为 700)。NADP+水平 对戊糖磷酸途径氧化阶段的显著影响 保证 只有在还原生物合成水平很低、需要 NADPH 时 才启动。 戊糖磷酸途径非氧化阶段反应的调节主要取决于底物的可利用性。 葡萄糖 6-磷酸的流向取决于细胞对 NADPH、核糖 5-磷酸、和 ATP 的需求 模式 1. 需要的核糖 5-磷酸比 NADPH 多。例如,快速分裂的细胞需要核糖 5-磷酸用来合成 DNA 的核苷酸前体。大多数葡萄糖 6-磷酸经糖酵解途径转化成果糖 6-磷酸和甘油醛 3-磷 酸。转醛基酶和转酮基酶将两分子果糖 6-磷酸和一分子甘油醛 3-磷酸转化成 3 分子核糖 5磷酸(经过早先介绍反应的逆反应)。模式 1 的化学定量关系是 5 葡萄糖 6-磷酸 + ATP 6 核糖 5-磷酸 + ADP + 2 H+ 模式 2. 需要 NADPH 和核糖 5-磷酸处于平衡状态。在这些条件下,一分子葡萄糖 6-磷酸在 戊糖磷酸途径的氧化阶段生成两分子 NADPH 和一分子核酮糖 5-磷酸。模式 2 的化学定量 关系是 葡萄糖 6-磷酸 + 2 NADP+ + H2O 核糖 5-磷酸 + 2 NADPH + 2 H+ + CO2

模式 3. 需要的 NADPH 比核糖 5-磷酸多。例如,脂肪组织需要高水平 NADPH 合成脂肪酸 (表 20.4)。在这种情况下,葡萄糖 6-磷酸完全被氧化成 CO2。此时有 3 组反应处于活性 状态。首先戊糖磷酸途径的氧化阶段活跃,形成两分子 NADPH 和一分子核糖 5-磷酸。然 后,核糖 5-磷酸经转酮基酶和转醛基酶转化成果糖 6-磷酸和甘油醛 3-磷酸。最后,果糖 6磷酸和甘油醛 3-磷酸重新转化成葡萄糖 6-磷酸。这三套反应的定量化学是

6 葡萄糖 6-磷酸 + 12 NADP+ + 6 H2O 6 核糖 5-磷酸

6 核糖 5-磷酸 + 12 NADPH + 12 H+ + 6 CO2

4 果糖 6-磷酸 + 2 甘油醛 3-磷酸 5 葡萄糖 6-磷酸 + Pi

4 果糖 6-磷酸 + 2 甘油醛 3-磷酸 + H2O 模式 3 的总反应式是 葡萄糖 6-磷酸 + 12 NADP+ + 7 H2O

6 CO2 + 12 NADPH + 12 H + Pi

因此,这个过程相当于将葡萄糖 6-磷酸完全氧化成 CO2,同时产生 NADPH。本质上讲,戊 糖磷酸途径产生的核糖 5-磷酸经过转酮基酶、转醛基酶、以及葡糖异生途径的一些酶转化 成葡萄糖 6-磷酸。 模式 4. 细胞需要 NADPH 和 ATP。戊糖磷酸途径氧化阶段形成的核糖 5-磷酸转化成丙酮酸。 果糖 6-磷酸和来自核糖 5-磷酸的甘油醛 3-磷酸进入糖酵解途径,而不是重新转化成葡萄糖 6-磷酸。在这种模式,同时产生 ATP 和 NADPH,葡萄 6-磷酸分子的 5 个碳原子进入丙酮酸。 3 葡萄糖 6-磷酸 + 6 NADP+ + 5 NAD+ + 5 Pi + 8 ADP 5 丙酮酸 + 3 CO2 + 6 NADPH + 5 NADH + 8 ATP + 2 H2O + 8 H+ 这些反应生成的丙酮酸被氧化产生更多 ATP,或者用于其它生物分子的构建模块。 Calvin 循环和磷酸戊糖途径是相互镜像关系 Calvin 循环是固定 CO2,利用 NADPH 的还原能力将 CO2 转化成葡萄糖。戊糖磷酸途径起 始是葡萄糖 6-磷酸,将葡萄糖 6-磷酸氧化成 CO2,同时产生 NADPH。Calvin 循环的再生 阶段将 C6 和 C3 分子转化成起始物质 C5(即核酮糖 5-磷酸)。在糖酵解途径,核糖 5-磷酸 被转化成 C6 和 C3 中间体。光合磷酸化生物的很多酶出现于两条途径的现象就不足为奇了。 这也是进化的一种经济学,即类似反应利用同样的酶,实现不同的目的。 葡萄糖 6-磷酸脱氢酶在对付活性氧方面起关键作用 还原型谷胱甘肽(GSH)能将活性氧(ROS)还原成没有危害的分子。之后自身变成氧化型 GSSG,必须重新还原成 GSH。葡萄糖 6-磷酸脱氢酶催化反应产生的 NADPH 负责这个还 原过程。因此,戊糖磷酸途径是减少氧化应急的关键。 葡萄糖 6-磷酸脱氢酶缺乏导致药源溶血性贫血 药物诱导的溶血性贫血是由于患者缺乏葡萄糖 6-磷酸脱氢酶。此酶催化戊糖磷酸途径氧 化阶段的第一个反应。葡萄糖 6-磷酸脱氢酶水平低下的细胞对氧化应急非常敏感,因为这 些细胞的 NADPH 水平低,而 NADPH 是恢复谷胱甘肽还原型所必须的。红细胞大多数 NADPH 的作用是还原谷胱甘肽,由谷胱甘肽还原酶(一种黄素蛋白)催化。还原的谷胱 甘肽能够维持血红蛋白等处于还原状态。正常红细胞 GSH/GSSH 的比值是 500。 谷胱甘肽还原酶如何 再生 还原型谷胱甘肽?NADPH 的电子先转移给与 FAD,再转移给酶 蛋白亚基的两个 Cys 残基的二硫键,最后转移给 GSSG。 还原型谷胱甘肽是维持红细胞正常结构所必须的。还原型谷胱甘肽水平降低则使红细胞对 裂解更为敏感。如何从生物化学角度解释这种现象?—我们可以从另一个角度,即 antimalarial drug pamaquine 破坏红细胞的角度加以理解。Paraquine 是蚕豆的嘌呤糖苷,能 够产生活性氧。谷胱甘肽过氧化物酶可利用 GSH 作为还原试剂消除这些过氧化物。 如果缺乏葡萄糖 6-磷酸脱氢酶,过氧化物将继续损伤生物膜(因为 NADPH 是谷胱甘肽还 原型的恢复试剂)。而且,血红蛋白的巯基难于维持,蛋白之间形成二硫键交联积聚,在 细胞膜上形成海恩茨小体。 海恩茨小体和活性氧 损伤生物膜,使之变形,细胞裂解。 因此葡萄糖 6-磷酸脱氢酶是维持还原型谷胱甘肽水平用以对抗氧应急所必需的。

在有些情况下葡萄糖 6-磷酸脱氢酶活性缺乏有进化优势 非裔美国人有 11%的人群,其红细胞的葡萄糖 6-磷酸脱氢酶活性降低 10 倍,大多数 葡萄糖 6-磷酸脱氢酶缺乏症患者都是这种情况。此酶活性低下的患者数量如此之大,提示 葡萄糖 6-磷酸脱氢酶活性低下者可能在特定条件下有生存优势。实际上,缺乏葡萄糖 6-磷 酸脱氢酶的人群能够抵御 jalciparum malaria。导致此疾病的寄生虫需要还原型谷胱甘肽, 因此戊糖磷酸途径的产物给这类寄生虫生长提供了最佳条件。葡萄糖 6-磷酸脱氢酶低下提 供了一种机制保护个体免收 malaria 病原体侵袭,这解释了 malaria 流行区域葡萄糖 6-磷酸 脱氢酶缺乏人群比例高的原因。这是一个遗传与环境相互作用应付疾病的实例。

第 21 章 糖原代谢 糖原易于代谢成葡萄糖。是分支度很高的葡萄糖聚合物。 糖原中大多数葡萄糖残基用??1,4-糖苷键连接,每 10 个 Glc 残基左右有一个??1,6-糖苷键。 ??糖苷键使葡萄糖聚合物呈开口螺旋,而??糖苷键连接的葡萄糖是伸直成纤维。 为什么 过量燃料储存在糖原 而不是储存在脂肪酸?原因是进食之间机体能从糖原控制性 释放葡萄糖,维持血糖浓度稳定,保障大脑的葡萄糖供应。与脂肪酸不同,糖原释放的葡 萄糖在缺乏氧气时也能能量。 糖原存储主肝脏和骨骼肌。以颗粒形式存储于细胞质中。肝脏糖原合成和降解受到调节, 以维持血糖浓度稳定(满足机体的需求)。而肌肉糖原的合成和降解只满足肌肉自身需求。

葡萄糖储存和释放以调节糖原代谢 糖原降解有 3 步反应 :(1)自糖原释放葡萄糖 1-磷酸;(2)重构糖原底物使之易于进一 步降解;(3)将葡萄糖 1-磷酸转化成葡萄糖 6-磷酸使之能够进入后续代谢途径。 所得葡萄糖 6-磷酸有 3 个归宿 :(1)作为糖酵解的起始底物进入糖酵解;(2)转化成游 离的葡萄糖(主肝脏)释放到血液中;(3)经戊糖磷酸途径加工,产生 NADPH 和核糖衍生物。

21.1 糖原断裂需要几个酶的互作—4 种酶活性 磷酸化酶催化糖原磷酸裂解,释放葡萄糖 1-磷酸 糖原磷酸化酶是糖原分解的关键酶,催化磷酸加入底物非还原端(有游离羟基)产生 G1P。磷酸加入导致化学键断裂的反应称为磷酸裂解。 糖原磷酸化酶 催化反应在体外可逆,但在体内环境中由于[Pi]/[G1-P]比值远远超过 100, 因此反应朝磷酸裂解方向进行。 磷酸化裂解的另一优势是肌肉细胞缺乏没有葡萄糖 1磷酸运输器,因此生理条件下产生的葡萄糖 1-磷酸局限于肌肉细胞。 糖原断裂也需要去分支酶 实际上,糖原磷酸化酶在距离分支点还有 4 个葡萄糖残基处就停止裂解。由于糖原分子每 隔 10 个葡萄糖残基左右就有一个分支,故其只能裂解每个分支的 6 个葡萄糖残基。 转移酶和??????糖苷酶。重构的糖原分子能够被磷酸化酶继续裂解。转移酶能够将分支位 点 4 个葡萄糖残基的三个转移给另一个分支位点的末端。此转移导致分支位点只有一个葡 萄糖残基。??????糖苷酶(即去分支酶)水解这个??????糖苷键,释放一个葡萄糖分子, 然后用己糖激酶磷酸化。 值得注意的是, 真 核生物??????糖苷酶和转移酶活性都在一条多肽链上,是一个 双功能酶 。

葡萄糖异构酶将葡萄糖 1-磷酸转化成葡萄糖 6-磷酸 磷酸基团从酶蛋白转移给底物,而底物的 C-1 位磷酸基团转移回去恢复酶的起始状态。

反应与磷酸甘油酸异构酶很相似。葡萄糖 1,6-二磷酸在磷酸葡萄糖葡萄糖转化中的作用如 同 2,3-二磷酸甘油酸转化成 2-磷酸甘油酸和 3-磷酸甘油酸中的作用相似。两个反应中都有 磷酰化酶中间体参与。 肝脏有葡萄糖 6-磷酸酯酶,但肌肉没有这个酶 肝脏的主要功能是维持血糖的稳定。主要供应大脑和骨骼肌。 糖原磷酸化裂解产生的磷酸化葡萄糖不能被运到胞外。葡萄糖 6-磷酸酯酶与葡糖异生途径 最后释放葡萄糖的酶一样,位于滑面内质网的管腔面。葡萄糖 6-磷酸进入内质网,形成葡 萄糖和磷酸。后经穿梭系统运输到细胞质。肝脏的主要燃料不是葡萄糖。 磷酸吡哆醛参与糖原的磷酸化裂解反应机制 糖原磷酸化酶的催化机制。二聚体。 问题 —如何磷酸化裂解糖原分子,只释放葡萄糖磷 酸而不释放游离的葡萄糖,从而节约 ATP。因此,活性位点应将水分子排出。 第二个线索是此步反应需要磷酸吡多醛(PLP)。VB6 衍生物。PLP 5'-磷酸基团先作为质 子供体,后作为质子受体(即酸碱催化)参与反应。底物磷酸先提供质子给 C-4 连接的氧 原子,导致糖苷键断裂,同时从 PLP 获得一个质子。这步反应产生的 C 正离子中间体受到 磷酸基团攻击形成??葡萄糖??磷酸,同时磷酸吡多醛获得一个质子恢复原状。在反应过程 中磷酸吡多醛是必需的,因为活性位点没有水分子。 一个酶无需解离-重新结合能够催化很多反应,这种特性称之为 持续性 。合成和降解大聚 合物的酶都有这种特性。DNA 和 RNA 合成的酶就有这种特性。 21.2 别构作用和可逆磷酸化调节磷酸化酶 糖原代谢受多个相互联系的代谢途径精确控制。这些控制的焦点集中于糖原磷酸化酶。 几个 别构效应 及 可逆磷酸化 能够传递细胞能量状态,从而调控糖原磷酸化酶。糖原磷酸化 酶可逆磷酸化是对激素(如胰岛素、肾上腺素、胰高血糖素)刺激的应答。 肌肉的糖原磷酸化酶受胞内能荷调节 骨骼肌糖原磷酸化酶二聚体有两种形态:有活性的磷酸化酶 a 和没有活性的磷酸化酶 b 。 两者各有活性的松弛(R)态和活性缺乏的紧张(T)态之间的平衡。 但是磷酸化酶 a 倾向于 R 态,而磷酸化酶 b 倾向于 T 态。 当细胞 AMP 浓度很高,肌肉磷酸化酶 b 才有活性,与核苷酸结合后将酶蛋白稳定在有活 性的磷酸化酶 b。ATP 能够竞争 AMP 结合位点,是别构调节的负效应剂。因此磷酸化酶 b 在有活性的 R 型和缺乏活性的 T 型之间的转换受肌肉细胞内的 能荷 控制。G6-P 有利于 T 态的磷酸化酶 b(缺乏活性),这是一个反馈抑制的实例。 酶蛋白每个亚基 Ser14 的磷酸化就能够将 b 型磷酸化酶转化成 a 型。转化受激素启动。恐 惧或运动激发导致肾上腺素水平提升。这种激素水平增加或肌肉受到电刺激导致糖原磷酸 化酶被磷酸化,从 b 型转化成 a 型。这个过程有糖原磷酸化酶激酶催化。 (多数)磷酸化酶 b 没有活性,原因 :胞内 ATP 和 G6-P 两个效应剂的负别构调节。相反,磷 酸化酶 a 有完全的催化活性,不受 AMP, ATP, 和葡萄糖 6-磷酸水平的影响。 休息状态的肌肉细胞内,几乎均为 b 型,即没有活性。运动开始,AMP 水平提升激活 b 型糖原磷酸化酶活性。同时运动又会导致相应的激素释放,使糖原磷酸化酶转化成 a 型。 肌肉细胞没有葡萄糖 6-磷酸酯酶,使糖原产生的 G6-P 只能在胞内进行能量转化 肝脏糖原磷酸化酶产生葡萄糖用于其他组织 肝脏降解糖原的作用是形成葡萄糖。稳定血液葡萄糖水平,供应其他组织。肝脏磷酸化酶 的活性对葡萄糖水平敏感:葡萄糖与该酶结合 能消除其酶活性。 (异)肝脏磷酸化酶 a (不是 b)呈最敏感的 R 至 T 的转化。葡萄糖结合使 a 型酶从 R 态转

化成 T 态,消除酶活性。与肌肉酶不同,肝脏的糖原磷酸化酶对 AMP 不敏感,因为肝脏 不进行肌肉收缩那样剧烈的耗能反应。 磷酸化和钙离子能活化—糖原磷酸化酶激酶 磷酸化酶激酶受两重因素控制:自身磷酸化和钙离子浓度增加能提升酶蛋白活性。 如同其底物糖原磷酸化酶,该激酶自身也是通过磷酸化提升其酶促活性的。磷酸化酶激酶 的活化是激素启动的信号传导级联反应的一个环节。 磷酸化酶激酶活性也能为达到 1 ?M Ca2+浓度水平部分活化。激酶的?亚基是 calmodulin(钙调蛋白)。激酶活化的这种模式在肌肉尤为明显(肌肉收缩启动肌浆网释放 Ca2+)。 只有在?亚基被磷酸化和?亚基与 Ca??结合的情况下,磷酸化酶激酶活性才达到最大水平。 ?????肾上腺素和胰高血糖素传递糖原需要断裂的信号 蛋白激酶A活化糖原磷酸化酶激酶,而这个激酶接着活化糖原磷酸化酶。 那么,什么活化蛋白激酶A??启动糖原断裂的最初信号是什么? G 蛋白传递信号,启动糖原断裂 胰高血糖素和肾上腺素启动糖原断裂。肾上腺素显著促进肌肉糖原分解,但对肝脏糖原分 解的促进作用没有这么明显。肝脏对胰高血糖素的应答更为显著。 肝脏的信号传导过程比肌肉的复杂。肾上腺素也能启动肝脏的糖原降解。但是肾上腺素除 了与肝脏的??肾上腺素受体结合外,还结合 7TM 的??肾上腺素受体。而 7TM 的??肾上腺 素受体与肾上腺素的结合就启动磷酸肌醇级联反应,导致内质网 Ca2+的释放。磷酸化酶激 酶的?亚基是 Ca2+传感器(即钙调蛋白)。Ca2+与钙调蛋白结合导致磷酸化酶激酶的部分活 化。胰高血糖素和肾上腺素联合促进,导致肝脏糖原动员的最大化。 如果需要,糖原的动员应迅速关闭以防浪费 当葡萄糖需求已经获得满足,糖原磷酸化酶激酶和糖原磷酸化酶脱磷酸,失去催化活性。 同时糖原合成系统被激活。 若启动糖原动员的激素不再存在,活化糖原磷酸化酶的信号途径就自动关闭。G 蛋白内在 的 GTP 酶活性将 GTP 转化成 GDP,而细胞内一直存在的磷酸二酯酶将 cAMP 转化成 AMP。蛋白激酶 A 将磷酸基团连接于磷酸化酶激酶的??亚基(活化时加入的第一个磷酸 基团在??亚基)关闭糖原降解途径。第二个磷酸基团的加入使该酶成为蛋白磷酸酯酶 1(PP1)的更合适底物,接着被脱去磷酸导致失活。蛋白磷酸酯酶 1 也能除去糖原磷酸化酶 的磷酸基团,将此蛋白转化成没有活性的糖原磷酸化酶 b。 21.4 糖原合成和糖原降解采用不同途径 不同途径在能量和控制方面有更大的灵活性。 糖原合成的前体是尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-G)作为活化的葡萄糖供体,而不是 G-1-P. UDP-G 是葡萄糖的活化形式 UDPG 焦磷酸化酶催化,用葡萄糖 1-磷酸和尿苷三磷酸合成 UDP-葡萄糖。此反应释放一 个焦磷酸分子。 糖原合成酶催化 UDP-葡萄糖的葡萄糖残基转移给糖原生长链 UDPG 的活化葡萄糖残基转移给糖原分子末端残基的 C-4 羟基,形成??????糖苷键。此反 应的催化剂是糖原合成酶,是糖原合成调节的关键酶。 糖原合成酶能够将葡萄糖残基加入含有四个以上葡萄糖残基的多糖链末端。因此糖原合成 酶酶促反应需要 引物 。糖原生成素制造糖原合成酶促反应的引物。同二聚体。UDP-葡萄糖 是糖原生成素自糖基化的供体。然后,糖原合成酶接管葡萄糖聚合物,继续延长糖原分子。

分支酶形成??????糖苷键 发生分支。断裂??????糖苷键,再形成??????糖苷键。此反应与去分支反应不同。数个葡 萄糖(通常是七个)构成的模块(须包括非还原端)转移到更里面位点。催化此反应的分支 酶执行这种移位相当精确。此外,新的分支位点与原分支位点距离至少相距 4 个葡萄糖残 基。 糖原分支:转移酶活性,而糖原去分支:转移酶活性`??????糖苷酶活性。 序列分析提示这两种转移酶(可能还包括??????糖苷酶)属于同一家族,即??淀粉酶家族。

糖原合成酶是糖原合成的关键调节酶 共价修饰调节。蛋白激酶磷酸化—PKA(蛋白激酶 A)和糖原合成酶激酶(GSK)。 蛋白磷酸化使酶失去活性。磷酸化对糖原合成酶和糖原磷酸化酶酶活性产生相反的效果。

糖原是葡萄糖的有效储存形式 裂解产生的葡萄糖残基约 90%左右是葡萄糖 1-磷酸。其余 10%的葡萄糖残基处于分支位 点,直接水解产生葡萄糖。因此一分子 ATP 用于磷酸化一个葡萄糖残基(产生葡萄糖 6-磷 酸)。而葡萄糖 6-磷酸完全氧化产生 31 分子 ATP,而每个葡萄糖残基储存所耗的 ATP 数 量只是稍多于 1 个分子。 21.5 糖原的合成与分解的调节互为相反 胰高血糖素和肾上腺素启动的 cAMP 级联反应分别启动肝脏和肌肉的糖原分解,同时关 闭这些组织的糖原合成。(通过蛋白激酶 A 的活化)。 胰岛素 失活糖原合成酶激酶,促进糖原合成 如何刺激糖原合成?如果血糖水平高,胰岛素失活糖原合成酶激酶活性,促进糖原合成。 糖原合成酶激酶维持糖原合成酶的磷酸化状态,使后者没有活性。胰岛素作用的第一步是 与细胞质膜上的受体酪氨酸激酶结合。胰岛素与受体的结合活化了受体酪氨酸蛋白激酶活 性,后者磷酸化胰岛素受体底物(IRSs)。这些磷酸化蛋白质启动信号传导途径,甚至活 化蛋白激酶。这些蛋白激酶能够 磷酸化 糖原合成酶激酶使之失活。使得蛋白磷酸酶 1(PP1)脱去糖原合成酶的磷酸基团,将后者转变成有活性的酶,恢复糖原合成。 肝脏糖原代谢 调节血糖浓度 胰岛素是合成糖原的主要信号,葡萄糖浓度也是糖原合成的信号。肝脏能够感知血糖浓度, 由之确定摄取或释放葡萄糖。 血糖升高,肝脏的 糖原磷酸化酶 a 迅速降低。经过一个延滞期, 糖原合成酶 a 迅速上升, 导致糖原合成。糖原磷酸化酶 a 是肝细胞的葡萄糖感应器。葡萄糖与磷酸化酶 a 结合别构 调节磷酸化酶活性(有活性 R 型变为无活性 T 型)。 肌肉的糖原磷酸化酶 a 的 R 态和 T 态之间转换不受葡萄糖影响,因此血糖浓度水平不影 响肌肉的糖原磷酸化酶活性。 这个感应葡萄糖的系统依赖 三个关键因素 :(1)葡萄糖别构位点与丝氨酸磷酸之间的通讯; (2)用 PP1 灭活糖原磷酸化酶,活化糖原合成酶;(3)蛋白磷酸酶与糖原磷酸化酶结合,防止 糖原合成酶提前活化。 糖原储存疾病 患者肝脏很大导致腹部巨大,进餐之间血糖浓度低下,而且注入肾上腺素和胰高血糖素不 能提升血糖浓度。患有糖原储存疾病的新生儿因血糖浓度过低会出现惊厥。

患者缺乏葡萄糖 6-磷酸。这种发现首次证实肝脏酶缺陷。肝脏糖原在结构上正常,但是 含量异常高。肝脏/葡萄糖 6-磷酸酯酶/缺乏导致低血糖症, 原因 在于葡萄糖 6-磷酸不能转 化成葡萄糖。葡萄糖 6-磷酸过量导致肝脏/糖酵解上升,血液中乳酸和丙酮酸浓度增加。也 提升了脂肪代谢依赖性。 编码葡萄糖 6-磷酸转移酶基因变异也会产生这种疾病。 Pompe 疾病(II 类),充满糖原的溶酶体变大,原因在于溶酶体缺乏??????糖苷酶。 III 类与 von Gierke 疾病(I 类)依靠生理特征无法区分。其肝脏和肌肉的糖原结构异常, 糖原含量显著增加。糖原分子外面的分支非常短。患者没有去分支酶(即??????糖苷酶), 使得这类异常糖原只有少量糖基可供利用。 肌肉糖原存储疾病(V 类)。患者缺乏肌肉/磷酸化酶活性,患者不能进行剧烈运动。患 者发育正常, 因此 有效利用肌肉糖原不是生命所必需的。正常人剧烈运动,其肌肉 pH 值 迅速降低(因为产生了乳酸)。但是 McArdle 疾病患者剧烈运动,肌肉变碱(因为肌酸磷 酸发生降解)。其肌肉的糖酵解速率比正常水平低很多,不积累乳酸;患者也不动用糖原。

第 22 章

脂肪酸代谢

脂肪酸主 四个生理作用 :(1)燃料分子,以甘油三酯形式存储。从甘油三酯动用的脂肪 酸被氧化,产生能量满足细胞或机体的需求。休息或温和运动时,脂肪酸是主要能源。 (2)脂肪酸是磷脂和糖脂的构建原料。两性化合物,生物膜组分(3)很多蛋白质为脂肪 酸共价连接,将蛋白质锚定在生物膜上。(4)脂肪酸衍生物充当激素和胞内信使。 22.1 三酯酰甘油是高能量储存物 1g 糖原干物质能够结合 2g 水。因此 1g 几乎无水的脂肪存储的能量相当于 6.75 g 结合水 的糖原所储存的能量。进化过程中选择三酯酰甘油(而非糖原)作为主要的能源库的原因。 脂肪细胞(细胞质)是专门用来合成存储 tg,动员 tg 经过血液供应其他组织的特异化细胞。 膳食的脂类物质为胰脂肪酶消化 摄取脂质多是三酯酰甘油,消化成脂肪酸被小肠细胞吸收。脂肪酶是胰脏合成分泌。肠道 的三酯酰甘油整合在含有胆汁的微囊内。胆汁是肝脏从胆固醇合成,从胆囊分泌。 每个脂质分子的酯键朝向微囊的表面,使这个化学键易于为脂肪酶接触而更为敏感。如果 肝脏有病不能产生足量的胆汁盐,粪便将排出大量的脂肪,这种疾病叫脂肪痢。 食物脂质以乳糜微粒的形式运输 乳糜微粒 游离脂肪酸和单酰基甘油为肠道表皮细胞吸收。后重新形成三酰基甘油,与其 他脂质分子和载脂蛋白 B-48 一起包装形成乳糜微粒,释放到淋巴系统。然后进入血液。 乳糜颗粒也能运输脂溶性的维生素和胆固醇。 22.2 用脂肪酸作为燃料需要三个反应步骤 外周组织能得到脂肪组织储存的脂肪。第一步动员脂质。脂肪组织 tg 分解成游离脂肪酸 和甘油,释放,被运输到需能组织。第二步,需能组织内脂肪酸活化并转入线粒体准备降 解。第三步脂肪酸一步步断裂成乙酰 CoA,后者进入柠檬酸循环。 三酯酰甘油为激素刺激的脂肪酶水解 在晨跑的情况下,有胰高血糖素和肾上腺素,与脂肪组织 7TM 受体结合,活化腺苷酸环 化酶。cAMP 水平增加激活蛋白激酶 A。其磷酸化两个关键蛋白质,即围脂滴蛋白 A 和激 素敏感的脂肪酶。Perilipin A 的磷酸化重构脂肪滴,使三酯酰甘油易于为激素活化的脂肪

酶接近。磷酸化的脂肪酶将三酯酰甘油水解成游离的脂肪酸。—因此肾上腺素和胰高血糖 素诱导脂肪水解。 释放的脂肪酸在血浆中,以血清白蛋白充当载体。 三酯酰甘油水解产生的甘油为肝脏吸收并被磷酸化,然后氧化成二羟丙酮磷酸。二羟丙 酮磷酸异构成甘油醛 3-磷酸,作为糖酵解途径和葡萄糖异生途径的中间体。 在氧化之前,脂肪酸与 CoA 结合—脂肪酸活化 硫酯化反应发生于 线粒体外膜 的酰基辅酶 A 合成酶(也称脂肪酸硫激酶)催化。 肉毒碱(carnitine)携带活化的长链脂肪酸进入线粒体基质 脂肪酸必须与肉毒碱结合,形成酰基肉毒碱。此反 应有肉毒碱酰基转移酶 I(CPTI)催化。也是线粒体 外膜 结合蛋白。 在膜的基质侧,又将酰基转移给 CoA 的巯基。此反 应有肉毒碱转酰基酶 II 催化,即前者的逆反应。由 于肉毒碱具有两性离子的特征,此反应在热力学上可 行。 酰基肉毒碱转位酶 肉毒碱缺乏的症状从中度肌肉痉挛到严重衰弱甚至死亡。受损组织主要是肌肉、肾脏和心脏。肉 毒碱酰基转移酶缺乏的症状是出现肌肉衰弱,原因在于长期运动时肌肉依靠脂肪酸供应能量。由 于中等长度的脂肪酸(C8-C10)进入线粒体氧化不需要肉毒碱,因此这些患者能正常氧化这些脂 肪酸。 脂肪酸的每轮氧化产生乙酰 CoA、NADH、和 FADH2 第一步电子载体是 FAD 而不是 NAD+, 原因 在于此反应所产生的能量不足以还原 NAD+。这部脱 氢反应形成的 FADH2 可以制造 1.5 分子 ATP(如同柠檬酸循环的琥珀酸脱氢反应,琥珀酸氧化生 成延胡索酸)。 棕榈酸-16 烷酸-完全氧化:106ATP 不饱和脂肪酸氧化需要一个异构酶和一个还原酶 降解不饱和脂肪酸 额外必须两个特别酶(一个异构酶和一个还原酶)。 棕榈油酸(即十六碳烯-9 酸,双键在 C9~C10)。活化与跨膜运输到线粒体基质相同。但是,第 三轮需要异构酶。随后反应与饱和脂肪酰 CoA 氧化相同. 奇数双键只用其中的异构酶处理即可 /// 而偶数双键需要还原酶和异构酶联合作用。 奇数碳原子酰基 CoA 最后一步硫解反应产生丙酰 CoA 丙酰 CoA 经过转化成琥珀酰 CoA 后,进入三羧酸循环。 丙酰 CoA 羧基化要消耗 1 分子 ATP,产生 D-甲基丙二酰 CoA。丙酰 CoA 羧化酶,是生物素酶, 催化机制类似同原酶丙酮酸羧化酶。D-型甲基丙二酰 CoA 消旋成 L-甲基丙二酰 CoA,分子内重排 成琥珀酰 CoA。此异构化反应由甲基丙二酰 CoA 变位酶催化。辅酶是钴胺素衍生物。 维生素 B12 含有咕啉环和钴原子 钴胺素酶催化三类反应:(1)分子内重排;(2)甲基化,如甲硫氨酸合成;(3)核糖核苷酸 还原成脱氧核苷酸。在哺乳动物中,只有两个反应需要维生素 B12 。高丝氨酸甲基化形成甲硫氨 酸是其二。后一反应特别重要。因为甲硫氨酸是制造合成嘌呤和嘧啶所需的 辅酶 脂肪酸氧化也能在 过氧化物体进行 过氧化物体 单层膜结构,多真核细胞内。这些细胞器将长的脂肪酸转化成更为适宜于线粒体基质

进行??氧化的底物(在辛酰 CoA 时停止)。 差异 第一步脱氢反应 黄素蛋白脱氢酶将电子传递给 O2,产生 H2O2(而不是像线粒体??氧化那样 为 FADH2 捕获)。过氧化物酶体含有高浓度的过氧化氢酶,能够将 H2O2 分解成 H2O 和 O2。随 后步骤相同,但是催化酶是与线粒体相应酶不同的同功酶。 脂肪断裂处于优势,则乙酰 CoA 转化成酮体 如果没有足量的糖或者糖的使用不当,丙酮酸不足,使得草酰乙酸不足,乙酰 CoA 不能进入柠檬 酸循环。这种依赖性是“脂肪在糖的火焰上燃烧”的分子基础。 羟基丁酸与乙酰乙酸之间的比例依赖于线粒体内 NADH/NAD+的比值。由于乙酰乙酸是??酮酸, 能自动脱羧生成丙酮。当某人血液有很高浓度的乙酰乙酸,将有丙酮的气味。 有些组织用酮体充当主要燃料 丙酮和 β-羟基丁酸 自肝脏线粒体扩散至血液,运输到外周组织。重要的能源。 心肌和肾脏皮质在葡萄糖和乙酰乙酸两者之间,优选乙酰乙酸。相反,营养良好平衡的人群,其 大脑和红细胞以葡萄糖作为燃料。但是在饥饿状态或糖尿病患者,其大脑也利用乙酰乙酸作为燃 料。饥饿延长,大脑需求燃料的 75%来自酮体。 由于肝脏缺乏这个特定的 CoA 转移酶 ,因此肝脏制造的乙酰乙酸供应给其他器官使用。3-羟基丁 酸还要增加一个转化步骤,即首先将羟基丁酸氧化成乙酰乙酸。电子受体是 NAD+,产生的 NADH 用于氧化磷酸化。 酮体 可看作是可溶于水的、可运输的乙酰单位。如同所料,乙酰乙酸也起调节作用。血液的乙酰 乙酸浓度高发出“乙酰单位充足”的信号,导致脂肪组织的脂肪裂解速率降低。 胰岛素依赖型糖尿病 。患者不能制造胰岛素。缺乏胰岛素导致两种结果:(1)肝脏不能吸收葡萄 糖,草酰乙酸不足加工脂肪酸来源的乙酰 CoA;(2)脂肪细胞继续向血液释放脂肪酸,肝脏吸收 脂肪酸并转化成酮体。因此肝脏提供大量的酮体,严重的酸中毒。 动物不能将脂肪酸转化成葡萄糖 乙酰 CoA 不能转化成丙酮酸或草酰乙酸。植物两种酶将乙酰 CoA 的碳原子转化成草酰乙酸。 22.4 脂肪酸合成和分解采用不同的途径 和分解同样“遵守合成与降解几乎是完全不同途径"的原则。这两个途径的一些重要差异有: 1. 依次添加乙酰 CoA 的二碳单位延长生长的脂肪链。在延伸步骤,二碳单位被活化成丙二酰 ACP。延伸反应的动力来自 CO2 的释放。 2. 脂肪酸合成的还原试剂是 NADPH,但是脂肪酸降解的氧化试剂是 NAD+和 FAD。 其他略 脂肪酸合成的中间体与酰基载体蛋白共价连接 磷酸泛酰巯基乙胺 酰基载体蛋白和 CoA 均采用磷酸泛酰巯基乙胺作为活性单位。 脂肪酸合成含有一系列缩合、还原、脱水、和还原反应 用乙酰 CoA,丙二酰 CoA, 和 NADPH 合成饱和长链脂肪酸的酶系统称为脂肪酸合成酶。 延伸阶段 :起始步骤是乙酰 ACP 和丙二酰 ACP 的形成。乙酰基转酰基酶和丙二酰转酰基酶催化这 些反应。 丙二酰转酰基酶有很高的特异性,而乙酰转酰基酶能够转移其它酰基(但转移的速度慢些)。奇 数碳原子脂肪酸的合成酶起始使用丙酰 ACP。乙酰转酰基酶催化,将丙酰 CoA 转变成丙酰 ACP。 乙酰 ACP 和丙二酰 ACP 反应形成乙酰乙酰 ACP。此反应的催化剂是乙酰-丙二酰 ACP 缩合酶。 在缩合反应中,一个二碳单位和一个三碳单位缩合形成一个四碳单位,同时释放一个 CO2。为什 么不能直接利用两分子乙酰 ACP 形成一分子乙酰乙酰 ACP? 答案```相反,利用丙二酰 ACP 与乙酰 ACP 缩合成乙酰乙酰 ACP 是热力学上有利的化学反应,因为脱羧能够降低自由能。实际上这个反 应是 ATP 水解驱动的;同时虽然 HCO3-是脂肪酸合成所必需的,但是 HCO3-的碳原子没有参入 合成的脂肪酸产物。合成脂肪酸的所有碳原子都来自乙酰 CoA。

最后一步是巴豆酰 ACP 还原成丁酰 ACP。这个反应的催化剂是烯酰 ACP 还原酶,还原剂是 NADPH (但是??氧化过程相应反应的电子受体是 FAD)。在很多产品(如牙膏、香皂、皮肤霜) 中添加的广谱抗生素三氯生是烯酰 ACP 还原酶抑制剂。 每轮最后三个反应(还原、脱水、再还原)将乙酰乙酰 ACP 转化成丁酰 ACP,完成一轮延伸。 动物多功能酶复合体合成脂肪酸 动物脂肪酸合成酶与大肠杆菌和植物不同在于动物的合成酶组分集中于一条多肽链上。 一个多肽链有 7 个不同的催化位点,有合成整个脂肪酸所需的所有酶促活性。 但是一条多肽链单体没有合成脂肪酸的活性。二聚体才有活性。 多功能酶 不同酶活性处于同一多肽链上。这样布局的优点是不同酶合成活性能够协同。此外,中 间体可以有效地从一个活性位点转移给另一个活性位点而不必离开酶蛋白。而且,共价连接不同 活性的酶比非共价结合的不同活性的复合物更稳定。 每个组分在原核生物都有相应的同源蛋白。 棕榈酸合成需要 8 分子乙酰 CoA,14 分子 NADPH,和 7 分子 ATP 柠檬酸携带线粒体的乙酰基进入细胞质,在细胞质内合成脂肪酸 在线粒体基质,乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合形成柠檬酸。当柠檬酸水平高,柠檬酸被运输到细胞质, 在细胞质内 ATP-柠檬酸裂解酶将柠檬酸裂解成乙酰 CoA 和草酰乙酸。 因此乙酰 CoA 和草酰乙酸自线粒体运往细胞质的代价是消耗一分子 ATP。同时经过一些反应将 NADH 的还原势能转化成 NADPH 的还原势能。 脂肪酸合成所需 NADPH 的来源 乙酰基团转移给细胞质形成的草酰乙酸必需返回线粒体。最重要的是,这个转化能够产生脂肪酸 合成所需的多数 NADPH。(略) 合成棕榈酸所需 8 分子乙酰 CoA 自线粒体运输到细胞质产生 8 分子 NADPH,由戊糖磷酸途径产 生另外 6 分子 NADPH。而糖酵解和氧化磷酸化提供 ATP,满足了脂肪酸合成需求。 脂肪酸合成抑制剂可能是有用的药物 脂肪酸合成酶抑制剂 能够减缓肿瘤的生长速度,明显地诱导细胞凋亡。使用这类抑制剂另一个现 象:用缩合酶抑制剂处理,小鼠体重明显降低。—脂肪酸合成酶抑制剂治疗癌症减肥。 22.5 乙酰 CoA 羧化酶在控制脂肪酸代谢方面起关键作用 乙酰 CoA 羧化酶 在调节脂肪酸合成和分解方面起关键作用。这个酶使二碳单位进入合成脂肪酸 的 不归路 。活性既受局部调节,又受激素调节。 乙酰 CoA 羧化酶受胞内环境调节 1 磷酸化使乙酰 CoA 羧化酶活性丧失。依赖于 AMP 的蛋白激酶(AMPK)能够将羧化酶转化成没 有活性的蛋白质。AMPK 相当于燃料计量器,受 AMP 活化、ATP 抑制。 能荷 。 羧化酶还受到柠檬酸别构激活。柠檬酸诱导的二聚体进一步聚合能够部分解除磷酸化对羧化酶活 性的抑制。当乙酰 CoA 和 ATP 很丰盛,柠檬酸的水平高,发出脂肪酸合成的原材料和能量都充沛 的信号。—柠檬酸对羧化酶的激活效应为棕榈酰 CoA 逆转。导致纤维状羧化酶解离成没有活性的 亚基;也能抑制柠檬酸从线粒体运往细胞质的转位酶,以及葡萄糖 6-磷酸脱氢酶(此酶催化戊糖磷 酸途径产 NADPH 的化学反应)。 2 脂肪酸分解方面。如果燃料丰盛,丙二酰 CoA 含量高,是心脏和肌肉肉毒碱酰基转移酶 I 的特 异性有效抑制剂,阻止酰基 CoA 进入线粒体基质。这些组织自身几乎不能合成脂肪酸。因此这些 组织内乙酰 CoA 羧化酶可能纯粹充当一种调节酶。 不同激素对乙酰 CoA 羧化酶活性的调节 这些激素能够反映机体的总体能量状态。胰岛素活化羧化酶活性、促进脂肪酸合成,而胰高血糖

素和肾上腺素的作用相反。 胰高血糖素和肾上腺素的调节作用。晨起即运动,糖原储存量很少,就开始动员脂肪。 饥饿或运动状态,胰高血糖素和肾上腺素水平上升,刺激脂肪细胞三酯酰甘油释放脂肪酸进入血 液。这些激素抑制/乙酰 CoA 羧化酶,从而抑制脂肪酸合成。这些激素作用的净结果是依赖于 AMP 的蛋白激酶活性受到抑制。原因 :AMP 的水平高传递出细胞能量水平低下的信号,而胰高血 糖素传递机体能量水平低下的信号,此时就不应该合成脂肪。肾上腺素传递机体需要迅速提供能 量的信号,强化了这种效应。因此这些代谢激素通过维持乙酰 CoA 羧化酶没有活性的磷酸化形式 来关闭脂肪酸合成途径。 胰岛素调节。运动结束并用餐之后,机体产生的胰岛素抑制脂肪酸动员,刺激脂肪细胞和肌肉细 胞积累三酯酰甘油。胰岛素激活/乙酰 CoA 羧化酶促进脂肪酸合成。胰岛素刺激一种蛋白磷酸酯酶 活性,后者脱去乙酰 CoA 羧化酶的磷酸基团从而活化羧化酶活性。 膳食的应答。改变脂肪酸合成酶的合成与降解速率能够长期控制。饥饿后喂食高糖、低脂肪食物 的动物在几天内能显著提升机体的乙酰 CoA 羧化酶和脂肪酸合成酶的酶量。这类调节叫 适应性控 制 。这种调节由胰岛素和葡萄糖介导,控制基因的表达水平。 22.6 附属的酶系统负责脂肪酸延长和不饱活化 脂肪酸合成酶的主要产物是棕榈酸。在真核生物内质网膜的细胞质面有一些酶参与合成更长 的脂肪酸,能够将二碳单位依次加入(不)饱和脂酰 CoA 的羧基端。酯酰 CoA 延长反应的二碳单位 供体是丙二酰 CoA。缩合反应的动力也是脱羧放 CO2。 膜结合的酶产生不饱和脂肪酸 内质网系统也能将双键引入长链酰基 CoA。例如硬脂酰 CoA 转化成油脂酰 CoA 的反应中,氧化 酶利用氧气和 NADH(或 NADPH)引入 cis-△9 双键。 此反应为三个膜蛋白构成的复合体催化。这三个膜蛋白分别是:NADH-细胞色素 b5 还原酶,细 胞色素 b5,和去饱和酶。首先 NADH 的电子传递给 NADH-细胞色素 b5 还原酶结合的 FAD,然后 细胞色素 b5 的血红素铁原子被还原成 Fe2+。随后去饱和酶的非血红素铁原子被还原成 Fe2+, 后者 能够结合氧气和饱和脂酰 CoA 底物。形成双键并释放两分子 H2O。 两个电子来自 NADH,另两个 电子来自脂肪酸单键。 哺乳动物不饱和脂肪酸是棕榈油酸(16:1)(??7)、油酸(18:1)(??9)、亚油酸(18:2)(??6)、 或亚麻酸(18:3)(??3)的衍生物。不饱和脂肪酸距离??末端最近双键所在碳原子数目可鉴定这个 不饱和脂肪酸的前体。 哺乳动物没有相应的酶在脂肪酸链 C-9 以外的碳原子处引入双键。因此不能合成亚油酸和亚麻酸。 是两个 必需脂肪酸 。 二十烷酸(eicosanoid)激素是多不饱和脂肪酸的衍生物 花生四烯酸是来自亚麻酸的 20:4 脂肪酸。这个分子是很多信号传导分子的前体。这些信号分 子有前列腺素;前列腺环素;血栓素;白三烯。 前列腺素是含有 20 碳原子的脂肪酸,分子内有一个五碳环。还原酶和异构酶产生了一系列前 列腺素。前列腺素的主要种类是 PGA 至 PGI,右下角的数字表示环外双键的数目。有两个双键的 前列腺素,如 PGE2,是花生四烯酸的衍生物。在形成五元环的过程中消除了两个双键。前列腺环 素和血栓素分别用前列环素合成酶和血栓素合成酶产生的,与前列腺素有关。此外,脂质氧合酶 作用能够将花生四烯酸转化成白三烯。白三烯最先在白细胞内发现,有三个共轭双键。因此,前 列腺素、前列腺环素、血栓素、和白三烯统称为 二十烷酸 。

前列腺素和其他的二十烷酸是局部激素,原因是寿命短。这些激素与 7TM 受体结合,能改变 激素合成细胞及邻近细胞的活性。这些激素对不同细胞的作用效果也许不同,这点与全身激素如 胰岛素和胰高血糖素是不同的。前列腺素刺激炎症、调节血液向特定器官的流动、控制离子的跨 膜运输、调节突触传导、何诱导睡眠。 阿司匹林能够阻止花生四烯酸转化为前列腺素 H2 酶的活性位点。由于花生四烯酸是合成前

列腺素、前列腺环素、和血栓素的前体,阻止这部反应能够干扰很多信号途径。阿司匹林能够阻 止这些途径,因此阿司匹林对炎症、发热、疼痛、和凝血等过程都有影响。

代谢:基本概念和设计 ATP 是细胞内主要的能量载体分子。ATP 的衍生物—两个能量载体分子 NAD+和 FAD。 脊椎动物肌肉的肌酸磷酸酐是高能磷酸库,能够将磷酸及时供给 ADP。实际上每次剧烈运动时, 都在用肌酸磷酸酐将 ADP 转化 ATP。该反应的催化剂是肌酸激酶。 实际上,100 米短跑(sprint)的前 4 秒时间内,ATP 再生的磷酸来源主要是肌醇磷酸酐。肌醇磷 酸能够将 ATP 库重新充满。当肌酸磷酸酐库消耗完后,只有经代谢制造 ATP 并不是所有的维生素都起辅酶作用,如维生素 A, C, D, E, K
代谢调节 控制酶量。酶编码基因的转录速度。例如在大肠杆菌,乳糖能够在几分钟内将??乳糖苷酶的合成 速度增加 50 倍以上。??乳糖苷酶是裂解乳糖(一种二糖)必需的一种酶。 控制催化活性。特别重要的是别构调节。例如,很多生物合成途径的第一个反应受该途径的最终 产物抑制。天冬氨酸转氨甲酰酶受 CTP 抑制,反馈抑制实例。另一种反复出现的机制是可逆共价 修饰。例如,在缺乏葡萄糖时,催化糖原断裂的第一个酶(即糖原磷酸化酶)特定位点的丝氨酸 发生磷酸化被活化。 代谢途径的很多反应受细胞的能量状态控制。 能荷 是细胞能量状态的一个参数。缓冲处于 0.85 ~ 0.95 内。 另一个能量状态参数用 磷酸化势能 表示。Phophorylation potential = [ATP]/{[ADP] + [Pi]} 与能荷不同,磷酸化势能有赖于游离磷酸的浓度,与 ATP 能提供的可利用自由能直接相关。 为什么活化载体(NADH,ATP,FADH2,和辅酶 A)都含有 ADP(腺苷二磷酸)?一个可能 的解释是这些分子来自早期 RNA 催化剂。非 RNA 成分如异咯嗪环是活化电子的有效载体,但 RNA 本身不执行携带电子的功能。FADH2 的腺嘌呤环与 RNA 催化剂(ribozyme)分子的尿嘧啶结合 (形成碱基配对)。当可变度更高的蛋白质替代 RNA 催化剂,核苷酸辅酶没有变化(因为它们适 于其代谢作用)。例如,无论是 NADH 的腺苷酸与 RNA 相互作用还是与蛋白质相应基团相互作 用,NADH 的烟酰胺都能执行电子转移的功能。随着蛋白催化剂的出现,这些重要的辅助因子成 为游离分子,没有丢失 RNA 世界所带有的腺苷二磷酸。

23 章 蛋白质转化和氨基酸代谢
膳食旦肠道消化和胞内旦胞内降解是细胞氨基酸的 稳定来源 。不需要的和损伤的蛋白质与一种小 分子蛋白(称为 泛素 )共价连接(作标记),被依赖于 ATP 的蛋白酶复合体降解。 过量氨基酸用作代谢燃料。氨基大多数经 尿素循环 转化成尿素,移去??氨基所形成的碳骨架作为 代谢中间产物被转化成葡萄糖和糖原。 23.1 蛋白质降解成氨基酸 食物蛋白在胃开始、在小肠完成降解 胃内酸性环境,助旦变性。与天然旦相比更易于为蛋白酶接近、是蛋白酶的更合适底物。胃蛋白 酶,非特异蛋白酶,最适 pH 2。 (1)胰脏将不同的蛋白酶前体分泌到肠道,在肠道转化成有活性的蛋白酶。这套蛋白酶有各种水解 特异性,能够将蛋白底物降解成游离 aa、二肽和三肽。(2)蛋白裂解酶,如结合于小肠细胞膜的氨 肽酶 N,进一步降解蛋白质。降解产生的氨基酸、二肽、和三肽经特异运输器运入肠道细胞,然 后将氨基酸释放至血液、供其它组织使用。 细胞蛋白质降解的速率不同 细胞内一直在进行旦合成和降解,这种过程叫 蛋白质转化 。```(1)尤其是参与代谢调控的旦寿命很 短,能够迅速降解成活性状态或关闭一种信号途径。(2)细胞必须消除损伤蛋白。 23.2 蛋白转化受严谨调节 泛素给需要降解的蛋白作标签 (真) 泛素蛋白 保守。泛素蛋白 C-端甘氨酸羧基与待降解旦共价连接。依赖 ATP 形成酰胺键。 过程连接需三个酶:泛素蛋白活化酶(E1);泛素蛋白-交联酶(E2);泛素蛋白-蛋白连接酶(E3)。(1) 泛素蛋白 C-端羧基与 E1 酶之间用硫脂连接。受 ATP 驱动,类似 脂肪酸活化 。 (2) 将活化泛素蛋白转移给 E2 酶的巯基。 (3) E3 酶催化将泛素蛋白自 E2 酶转移给目标蛋白??氨基。 四聚泛素蛋白与目标蛋白结合是旦需降解的主要信号。目标蛋白泛素化反应是连续反应:一个泛 素蛋白的 Lys48 的??氨基与另一泛素蛋白 C-端羧基结合产生一串泛素蛋白连接物。一个蛋白质泛 素化,决定信号。氨基端氨基酸残基决定细胞质旦的寿命,称为 N-端法则 。高度不稳定的 N-端残 基如 Arg/Leu,有助于旦快速泛素化;反之如 Met/Pro 不利。 E3 酶 阅读目标蛋白的 N-端残基。(多)(真)有 1 或多种 E1 酶,但(全)(真)有多种 E2/E3 酶。 E2 酶 属同一家族,而 E3 酶属三个家族.(因) 需标记目标蛋白品种很多,故需要很多 E3 蛋白。 三个实例 —E3 蛋白对正常的细胞功能重要。E3 蛋白活性缺乏,机体将产生蛋白积聚疾病,如 Parkinson 症的早期症状。E3 家族另一成员的缺乏产生 Angelman 症,患者精神障碍等。人乳头状 病毒(HPV)编码的一个蛋白质能够活化某一 E3 蛋白。此酶能够泛素化肿瘤抑制因子 P53 和参与

DNA 修复的其他蛋白质。结果,90%的感染者患 宫颈癌 。因此,不当地使用泛素蛋白标记目标蛋 白能够启动致癌事件。 蛋白酶体降解 Ubiquitin 标记的蛋白质 有个大蛋白酶复合体( 26S 蛋白酶体 )能够降解泛素化的蛋白质。它水解目标蛋白,释放泛素蛋 白。后者能够标记其他蛋白质。两个组分:20S 的催化亚基和 19S 的调节亚基。 19S 复合物的关键组分是六个 ATPase(通常称为 AAA 类 ATP 酶 )。ATP 水解协助 19S 复合物解 除底物折叠、诱导 20S 催化核的构像变化,使底物能够进入复合物中心。 除非底物能够进入催化亚基桶内,否则不裂解。这种方式是将蛋白裂解酶活性位点置于桶内,淬 灭其催化活性,保护潜在的底物蛋白。泛素蛋白可被重复利用,而肽段为细胞内其他蛋白酶裂解 成氨基酸。因此,泛素化途径和蛋白酶体协同作用清除不需要的蛋白质。 蛋白降解能够调节生物功能 Eg:控制炎症应答的蛋白质。 转录因子 NF??B (NF 表示细胞核因子)启动参与炎症反应的一些基因的 表达。其活化依赖其抑制蛋白(I??B,I 表示抑制剂)的降解。在应答炎症信号分子与膜受体结合 的过程中,I??B 的两个丝氨酸被磷酸化,制造出 E3 的结合位点。与 E3-结合导致 I??B 泛素化, 并被蛋白酶体降解,释放 NF??B。被释放的 NF??B 进入细胞核,促进目标基因的转录。 NF??B?I??B 系统 揭示了几个关键调节模块的互作:受体介导的信号传导途径、磷酸化、区室分 割、控制性和特异性降解、基因选择性活化。 最近获批地 bortezomib (Velcade) 突出体现了泛素化-蛋白酶体系统调节基因表达。 它是蛋白酶体 的二肽硼酸类抑制剂,能够治疗多发性骨髓瘤。 泛素化途径和蛋白酶体在原核生物有相应的组分 泛素化途径和蛋白酶体存在于所有真核生物。原核生物也有蛋白酶体的同源物质。 有些古生菌的蛋白酶体在结构上与(真)的颇为相似。但是古生菌的??外环单体和??内环单体完全相 同,而(真)属于 7 种不同形式的亚型之一。特异化使之具有不同的底物特异性。 虽然(原)没有泛素蛋白,但发现泛素蛋白的祖先。这些蛋白不参与蛋白质修饰,而参与辅酶硫胺 素的生物合成。硫胺素生物合成的关键酶是 ThiF。这个酶作为酰基腺苷酸活化蛋白质 ThiS,使后 者加入一个来自半胱氨酸的 S 离子。ThiF 与人的 E1 蛋白同源。(这个蛋白腺苷酸化的方式与泛素 化途径前面几步反应相似)。 因此,真核生物的蛋白质修饰系统来自原核生物已有的一个辅酶生物合成途径。 23.3 氨基酸降解的第一步是脱氨反应 脱去氨基后的 碳骨架 被转化成葡萄糖、柠檬酸循环的中间体之一、或乙酰 CoA。 (主) 肝脏,但肌肉也能降解分支 aa(Leu,Ile,和 Val)。 谷氨酸氧化脱氨反应将??氨基转化成铵离子 转氨酶中最重要的酶是 天冬氨酸氨基转移酶 ,催化 Asp 的氨基转移给??酮戊二酸。 丙氨酸转氨基酶,催化丙氨酸的氨基转移给??酮戊二酸。 这些转氨基反应是可逆的,因此也可以用相应的??酮酸合成这些氨基酸。 谷氨酸由 谷氨酸脱氢酶 催化得游离氨。(些)谷氨酸脱氢酶既能用 NAD+也能使用 NADP+。 肝脏 ,反应近平衡。因此反应的方向由反应物浓度和生成物浓度决定。与同合成尿素所需要的其 他酶一样,谷氨酸脱氢酶位于线粒体内。这种 区室隔离 能够淬灭游离氨的毒性。 反应机制:磷酸吡多醛与氨基转移酶形成西呋碱中间体 (全)转氨酶含辅基 PLP 。吡多醛磷酸是维生素 B6(吡多醇)衍生物。 转氨酶促反应的一半:氨基酸 1 + E-PLP ??酮酸 1 + E-PMP 转氨酶促反应另一半:即这个反应前半部分的逆反应。??酮酸 2 与酶-吡多胺磷酸复合物(EPMP)反应形成氨基酸 2,再生酶-吡哆醛磷酸复合物(E-PLP)。 吡多醛磷酸酶催化各种各样的化学反应

PLP 酶能催化氨基酸??碳原子的脱羧反应、脱氨反应、消旋反应、和醛裂解反应。此外,PLP 酶 还能催化氨基酸底物的??碳原子(如色氨酸合成酶)和??碳原子的消除和替代反应。PLP 酶催化反 应虽然不同,但有三个共同特征。 5. 氨基酸底物的氨基和 PLP 的羰基之间形成西呋碱。 6. 质子化形式的 PLP 作为电子沉淀槽稳定带负电荷的催化中间体。中间体的电子被带正电荷的 环 N 原子吸引。换句话说,PLP 是亲电催化剂。 7. 反应结束时,西呋碱被裂解。 很多催化氨基酸转化的 PLP 酶,都有相似的结构,很明显是来自同一祖先的差异化进化产物 /// 其他的 PLP 酶,如色氨酸合成酶,其结构差异很大,但是这些酶的活性位点与天冬氨酸转氨基酶 显著相似,显示它们是同一进化的产物。 丝氨酸和苏氨酸能直接脱氨 丝氨酸和苏氨酸的??氨基无需转移给??酮戊二酸,直接转化成 NH4+。这些反应的催化剂是丝氨 酸脱氢酶和苏氨酸脱氢酶,辅基 PLP。 丝氨酸脱氢的氢原子来自??碳原子和??碳原子的羟基,产生氨基丙烯酸。后者不稳定,与水反应 生成 NH4+和丙酮酸。因此,有羟基与??碳原子连接的氨基酸能够直接脱氨。 外周组织将 N 运往肝脏 其他组织(肌肉)也能降解氨基酸,但是缺乏肝脏所具备的尿素循环酶。因此释放的 N 必须生成肝 脏能够吸收的形式,经肝脏吸收后转化成尿素。(主)两种。 1 葡萄糖-丙氨酸循环 。转氨基反应生成谷氨酸,再次转氨得丙氨酸,后者进入血液。肝脏摄取丙 氨酸。重新转氨生成丙酮酸。丙酮酸可用于葡萄糖异生,而氨基转化成尿素。此循环与 Cori 循环 相似。(异)丙酮酸没有被 NADH 还原成乳酸,因此有更多高能电子用于氧化磷酸化。 2 转化成 Gln。谷氨酰胺合成酶催化反应依赖于 ATP,将谷氨酸和 NH4+转化成谷氨酰胺。 在肝 脏内谷氨酰胺的 N 可以被转化成尿素。 23.4 大多数陆生脊椎动物将 NH4+转化成尿素 (多)陆生脊椎动物将过量的 NH4+转化成尿素,外排。这些生物被称为外排尿素的生物。 尿素循环 。发现的第一例循环代谢途径。2 个 N 来自天冬氨酸/游离 NH4+,C 来自 HCO3?。 氨甲酰磷酸的形成起始尿素循环 NH3 是强碱,aq 中 NH4?形式。但氨甲酰磷酸合成酶只用 NH3 作为底物。 3 步 :HCO3?磷酸化形成 羧基磷酸;与 NH3 反应形成氨基甲酸;第 2 个 ATP 将羧基磷酸化,形成氨甲酰磷酸。反应消耗 2 分子 ATP,为不可逆反应。 (哺)氨甲酰磷酸合成酶的活性需要 N-乙酰谷氨酸。 氨甲酰磷酸的氨甲酰基有很高的转移势能,原因在于这个分子含有酸酐键。 将氨甲酰基转移给鸟氨酸形成瓜氨酸。鸟氨酸转氨甲酰酶催化。(但 2 者不可做旦合成原料) 谷氨酸脱氢酶 NH4?以氨气的形式整合到氨甲酰磷酸分子中,随后在线粒体基质合成瓜氨酸。相反, 尿素循环的其他三步反应(形成尿素)是在细胞质进行。 合成精氨琥珀酸,精氨琥珀酸合成酶。能量 ATP 水解成 AMP 和 PPi 。 精氨酸被水解产生尿素和鸟氨酸,精氨酸酶。鸟氨酸被重新转移至线粒体,尿素外排。 尿素循环与葡萄糖异生关联 合成 1 分子尿素实际消耗了 4 分子 ATP。 尿素循环、葡萄糖异生、和草酰乙酸转氨基反应为延胡索酸和天冬氨酸关联在一起。 尿素循环酶在进化上与其它代谢途径的酶有联系 氨甲酰磷酸合成酶:尿素循环和嘧啶生物合成。(哺)有 2 种同功酶,分别用于 2 个反应。后 者之(异):(1)利用谷氨酰胺作为 N 源,非 NH3。(2)是 CAD 大型多肽的一部分。CAD 有三种 不同的酶活性:氨甲酰磷酸合成酶、天冬氨酸转氨甲酰酶、氨甲酰天冬氨酸脱水酶。这三种酶活 性都参与嘧啶生物合成反应的催化。有趣的是,谷氨酰胺脱氢酶结构域在鸟氨酸循环酶中大多被 保留下来,但这个结构域在尿素循环酶没有活性。

结合 N-乙酰谷氨酸,别构活化酶活性。若 aa 分解代谢速率提高,则合成 N-乙酰谷氨酸。N-乙 酰谷氨酸发出“游离 aa 分解代谢产生的铵离子必需处理”的信号。一个同功酶的催化位点进行 了调整,充当具有不同生理作用的另一同功酶的别构调节位点。 鸟氨酸转氨甲酰酶与天冬氨酸转氨甲酰酶同源。两者催化亚基结构很相似。 之后反应的酶与精氨酰琥珀酸合成酶和精氨酰琥珀酸酶分别同源。 因此尿素合成的 5 个酶中有 4 个是核苷酸合成酶发生改变的产物。 尿素循化的遗传缺陷导致高血氨、损伤大脑 氨基甲酰磷酸合成或尿素循环四步反应任一受阻将导致灾难,原因在于没有其它途径合成尿素。 尿素循环的任何缺陷都回提升血液的铵离子水平(高血氨症)。 致病原因:铵离子浓度高,形成 Gln 的浓度也高,产生渗透效应,直接导致大脑膨胀。 治疗尿素合成缺陷疾病的巧妙策略。 例如,精氨酰琥珀酸酶缺乏者—治疗方案是膳食限制蛋白质总量、但提供过量的精氨酸。肝脏能 够将精氨酸裂解成尿素和鸟氨酸,鸟氨酸与氨甲酰磷酸反应形成瓜氨酸。后者与天冬氨酸缩合产 生精氨酰琥珀酸。精氨酰琥珀酸/外排。本质上是用它替代尿素将 N 原子排出。 例如,氨甲酰磷酸合成酶或鸟氨酸转氨甲酰酶缺陷—```此时过量 N 原子以甘氨酸和谷氨酰胺的形 式积累。膳食限制蛋白质含量,提高苯甲酸和苯乙酸含量。苯甲酸被活化成苯甲酰 CoA,后者与 甘氨酸反应生成马尿酸外排。类似地,苯乙酸被活化成苯乙酰 CoA,后者与天冬酰胺反应生成苯 乙酰谷氨酰胺。因此活化潜在的生物化学途径能够部分旁路遗传缺陷。 尿素不是处理过量 N 的唯一方式 排尿素生物和排铵离子生物外排 N 原子都依赖足量的水,只是两者对水的需求量有差异。相反, 排尿酸的生物,如鸟类和爬行动物排出的尿酸像土壤泥浆,几乎不需要水分。另一个优点是一分 子尿酸能够排出 4 个 N 原子。生命进化中 N 原子外排途径取决于生物的栖息地。 23.5 降解氨基酸的碳原子成为主要的代谢中间物—7 种 能够转化成乙酰 CoA 或乙酰乙酰 CoA 的 aa 叫 产酮氨基酸 ,可以产生酮体或脂肪酸。能够降解成 丙酮酸、??酮戊二酸、琥珀酰 CoA、延胡索酸、或草酰乙酸的氨基酸称为 葡糖异生氨基酸 。可以 转化成葡萄糖。哺乳动物不能用乙酰 CoA 合成葡萄糖。 亮氨酸和精氨酸是纯粹的酮体氨基酸。 异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸既是生酮氨基酸,又是生糖氨基酸。 其余 14 种氨基酸是纯粹的生糖氨基酸。采用的进入代谢途径的入口来确定 aa 的降解途径。 丙酮酸是一些氨基酸代谢的切入口 丙酮酸—丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、苏氨酸、色氨酸降解 草酰乙酸是天冬氨酸和天冬酰胺进入主流途径的入口 天冬酰胺经天冬酰胺酶催化,水解生成铵离子和天冬氨酸。天冬氨酸转氨生成草酰乙酸。 尿素循环 . 天冬氨酸转化成延胡索酸。延胡索酸是酪氨酸和苯丙氨酸骨架的一半碳原子进入主流 代谢途径的入口。 ???酮戊二酸是五碳原子 aa 进入主流代谢的入口 这些氨基酸转化成谷氨酸,然后用谷氨酸脱氢酶催化脱氢,生成???酮戊二酸。 组氨酸```亚胺甲基被转移给四氢叶酸,同时产生谷氨酸。 谷氨酰胺被谷氨酰胺酶水解。脯氨酸和精氨酸谷氨酸???半醛,后者被氧化生成谷氨酸。 琥珀酰 CoA 是几种非极性氨基酸加入主流代谢的切入口。 甲硫氨酸、异亮氨酸、和缬氨酸:先得丙酰 CoA、后得甲基丙二酰 CoA。 奇数碳原子脂肪酸氧化过程也使用了丙二酰 CoA 合成琥珀酰 CoA 的途径。

甲硫氨酸降解需要形成关键的甲基供体,S-腺苷甲硫氨酸 甲硫氨酸 转化成琥珀酰 CoA 需九步反应:(1)甲硫氨酸腺苷化生成 SAM (通用甲基供体);SAM 丢 失甲基和腺苷基团形成高丝氨酸,后者形成??酮酸。受??酮酸脱氢酶复合物催化,氧化脱羧形成 琥珀酰 CoA。

(注意:下页内容移至 25 章)

24 章 氨基酸的生物合成 由于哺乳动物缺乏一些 aa 的生物合成酶,但存在于植物和微生物,因此这些酶成为除草剂和抗生
素作用的主要靶标。 氨基酸生物合成需要解决三个问题 固氮得氨,可先用以合成谷氨酸,再合成其它 aa。 糖酵解、戊糖磷酸途径、或柠檬酸途径能够提供 aa 合成所需的碳骨架。 立体选择性。除 Gly,19 种 aa 均手性(??C只 L-型)利用 PLP 辅基的转氨酶促反应建立。 反馈调节和别构调节保证所有 20 种 aa 浓度水平足以支持旦合成等相关过程。 24.1 N 固定:微生物利用 ATP 和一种强还原剂将大气的 N2 还原成氨气 生物固氮由一些细菌和古生菌执行。共生细菌根瘤菌侵入豆科植物根部形成根瘤。根瘤固氮,既 供应细菌也供应植物使用。 需要一个具有多重氧化还原中心的酶复合物,即 固氮酶 。含两种旦: 电子自铁氧还蛋白经还原酶( 铁蛋白 )到达固氮酶( 钼铁蛋白 )将 N2 还原成 NH3。 固氮酶复合物受 O2 的强烈抑制。豆科植物根部 豆血红蛋白 结合 O2,使根部的游离 N2 浓度很低。 豆血红蛋白与血红蛋白同源。 光合成系统或氧化过程产生还原型铁氧还蛋白,供 8 个电子。每转移 2 个电子需要水解 2 分子 ATP。因此还原 1 个 N2 至少要水解 16 个 ATP。 固氮酶的铁钼辅助因子结合并还原大气的 N2 2 组分都是铁硫蛋白 (Cys 残基)。铁硫簇是电子载体。 #还原酶组分:自适当的电子供体(如还原型铁氧还蛋白)将电子转移给固氮酶。铁硫簇携带电 子转移给固氮酶。还原酶结合/水解 ATP 驱动构象变化将还原酶组分移动到固氮酶组分附近, ATP 结合区域与 G 蛋白的核苷酸结合位点明显相关。 又一例进化过程中常用的结构域,用以构建可将(ATP 水解和结构变化)相偶联的蛋白质。 用铵离子合成谷氨酸和谷氨酰胺,从而利用铵离子 (多)aa 的??氨基来自谷氨酸(转氨酶促反应)。谷氨酰胺是另一主要的 N 供体。 NH4+/??酮戊二酸得谷氨酸. 谷氨酸脱氢酶 .还原剂 NADPH, (些)NADH .在分解代谢中,NAD+为氧化 剂。 谷氨酰胺合成酶 ,得谷氨酰胺。耗 1 个 ATP。ATP 直接磷酸化谷氨酸侧链的羧基,形成酰基磷酸 中间体。后者与铵离子反应生成谷氨酰胺。 ——所有生物都有这两种酶。 #(多)(原)谷氨酸合成酶,催化??酮戊二酸/谷氨酰胺得 2 谷氨酸。当 NH4+有限,则依次用谷氨酰 胺合成酶和 谷氨酸合成酶 ,制造大多数谷氨酸。总反应是:
NH4+ + ??酮戊二酸 + NADPH + ATP 谷氨酸 + NADP+ + ADP + Pi

它与谷氨酸脱氢酶(异):有 ATP 水解。(因):谷氨酸脱氢酶对 NH4+的 Km 太高,当 NH4+浓度有 限,常处于不饱和状态。相反,谷氨酰胺合成酶对 NH4+亲和性很高。故 NH4+浓度低时,耗

ATP 以捕获 NH4+。 14.2 从柠檬酸循环和其他主要代谢途径的中间体形成氨基酸 其他 aa 的生物合成。(同):碳骨架来自糖酵解、戊糖磷酸途径、和柠檬酸循环途径的中间体。基 于碳骨架的来源,氨基酸可以分为六类。 人类能够合成一些氨基酸但必须从膳食获得其他的氨基酸 即使一种 aa 缺乏也会导致 N 的负平衡。此时分解旦比合成多,外排 N 比摄取 N 更多。 非必需 aa 的合成非常简单,但必须 aa 合成途径相当复杂。这种模式的 唯一例外是精氨酸 。这个 不必需氨基酸的合成需要 10 步反应。如果从尿氨酸开始,则只要 3 步反应即可生成精氨酸。酪氨 酸被归类为非必需氨基酸,因为一步反应就能将苯丙氨酸转化成酪氨酸。但是,如果苯丙氨酸含 量不足,则需要 10 步反应合成酪氨酸。 将氨基加入相应的??酮酸,生成天冬氨酸、丙氨酸、和谷氨酸 3 种??酮酸:??酮戊二酸、草酰乙酸、和丙酮酸,一步加氨反应就可以转化成氨基酸。 这些反应由依赖于吡多醛磷酸的转氨酶催化。大多数 aa 的生物合成需转氨酶促反应。 所有氨基酸手性由同一反应步骤决定 天冬氨酸转氨基酶 是依赖于 PLP 酶的原型。转氨酶都是天冬氨酸转氨酶差异进化的产物。有两个 保守 aa ,即与 PLP 形成西呋碱的赖氨酸;与酮酸的??羧基作用的精氨酸。 转氨酶反应合成氨基酸。(1)在转氨酶内部的醛胺与谷氨酸经过多步反应转化成吡多胺磷酸 (PMP)。(2)PMP 再与??酮酸反应产生酮胺。(3)此酮胺转化成琨型中间体(4)。琨型中间 体有产生分子外醛胺。(5)醛胺断裂,释放新形成的氨基酸完成整个反应。 天冬氨酸经过腺苷酸中间体转化成天冬酰胺 *** 细菌合成天冬酰胺,与谷氨酰胺合成途径(异): ATP 的水解产物是 AMP/PPi 。天冬氨酸的活化是腺苷酸化而不是磷酸化。 (哺)合成天冬酰胺的 N 供体不是 NH4+,而是谷氨酰胺。(优点):细胞不用暴露于 NH4+。毒性 谷氨酸是谷氨酰胺、脯氨酸、和精氨酸的前体 谷氨酸的??羧基与 ATP 反应生成酰基磷酸。再用 NADPH 将这个混合酸酐还原成醛基。 环化脱水生成···。此反应不需要酶催化。用 NADPH 还原生成脯氨酸。 此外,半醛衍生物也可经转氨生成瓜氨酸。后者经过几步反应生成精氨酸。 3-磷酸甘油酸是丝氨酸、半胱氨酸、和甘氨酸的合成前体 第一步反应转化成 3-磷酸羟基丙酮酸。经过转氨得 3-磷酸丝氨酸,水解成丝氨酸。 丝氨酸是甘氨酸和半胱氨酸的前体。形成甘氨酸—丝氨酸侧链的次甲基转移给四氢叶酸。丝氨酸 羟甲基转移酶,PLP 酶,与天冬氨酸氨基转移酶同源。 四氢叶酸 携带的一碳单位有几个氧化水平 四氢叶酸(也称四氢蝶呤谷氨酸)是活化的一碳单位载体。这个辅助因子有三个基团:替代蝶呤, p-氨基苯甲酸,一或多个谷氨酸残基。哺乳动物只能从食物或肠道微生物获取。 一碳单位有三种氧化形式。最高的还原形式是次甲基(-CH2-),氧化度更高的一碳单位分别是甲 酰基(-CHO),亚胺甲基,或烯甲基。 完全氧化的一碳单位是 CO2,用生物素携带 。 这些四氢叶酸衍生物充当一碳单位的供体,用于生物合成反应。(1)将 N5-甲基四氢叶酸的甲基转 移给高半胱氨酸,再生甲硫氨酸。(2)嘌呤的一碳原子来自 N10-甲酰四氢叶酸。(3)胸腺嘧啶的甲基 来自 N5,N10-甲叉四氢叶酸。(4)也可与 CO2 和 NH4+一道,在甘氨酸合成酶(逆反应时,此酶也称 甘氨酸裂解酶)催化下合成甘氨酸。合成甘氨酸的另一条途径。 在降解过程中,四氢叶酸充当一碳单位的受体。主要来源 丝氨酸易于转化成甘氨酸,同时产生 N5,N10-甲叉四氢叶酸。 丝氨酸羟甲基转移酶,PLP 酶,与天冬氨酸氨基转移酶同源。 S-腺苷甲硫氨酸是主要的甲基供体 大多数生物合成的甲基不是 来自四氢叶酸携带的甲基(N5 原子携带的甲基转移势能低)。活化的甲

基供体通常是 SAM。 ATP 的 腺苷 转移给甲硫氨酸的 S 原子,生成 SAM。 S-腺苷甲硫氨酸生物合成(特别):ATP 的三个磷酸被裂解成焦磷酸和磷酸。SAM 的甲基被转移给 受体后,生成 S-腺苷高半胱氨酸,后者被水解成腺苷和高半胱氨酸。 在甲硫氨酸合成酶(也称为高半胱氨酸甲基转移酶)催化下, N5-甲基四氢叶酸将甲基转移给高 半胱氨酸,再生甲硫氨酸。 活化甲基循环 (哺)依赖于 B12 的两种酶:甲硫氨酸合成酶;··· DNA 甲基化。需要甲基化的碱基从 DNA 双螺旋翘出,深入 DNA 甲基化酶的活性位点。在活性 位点接受 S-腺苷甲硫氨酸的甲基。很多依赖于 SAM 的甲基化酶都有 S-腺苷甲硫氨酸结合域。 丝氨酸和高半胱氨酸合成半胱氨酸 活化甲基循环除了提供甲硫氨酸合成前体之外,高半胱氨酸也是半胱氨酸合成的中间体。 高半胱氨酸水平高与血管疾病有关 血浆高半胱氨酸或其二聚体(s-s)含量增加者,患冠状动脉疾病的风险非常高。 编码胱硫醚??合成酶的基因发生突变是最常见的高半胱氨酸症。高半胱氨酸水平增加破坏血管壁 细胞、增加血管平滑肌的生长。氨基酸水平增加也增加氧化压力。///可以用维生素降低有些人群的 高半胱氨酸水平。增加维生素使加工高半胱氨酸的两个代谢途径活性最大化。(1)PLP(VB6 衍)是胱 硫醚??合成酶辅因子,催化反应将高半胱氨酸转化成胱硫醚; (2)四氢叶酸及维生素 B12 提供甲基使其转化成甲硫氨酸。 莽草酸和分支酸是合成芳香氨基酸的前体 人体膳食所含有的必需氨基酸本质上来自植物。例如:细菌的芳香氨基酸合成。 大肠杆菌合成苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的途径相同。分支酸是这三种氨基酸的共同前体。 N-磷 酰甲基甘氨酸一种广谱除草剂,是产生 5-烯醇式丙酮莽草酸 3-磷酸的非竞争性抑制剂。这个药物 阻止植物的芳香氨基酸合成,但是对动物没有毒性(因)动物没有相关合成酶。 24.3 反馈抑制调节氨基酸生物合成 氨基酸生物合成速率—参与氨基酸合成的酶活性和酶量。现在介绍酶活性控制。 (大肠)丝氨酸的生物合成。 3-磷酸甘油酸脱氢酶。同源四聚体。每个亚基有两个结构域,分别是 催化结构域和与丝氨酸结合的调节结构域。丝氨酸为负效应物,与四个丝氨酸结合的四聚体基本 上无酶活性。故胞内丝氨酸含量高,酶活性受到抑制,防浪费 3-磷酸甘油酸。 分支途径需要精细调控 1 反馈抑制与激活。两个途径的起始步骤共用时,一种产物将抑自身途径,同时活化另一途径。例 如,缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸合成。共同的中间体是羟乙基 TPP。羟乙基 TPP 与??酮丁酸反应, 最后生成异亮氨酸;羟乙基 TPP 与丙酮丁酸反应,最后生成缬氨酸和亮氨酸。因此??酮丁酸和丙 酮丁酸的相对浓度决定合成多少异亮氨酸(与亮氨酸和缬氨酸相比)。 苏氨酸脱氨酶 PLP 酶,催化苏氨酸脱氨形成??酮丁酸。 受 Ile 别构抑制/Val 别构激活 。 因此这个没受到自身途径的终产物抑制,但受到竞争途径的终产物激活。 2 酶的多样性。决定代谢命运的酶促反应—— 同功酶 催化。例如天冬氨酸磷酸化是合成苏氨酸、甲 硫氨酸、和赖氨酸的决定步骤。大肠杆菌有三种酶催化天冬氨酸磷酸化。 3 累计反馈抑制。决定命运的同一反应步骤为各种最终产物部分抑制。 例如:大肠杆菌 谷氨酰胺合成酶 。催化,利用谷氨酸、NH4+、和 ATP 合成谷氨酰胺。为同源 12 聚体,此酶调控 N 的流动,在控制细菌代谢方面起关键作用。累积性抑制过程中,每种抑制剂 都能抑制酶的活性(即使这个酶所结合的其它抑制剂已经达到饱和浓度)。当所有最终产物都与 谷氨酰胺合成酶结合时,酶活性几乎完全受到抑制。 酶促级联反应调控谷氨酰胺合成酶活性 谷氨酰胺合成酶活性也受到可逆共价修饰修饰的调节。 为什么用酶促级联反应调控谷氨酰胺合成酶活性?(1)能够放大信号,如同血液凝固和糖原代谢控 制。(2)级联反应的各种酶是调控过程的独立靶点,这样别构调节的能力增大。 24.4 氨基酸是很多生物分子的合成前体

DNA、RNA、和众多辅酶的前体,即嘌呤和嘧啶,其主要原料是氨基酸。鞘氨醇(合成鞘氨酯的 中间体)的末端来自丝氨酸。组胺是很强的血管收缩剂,是组氨酸脱羧的产物。 酪氨酸是甲状腺素、肾上腺素、黑色素的前体。神经递质 5-羟色胺和 NAD+的烟酰胺环来自色氨 酸。 现在我们详细讨论用氨基酸合成三种重要的生物化学物质。

充当巯基缓冲液和抗氧化剂的谷胱甘肽 谷胱甘肽是含有巯基的三肽化合物。 1 动物细胞内谷胱甘肽浓度很高,约 5mM。这些谷胱甘肽能够充当巯基缓冲液,能够保护血液细 胞免受氧化损伤。 谷胱甘肽还原酶 。黄素酶,电子供体 NADPH。大多数细胞内 GSH/GSSG>500。 2 脱毒。GSH 能够与需氧生物产生的毒性副产物反应,如过氧化氢/过氧化有机物。 谷胱甘肽过氧化物酶 。这个酶活性位点有一个半胱氨酸的硒衍生物,即硒代半胱氨酸。 精氨酸形成的 NO 是短命的信号分子 NO 是脊椎动物信号传导的一个重要分子,例如可以刺激线粒体生成。 1 NO 合成酶 催化,精氨酸经过复杂反应生成 NO。需要 NADPH 和 O2 。 2 NO 与可溶性鸟苷酸环化酶结合活化/鸟苷酸环化酶。信号传导途径的一个重要酶。此酶与腺苷酸 环化酶同源,但是结合 NO 的结构域有血红素。 用甘氨酸和琥珀酰 CoA 合成卜啉环 氨基酸参与血红素和叶绿素卜啉环的生物合成。进食 N15-标记的甘氨酸,放射性同位素参入血红 素中,而进食 N15-标记的谷氨酸,血红素几乎没有 N15-标记。 高度特征性标记类型使 Shemin 提出,血红素分子是甘氨酸和活化的琥珀酸缩合形成。 实际上,哺乳动物生物合成卜啉环的第一个反应是甘氨酸与琥珀酰 CoA 的缩合,形成??氨基乙酰 丙酸。??氨基乙酰丙酸合成酶,存在于线粒体,PLP 酶。 两分子??氨基乙酰丙酸缩合形成胆色素原(porphoblinogen)。随后四个胆色素原头尾结合,缩合 成线状四吡咯。这个反应由胆色素原脱氨酶催化(porphoblinogen deaminase)。在协合酶 (cosynthase)催化下,与酶蛋白结合的线状四吡咯环化形成尿卜啉原 III,这个化合物的侧链不对 称排列。只有合酶存在时,会产生一种对称排列的尿卜啉原 I 异构体,后者不是生理产物。尿卜啉 原 III 也是维生素 B12 和叶绿素合成的关键中间体。。细菌合成维生素 B12,细菌和植物合成的叶 绿素的生化途径都有尿卜啉原 III(图 24.30)。 形成卜啉骨架后,后续反应能够改变卜啉的侧链和不饱和度(图 24.29)。乙酸侧链脱羧形成 粪卜啉原(coproporhyrinog)III。卜啉环去饱和,两个丙酸侧链转化成乙烯基,产生原卜啉 IX。 鳌合铁生成血红素。肌红蛋白、血红蛋白、过氧化氢酶、过氧化物酶、何细胞色素 c 的辅基都是血 红素。铁鳌合酶催化将二价铁离子插入原卜啉原 IX。转铁蛋白能结合两个铁离子,将铁运入血浆。 铁蛋白(ferritin)在相应组织储存铁。铁蛋白有一个直接约 80A 的洞穴,可以容纳 4500 铁离子 (31.4 节)。 Shermin 摄入 15N-标记甘氨酸,其 15N-标记血红蛋白的时间过程显示,正常人的红细胞寿命约 120 天。血红素降解首先是环之间的次甲基桥断裂,形成绿色色素 biliverdin(胆绿素)。胆绿素是 线状四聚吡咯。胆绿素还原酶将这个化合物还原,生成 bilirubin(胆红素)。胆红素有红色(图 24.31)。撞伤(bruise)处出现的颜色变化显示出现了血红色分解反应。

遗传性卜啉代谢紊乱积累卜啉
卜啉症(porphrias)是遗传性或获得性疾病。病因是血红素生物合成途径相应酶缺陷。卜啉 在肝脏和红血球合成,任意位置都可能出现障碍。先天性红细胞卜啉症患者则破坏红细胞过早, 病因是协合酶缺乏。合成尿卜啉原 III 伴随着大量尿卜啉原 I 的生成,而尿卜啉原 I 是毫无用处的

一种异构体。这样积累了尿卜啉原 I、粪卜啉 I、和其他对称分子。患者尿液因外排大量的尿卜啉 原 I 而呈红色。在紫外光下,患者牙齿呈强烈的红色荧光(因为患者累积卜啉)。而且他们的皮肤 对光照非常敏感,因为光激活的卜啉非常活泼。急性周期性卜啉症(acute intermittent porphoyria)患者大多累及肝脏。患者合成胆色素原(porphoblinogen)和??氨基乙酰丙酸过量,导致 腹部剧疼、神经异常。在美洲革命时期英王乔治 III 世环此疾病,被人们认为是疯子一个。

第 25 章 核苷酸生物合成
合成核苷酸的关键酶之一是二氢叶酸还原酶。Methotrexate 是二氢叶酸还原酶的抑制剂。有 methotrexate 存在时,细胞的二氢叶酸还原酶基因的拷贝数增加。 核苷酸可以从头合成,也可以用挽救途径合成 挽救途径 碱基被回收与(PRPP 核糖的活化形式)的核糖重新连接。 从头合成途径 碱基是利用简单的起始物质合成的。需 ATP。 在合成途径的最后一步加入甲基以区分 DNA 的胸腺嘧啶和 RNA 的尿嘧啶。 25.1 从头合成,嘧啶环是利用碳酸、天冬氨酸、和谷氨酰胺组装的 先碱基环,后连接核糖磷酸。用碳酸、天冬氨酸、和氨组装嘧啶。 碳酸和其他碳氧化物经磷酸化活化 (嘧啶从头合城)第一步是碳酸和氨经多步得氨甲酰磷酸。需 2 个 ATP。 氨甲酰磷酸合成酶 (CPS)。 酶有两个同源结构域,每个结构域负责一个依赖于 ATP 的化学反应的催化。 注意此酶蛋白含有 三个活性中心 :(1)Gln 水解产生氨。(2)一个 ATP-grasp 结构域中碳酸被 ATP 磷酸 化形成 羧基磷酸,与氨反应得氨基甲酸。(3)另一个氨基甲酸被磷酸化成胺甲酰磷酸。 谷氨酰胺侧链的水解产生氨 氨甲酰磷酸合成酶的主要氨源。 谷氨酰胺水解酶 活性位点含有 Cys/His 构成的催化双体,类似半胱 氨酸蛋白酶活性位点,在酰胺转移酶家族(包括 CTP 合成酶和 GMP 合成酶)保守。 中间体在活性位点之间用通道运输 酶有三个活性位点。这些中间体在活性位点之间的转运途径是 通道 。作用:(1)一个位点产生的中 间体不会因扩散造成损失,而是直接为下一个活性位点捕获;(2)不稳定的中间体,如羧基磷酸 和胺甲酸受到保护,不会被水解。 乳清酸与 PRPP 反应生成乳清酸核苷酸(一种嘧啶核苷酸),接着转化成尿苷酸 天冬氨酸转胺甲酰酶 氨甲酰磷酸与 Asp 反应得氨甲酰天冬氨酸。 再环化,生成二氢乳清酸,经 NAD+氧化得乳清酸。和 PRPP 的核糖缩合得乳清酸核苷酸。受 PPi 水 解驱动,嘧啶磷酸核糖转移酶。与别的磷酸核糖转移酶同源,可将不同基团加入 PRPP,形成各种 核苷酸。乳清酸核苷酸随后脱羧,形成 尿苷酸(UMP) ,乳清酸核苷酸脱羧酶。 乳清酸核苷酸脱羧酶是已知的催化效率最高的酶之一。

核苷单磷酸、二磷酸、和三磷酸可以相互转化 核苷单磷酸激酶 以 ATP 作为磷酸供体将 NMP 转化成 NDP。( UMP 激酶 将 UMP 转化成 UDP) 核苷二磷酸激酶 可将 NDP 和 NTP 进行相互转化。(异)其底物特异性宽泛。X 和 Y 表示核糖核苷酸 或脱氧核糖核苷酸:XDP+YDP ←→ XTP+YDP (可逆) # UTP 氨基化生成 CTP —类似氨甲酰磷酸合成模式,反应需 ATP,氨源于 Gln。 25.2 嘌呤碱基可以从头合成,也可以经挽救途径重复使用 挽救途径节约胞内能量—在嘌呤缺乏时作用显著。 核苷酸转化或膳食来源的嘌呤碱基,可与 PRPP 连接形成嘌呤核苷单磷酸,类似乳清酸核苷酸的生 成反应。两个挽救酶: 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 催化腺苷酸(AMP)生成反应; 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 催化鸟苷酸(GMP)和次黄嘌呤核苷酸(IMP)形成反应。 # 嘧啶碱基有类似的挽救途径。嘧啶磷酸核糖转移酶能够将尿嘧啶碱基(而不是胞嘧啶碱基)与 PRPP 连接。 嘌呤环是在核糖磷酸上组装的 起始的决定命运的反应是氨替代 PRPP 的焦磷酸,产生 5-磷酸核糖-1-胺。 谷氨酰胺磷酸核糖转氨基酶 。有两个结构域:(1)与挽救途径的磷酸核糖转移酶同源,(2)将 Gln 水 解产生氨,但与氨甲酰磷酸合成酶对应结构域明显不同。为了阻止底物无意义的浪费性水解,氨 基转移酶采用的构型是只有同时结合 PRPP 和谷氨酰胺时才有活性。类似胺甲酰磷酸合成酶, 谷氨 酰胺水解产生的氨经过通道到达 PRPP 进行反应,而不会释放到溶液中。 连续的磷酸化活化接着替代,组装嘌呤环 1 形成肌苷酸(即次黄嘌呤核苷酸,IMP)。 2 (从头合成嘌呤的)中间体多不稳定,水溶液中迅速降解。 一种假设 :只有相应中间物存在时,这 些酶蛋白才形成复合物,有复杂的底物运输 通道 。底物诱导酶蛋白构象变化所致。 3 IMP 接着被转化成 AMP 和 GMP 25.3 核苷酸经过自由基机制还原生成脱氧核糖核苷酸 核苷酸还原酶 负责所有四种核苷二磷酸(NDP)的还原。不同生物的核苷酸还原酶有显著差异。但是 详细研究显示这些酶有共同的反应机制,三维结构同源。 酶促反应机理:酪氨酸残基是核糖核苷酸还原酶作用的关键 其活性位点有 三个关键的 Cys 和一个 Glu 。每个 R2 亚基有一个酪氨酸自由基能够接受活性位点半 胱氨酸残基的电子,启动还原反应。···为了完成整个还原反应,氧化型硫氧还蛋白必须被 NADH 还 原,此反应为硫氧还蛋白还原酶催化。 原型酶易于被氧失活,而近代酶如大肠杆菌的核苷酸还原酶利用氧产生酶蛋白起始的酪氨酸自由 基。注意,核苷酸还原成脱氧核苷酸在化学上是很难进行的化学反应,因此需要一种极其巧妙的 催化剂催化。有一种共同的酶催化剂骨架的存在强烈提示,RNA 世界之后出现的蛋白质将 RNA 与 DNA 连接起来,后者仅作为遗传信息的稳定储存形式。 脱氧尿嘧啶核苷酸甲基化形成胸腺嘧啶核苷酸 胸腺嘧啶核苷酸合成酶 将脱氧尿嘧啶核苷酸(dUMP)甲基化成胸腺嘧啶核苷酸(TMP)。 这个核苷酸的甲基化给需要修复的 DNA 损伤作标记,从而保留 DNA 的完整性。这个修饰的甲基供 体是 N5,N10-次甲基四氢叶酸,而不是 S-腺苷甲硫氨酸。 ### 为了合成更多胸腺嘧啶核苷酸(TMP),必须再生四氢叶酸。 嘧啶合成产生的二氢叶酸被还原,再生四氢叶酸。 二氢叶酸还原酶 ,还原试剂 NADPH。

几个抗癌药物封锁 胸腺嘧啶核苷酸(TMP) 合成— 胸苷酸合成酶 和二氢叶酸还原酶 例如:氟代尿嘧啶是临床使用的癌症化疗药物。在体内,氟代尿嘧啶被转化成氟代脱氧尿嘧啶核 苷酸(F-dUMP),能够不可逆地抑制胸苷酸合成酶活性。核苷酸 C-5 质子的移去是合成 TMP 所必 需的。但是,这个酶并能消除 C-5 的 F 原子,酶蛋白的巯基与次甲基四氢叶酸、F-dUMP 形成共价 连接物后,其活性受到抑制。这是一种 自杀抑制 ,酶蛋白将底物转化成有抑制活性的试剂,阻止 酶蛋白的催化活性。
例如:二氢叶酸的类似物,如氨基蝶呤或甲胺蝶呤是二氢叶酸还原酶很强的 竞争性抑制剂 。但是, 甲胺蝶呤在杀灭快速生长细胞是不分良性和恶性的。骨髓干细胞、肠道表皮细胞、发囊细胞也受 到这种叶酸拮抗剂损伤,由此产生毒副作用。 叶酸类似物如甲氧苄啶是抗菌、抗原生动物的药物。甲氧苄啶与哺乳动物二氢叶酸还原酶的亲和 力比敏感微生物的低 105 倍。酶活性位点裂缝的细微差异能够解释甲氧苄啶高度选择性抗微生物活 性。 甲氧苄啶 和 磺胺甲恶唑 (叶酸合成的抑制剂) 联合使用 ,广泛用于感染治疗。

25.4 核苷酸生物合成的关键步骤受到 反馈抑制 1 嘌呤核苷酸生物合成决定命运的步骤是 PRPP 为谷氨酰胺磷酸核糖转氨基酶催化生成磷酸核糖胺。 这个酶受到很多嘌呤核苷酸抑制。值得注意的是,嘌呤核苷酸合成途径的最终产物 AMP 和 GMP 协同抑制这个转氨酶。 2 次黄嘌呤核苷酸(即肌苷酸)是 AMP 和 GMP 合成途径的分支点。分支反应也是反馈抑制位点。 AMP 抑制肌苷酸转化成腺苷琥珀酸,即 AMP 的直接前体。类似地,GMP 抑制肌苷酸转化成黄嘌呤 核苷酸(xanthylate),即 GMP 合成的直接前体。 3 如同早先所介绍的,GTP 是 AMP 合成的一个底物,而 ATP 是合成 GMP 的一个底物。这种互为底 物的关系使腺苷酸和鸟苷酸的合成易于平衡。 25.5 核苷酸代谢的破坏导致疾病 腺苷脱氨酶 活性丧失产生严重的综合性免疫缺乏症 ---AMP 降解途径还有一个 额外的反应 。 核苷酸酶催化,腺苷酸脱磷酸生成腺苷。 腺苷脱氨酶催化,腺苷脱氨生成次黄嘌呤核苷(与其它核苷代谢相比,这是个额外反应)。 核苷磷酸化酶催化,使腺苷生成次黄嘌呤和核糖 1-磷酸。 腺苷脱氨酶的缺乏---综合性免疫缺乏疾病。患者因反复感染在年幼时就死亡。SCID 患者没有 T-细 胞,而 T-细胞是免疫应答的关键。腺苷脱氨酶的缺乏导致 dATP 比正常细胞高 50~100 倍,抑制核 苷酸还原酶活性,抑制 DNA 合成。由于治疗方案是将患者与环境完全隔离,因此 SCID 疾病常被称 为 ( 泡泡男孩病 )。用基因治疗技术曾经成功地治愈 SCID。 血清尿酸水平增加导致痛风(gout) 黄嘌呤氧化酶 ,含 Mo 和 Fe。黄素蛋白。氧化剂氧气得 H2O2,被过氧化氢酶分解。 生理 pH,尿酸解离(丢失一个质子)。人类以尿酸盐 作为嘌呤降解的最终产物,从尿液排出。 人类 血清尿酸盐水平 过高产生痛风。在体液中结晶,在关节处排列成线。在免疫细胞清除尿酸钠 晶体时,产生疼痛炎症。尿酸钠晶体在肾脏积淀也损伤肾脏。 别嘌呤醇 能够治疗痛风。次黄嘌呤类似物。先作为黄嘌呤氧化酶的底物,而后又充当这个酶的抑 制剂。氧化酶将别嘌醇羟基化成氧化别嘌醇,但氧化产物与活性位点紧密结合。这是一种 自杀抑 制剂 。服用别嘌醇不久,从次黄嘌呤和黄嘌呤合成尿酸减少,血清浓度降低。 增加尿酸盐水平有何 进化优势 ?是活性氧(ROS)的有效清除剂。实际上,尿酸盐的抗氧化性能 与维生素 C 相当。增加人体尿酸盐的水平能够显著延长寿命,降低癌症发生的风险。 挽救途径的酶发生突变导致 Lesch-Nyhan Syndrome 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性接近全部缺乏有出乎意料的灾难性后果。 这种先天性代谢异常疾病(即 Lesch-Nyhan Syndrome)特征:强迫性自伤行为,智力缺陷和痉挛。

患者幼年时血清尿酸浓度高,肾结石。随后出现痛风。一种性连锁隐性遗传疾病。 患者,其 PRPP 浓度增加,因此从头合城嘌呤的速率增加,尿酸生产过量。大脑中特定的细胞可 能依靠挽救途径合成 IMP 和 GMP。实际上,患者神经递质多巴胺转运体的含量很低。此外,高水 平积累这些中间体有可能损伤细胞。Lesch-Nyhan syndrome 疾病显示合成 IMP 和 GMP 的挽救合成 途径并非多余。而且这个疾病还显示挽救途径单个酶的缺乏就会导致自残和极端敌视等异常的行 为。 叶酸缺乏加重如脊柱断裂的出生缺陷 一类出生缺陷疾病。在早期发育过程中,患者不能正确地或完整地形成自身的神经管。 孕妇在怀孕的前 3 月补充叶酸,能够使神经管缺陷患儿风险降低 70%。一种假设是,细胞分裂频 繁需要合成大量的 DNA,而叶酸类衍生物是 DNA 前体(即核苷酸)合成所必须的。

(注意:下一页为 23 章内容)

分支氨基酸生成乙酰 CoA,乙酰乙酸,或丙酰 CoA 是在柠檬酸循环和脂肪酸氧化途径已经遇见的反应。 缬氨酸和异亮氨酸。转氨得??酮酸被分支 ??酮酸脱氢酶复合物氧化脱羧。多功能酶 类似 丙酮酸脱氢酶 和 a-酮戊二酸脱氢酶 。实际上它们产生硫辛酰胺氧化型的 E3 组分相同。 亮氨酸 形成异戊酰 CoA 经过脱氢反应生成??甲基巴豆酰 CoA。异戊酰 CoA 脱氢酶。 类似(脂肪酸氧化)酰基 CoA 脱氢酶,氢受体是 FAD,耗 1 分子 ATP。催化的羧基化机制类似 丙酮酸羧化酶和乙酰 CoA 羧化酶。 缬氨酸 和 异亮氨酸 的降解途径类似亮氨酸。经转氨、氧化脱羧,转化成相应的酰基 CoA 衍生物。 随后反应类似脂肪酸氧化反应。异亮氨酸产生乙酰 CoA 和丙酰 CoA,而缬氨酸产生 CO2 和丙酰 CoA。 Leu,Val,和 Ile 的降解:代谢反应数量很大,但种类很少。突出代谢途径的简化和灵巧。 氧合酶是降解芳香氨基酸所必需的 芳香氨基酸降解产生普通的代谢中间物(乙酰乙酸、延胡索酸、和丙酮酸)。 1 苯丙氨酸 降解开始是羟基化生成酪氨酸,苯丙氨酸羟化酶。由于 O2 的一个原子出现于酪氨酸, 另一个氧原子出现于水分子,因此它也称 单加氧酶 (或 混合功能氧合酶 ) 苯丙氨酸羟基化反应 —反应物是四氢生物蝶呤。电子载体,辅助因子生物蝶呤衍生物。因机体可 自身合成,不是维生素。 二氢叶酸还原酶 催化将 NADPH 的氢转给二氢生物蝶呤,再生四氢生物蝶 呤。苯丙氨酸羟化酶和二氢生物蝶呤还原酶催化反应的总和是 苯丙氨酸 + O2 + NADPH + H+ 酪氨酸 + NADP+ + H2O 2 下一步反应是转氨反应生成对-羟基苯丙酮酸,它再与 O2 反应形成 2,5-二羟苯乙酸。···水解 成延胡索酸和乙酰乙酸。 色氨酸 降解需几个 氧合酶 。···被加工成乙酰乙酰 CoA。 在生物系统中几乎所有的芳香环的裂解都用 双加氧酶 催化。其活性位点含有铁原子,但不是血红 素或 Fe-S 簇的成分。 23.6 先天性代谢错误会干扰氨基酸降解 氨基酸代谢错误曾经是第一批生物化学缺陷引起疾病的实例。 1 例如, 尿黑酸氧化酶 缺乏患者有尿黑酸尿,遗传性代谢疾病。单一基因疾病,呈孟德尔隐性遗 传。尿黑酸是苯丙氨酸和酪氨酸降解的正常中间体,因进一步降解受阻而积累。尿黑酸积累并外 排至尿液。尿黑酸静置杯氧化,聚合成黑色素类物质。尿黑酸尿的危害不大。 2 例如,Maple syrup urine 疾病患者缺乏 分支链脱氢酶 ,缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸产生的??酮 酸氧化脱羧受阻。因此血液和尿液中这些 aa 及相应的??酮酸水平增加,患者尿液有槭糖浆味道, 即疾病名称来源。也称为分支链酮酸尿症。

除非患者早期饮食的 3 种 aa 含量很低,否则出现精神障碍和机体障碍。在出生早期用 2,4-二硝基 苯肼筛查尿液,??酮酸与此化合物形成 2,4-二硝基苯腙,进而用质谱进行检测。 3 例如,苯丙酮尿症。缺乏 苯丙氨酸羟基化酶 或四氢生物蝶呤辅助因子。由于苯丙氨酸无法转化 成酪氨酸,在患者体液中积累。正常情况,3/4 转化成酪氨酸,1/4 作为原料合成旦。苯丙酮尿患 者堵塞了苯丙氨酸代谢的主要通道,血液的苯丙氨酸水平至少上升 20 倍。此时少量苯丙氨酸形成 苯丙酮酸,后者是尿液苯丙酮酸的来源。 未获得治疗患者患有严重精神障碍。脑体积低于正常人,反射活动亢进。寿命短。 刚出生时,患者表现正常。但是如果不治疗,在 1 岁的时候就出现严重症状。 治疗方案 —出生后 必须马上进食苯丙氨酸含量低的食品,仅仅满足机体生长和更替的需求即可。奶汁的酪蛋白,其 苯丙氨酸含量低。将这类旦水解,并吸附去除苯丙氨酸可以充当患者食品。这样能够避免大脑的 不可逆损伤。 早期诊断 苯丙酮尿症。(1)血液的苯丙氨酸水平是诊断的参照指标。(2)静脉注射苯丙氨酸,检 测苯丙氨酸清除的动力学是确定苯丙酮尿症基因携带者更为决定性的指标。必须指出,孕妇血液 的苯丙氨酸浓度高导致胎儿发育异常。母体-胎儿在分子水平上有关联的 显著实例 。

第 26 章 膜脂质和甾体的生物合成 生物膜三个重要组分的生物合成:磷脂、鞘磷脂、胆固醇。 胆固醇在血液中用低密度脂蛋白(LDL)运输,细胞表面的 LDL 受体能够摄取血液的胆固醇
26.1 磷脂酸是磷脂和甘油三酯 合成的中间体---合成的第一步 起始是甘油 3-磷酸。(主)磷酸二羟丙酮还原,(少)甘油磷酸化。两个酰基 CoA 各贡献 1 脂肪酸得 磷脂酸。甘油磷酸酰基转移酶 (多)磷脂酸 C-1 连饱和脂肪酸链,C-2 连不饱和链。 磷脂酶和二酰基甘油转酰基酶结合成甘油三酯合成酶复合物,结合内质网膜。(1)水解磷脂酸得二 酰基甘油(DAG)(2)加入第三个酰基得甘油三酯。 (哺) 肝脏 内质网/线粒体外膜 主要合成位点.可运输到肌肉能量转化,或脂肪组织储存。 磷脂合成需要合成一个中间体----内质网中 # 采用活化的二酰基甘油 磷脂酸与 CTP 反应生成 CDP-二酰基甘油(活化的二酰基甘油)。 ATP(PPi) 。活化的磷脂酸单元与 醇羟基反应生成磷酸二酯键。 随后特定激酶催化,产生磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸( PIP2 )。胞内信号分子(IP3/DAG)的前体。 (磷脂)脂肪酸成分可变,故心磷脂等表示一类分子。磷脂酰肌醇(特):有固定的脂肪酸组成。饱和脂 肪酸通常占据 C-1 位,而二十烷酸占据 C-2 位。 # 利用活化的醇合成磷脂。 例如:磷脂酰乙醇胺,(哺)用乙醇胺合成。ATP 磷酸化,CDP 为载体。 磷脂酰胆碱 (哺)最常见磷脂。食物中摄取的胆碱被活化,方式类似乙醇胺。 (肝脏)磷脂酰肌醇胺甲基转移酶,可将磷脂酰乙醇胺转化成磷脂酰胆碱。膳食胆碱不足时,可用 它解决。磷脂酰乙醇胺的氨基被甲基化三次才能形成磷脂酰胆碱,甲基供体 SAM。 磷脂酰丝氨酸 质膜脂质双层内侧。细胞凋亡时移至外侧;彻底凋亡后,引巨噬细胞消化质膜。 合成中,活化的中间体是 UDP-葡萄糖、CDP-二酰基甘油、或 CDP-醇羟基。它们是磷酸化底物如 葡萄糖 1-磷酸、磷脂酸、或磷酰醇与(UTP 或 CTP)反应的产物。之后与带羟基的组分(糖原末 端羟基,丝氨酸侧链羟基,或二酰基甘油的羟基)反应。

霍乱毒素 结合神经节苷脂是霍乱感染的第一步,会产生严重腹泻。炎症应答中,神经节苷脂也是 免疫细胞与损伤位点结合的关键。 鞘脂和含量更大的甘油磷脂结构相似。为什么所有细胞需要 鞘脂 ?···鞘脂是第二信使的前体。例 如,从鞘脂生成的神经酰胺可以启动一些细胞的死亡。 呼吸窘迫症患者 二棕榈酰磷脂酸胆碱合成障碍。在肺泡的胞外溶液中,与特定旦及其它磷脂结合。 二棕榈酰磷脂酸胆碱的功能是降低液体的表面张力,使气体呼出过程结束后肺不会萎缩。早产婴 儿患者(因):肺还未发育成熟,不能合成足量的二棕榈酰磷脂酸胆碱。 Tay-Sachs 症患者 不能降解神经节苷脂。在神经系统含量高。通常在溶酶体内降解,即逐步脱去 脂质分子的糖基。但患者不能···结果神经元内有充斥脂质分子的溶酶体,细胞膨胀。 新生儿患者 脑组织 神经节苷脂 含量显著提高。由于末端 N-乙酰半乳糖胺残基切除速度很慢甚至 不能切除,患者缺乏 N-乙酰己糖胺酶活性。 在胎儿发育过程中就能够诊断该疾病。羊膜穿刺抽取羊水,测定羊水的 N-乙酰己糖胺酶活性可以 诊断这个疾病。 乙酰辅酶 A 合成胆固醇 胆固醇。甾体化合物可调节动物细胞膜流动性,也是一些甾体激素合成前体。胆固醇的 27 个碳原 子全部来自乙酰 CoA。甲羟戊酸的形成是胆固醇合成的决定步骤。HMG-CoA 还原酶. 26.3 在不同水平上进行胆固醇生物合成的调节

控制 HMG-CoA 还原酶方式多样。 1 SREBP(甾体调节元件结合蛋白)途径。当 SREBP 的调节结构域(Reg)与 SCAP(SREBP 裂解活 化蛋白)结合时,SREBP 停住在内质网膜上。若胆固醇水平降低,两者被运入高尔基体内, SREBP 为丝氨酸蛋白酶和金属蛋白酶裂解,释放其 DNA 结合域进入细胞核,与 HMG-CoA 基因 及合成有关基因上游的 SRE 结合,促进这些基因的转录。 2 甲羟戊酸及膳食胆固醇代谢得非胆固醇代谢物能够抑制还原酶 mRNA 翻译速率。 3 还原酶的降解受到严格控制。还原酶的作用分两个部分:细胞质结构域执行催化功能,而膜结构 域能够感受还原酶应该降解的信号,如胆固醇浓度增加,结构发生改变使还原酶对蛋白裂解敏感。 在有些情况下,还原酶也可能被泛素化,成为 26S 蛋白酶体的目标。
这三种调节机制联合作用,使细胞内酶量变化幅度达到 200 倍以上。

4 磷酸化降低还原酶活性。类似 乙酰辅酶 A 羧化酶 ,ATP 低(即 AMP 高)促蛋白激酶活性,催化磷 酸化致关闭还原酶活性,胆固醇合成停止。 脂蛋白在全身运输胆固醇和甘油三酯 胆固醇和甘油三酯在血液中以 脂蛋白颗粒 的形式运输。含疏水脂质核心,外包一层极性更大的脂 质和蛋白质。其蛋白质组分,由肝脏和小肠合成并分泌,称为 载脂蛋白 ,有两个作用:(1)液化疏 水性脂质,(2)含有细胞靶向信号。 (肌肉等血管处)脂蛋白的脂肪酶水解,释放乳糜微粒的甘油三酯,作为能源或合成脂质。然后肝 脏摄取富含胆固醇的乳糜微粒残余//——//肝脏是合成甘油三酯和胆固醇的主要场所,若超出肝脏 需求,将以极低密度脂蛋白在血液中运输。它的甘油三酯被毛细血管表面的酯酶水解。其残余富 含胆固醇酯,称为 中等密度脂蛋白 。它有两种命运,一半为肝脏摄取后进一步加工,另一半则是 消除更多甘油三酯生成低密度脂蛋白。 低密度脂蛋白 是血液中主要的胆固醇载体。运至外周组织,调节这些组织的胆固醇从头合成途径。 高密度脂蛋白 的作用是摄取血液中死亡细胞或转化膜所释放的胆固醇,与胆固醇运输相反。其酰 基转移酶能够酯化这些胆固醇,然后将这些胆固醇送回肝脏。 血液脂蛋白水平是疾病的诊断指标

血清胆固醇浓度过高会产生疾病甚至死亡,原因是身体的动脉有动脉粥样硬化斑。过量胆固醇以 低密度脂蛋白(LDL)颗粒的形式存在,这种脂蛋白颗粒就是所谓的 坏胆固醇 。 高密度脂蛋白颗粒携带的胆固醇被称为 好胆固醇 。HDL 充当穿俄梭体,运输全身的胆固醇。 HDL 能够结合并酯化外周组织所释放的胆固醇,并将胆固醇酯运入肝脏或其他需要胆固醇合成甾 体激素的组织。HDL 到达这些靶向组织是细胞膜上特定的 HDL 受体介导的。 胆固醇在 LDL/HDL 比值评估心脏病的发病风险。健康人群的 HDL/LDL 比值是 3.5 。 低密度脂蛋白在胆固醇代谢中起关键作用 非肝脏细胞和小肠是从血浆获取胆固醇,而不是从头合成。主要来源是低密度脂蛋白(LDL).摄取过 程是受体介导的细胞内吞。其内吞步骤如下: 3. LDL 颗粒表面的载脂蛋白 B-100 与非肝脏的细胞质膜特定的受体蛋白结合。LDL 的受体局限 于特定区域,称为 包被凹陷 。有一种特定蛋白,即包涵素。 受体-LDL 复合物内吞,即与这个复合物相邻的细胞质膜内陷并融合,形成内吞泡。 含 LDL 的内吞泡随后于溶酶体融合。LDL 的蛋白质组分被水解成游离 aa;胆固醇酯被酸性 酯酶水解。LDL 受体本身不受影响,通常返回到细胞质膜。 6. 释放的胆固醇可用来合成生物膜相应组分,或重新酯化并存储在细胞内。游离的胆固醇可活 化酰基 CoA:胆固醇酰基转移酶(ACAT),催化胆固醇酰化反应。形成的胆固醇酯主要含有油酸 和棕榈油酸,是单不饱和脂肪酸,与 LDL 不同。LDL 富含亚油酸,是多不饱和脂肪酸。胞内 胆固醇必须酯化,否则过高浓度会破坏膜结构完整性。 LDL 受体合成自身受反馈调节。胞内胆固醇含量丰盛,则不再合成新的 LDL 受体。这样就不能从 血浆摄取更多的胆固醇。LDL 受体的基因,与还原酶基因一样,受 SREBP 调节。SREBP 与甾体 激素调节元件结合,控制相应基因的 mRNA 合成。 4. 5. LDL 受体缺乏导致高胆固醇症和动脉粥样硬化 编码这个基因的常染色体基因发生变异,其血浆 LDL 浓度和胆固醇浓度显著增加。 家族性高胆固醇症患者 由于血浆胆固醇含量太高,需将它存储在不同组织。特别值得注意的是血 液过量的 LDL 氧化,形成 氧化的 LDL 。oxLDL 为免疫系统的巨噬细胞摄取,导致后者形成泡沫 细胞,为血管壁捕获,形成动脉粥样斑点,导致动脉狭窄,产生心脏病。实际上,大多数纯合子 在孩提时代就死于冠状动脉疾病。能够消化氧化脂质的一种血浆酯酶与 HDL 结合。也许 HDL 结 合的血浆酯酶破坏 oxLDL,说明 HDL 能够保护患者免受冠状动脉疾病。 患者大多数是缺乏 LDL 受体或者 LDL 受体没有功能。纯合子的 LDL 受体几乎没有功能,而杂合 子的 LDL 受体只有一半有功能。这些突变导致 LDL 无法进入肝脏细胞或其它细胞,血浆的 LDL 浓度增加。由于 IDL 也是通过 LDL 受体介导进入细胞的,因此这类患者的 IDL 进入肝细胞 的量也减少,IDL 被转化成 LDL 的数量就更多。缺乏 LDL 受体或 LDL 受体缺陷的所有灾难性结 果都归因于血液中胆固醇含量升高。 从生物化学角度认识胆固醇疾病的临床治疗 纯合子的家族性高胆固醇症患者只能用肝脏移植的方法治疗。杂合子高胆固醇患者治疗。LDL 受 体的产量受细胞对胆固醇的需求来控制的。治疗方案本质:剥夺备用的胆固醇资源,造成细胞需 要胆固醇,使 LDL 受体产量增加。 双管齐下 :首先抑制肠道对胆酸盐的再吸收。胆酸盐是胆固醇 衍生物,可促进机体吸收膳食胆固醇。其次,封锁机体从头合成胆固醇途径。 口服阳离子聚合物如消胆胺,结合胆酸盐以阻止机体再吸收;抑制素 类化合物能有效地阻止胆固 醇合成。如洛伐他丁,是 HNG-CoA 还原酶的强竞争性抑制剂 (Ki = 1 nM)。联合使用 lovastatin 和 胆酸盐吸收抑制剂,降低(动脉粥样硬化)患者血浆胆固醇水平。 26.4 胆固醇重要的衍生物,包括胆酸盐和甾体激素 1 胆酸盐。胆固醇的极性衍生物。含有极性区域和非极性区域,是有效的去垢剂。在肝脏合成,胆 中存储、浓缩,能够溶解食物的脂质,增加其分子表面积,(1)暴露于酯酶的表面积更大;和 (2)更易于为肠道表面吸收。胆酸盐也是胆固醇裂解的主要产物。 2 甾体激素。胆固醇是物种主要甾体激素(黄体腺素、糖皮质激素、盐皮质激素、雄激素、和雌激 素)合成的前体。这些激素是调节器官功能的强力分子。糖皮质激素(如可的松)促进葡萄糖异

生和糖原生成,强化脂肪和蛋白质降解,抑制炎症应答。这些激素使动物能够应答紧张。实际上, 糖皮质激素缺乏者肥胖。盐皮质激素,主要是醛固酮,作用于肾脏的远小管,增加远小管对 Na+的 吸收和对 K+和 H+的外排,增加血液体积和压力。 3 细胞色素 P450 系统广泛存在,执行保护功能 主要位于肝脏和小肠的内质网,外源毒性物质的脱毒。例如用细胞色素 P450 羟基化巴比妥类物质 苯巴比妥,增加其溶解性,助外排。——对人类而言,细胞色素 P450 最为重要的相关功能之一是 代谢药物(如咖啡因和布洛芬)。 4 胆固醇侧链裂解产生的孕烯醇酮是很多甾体激素的前体 胆固醇有 27 个碳原子,而甾体激素只有 21 个甚至更少的碳原子。 因此合成甾体激素的第一阶段是消除胆固醇侧链的六个碳原子,形成孕烯酮。过程中消耗了三个 NADPH 和三分子 O2,总共消耗了六个电子。 5 光断裂环,将胆固醇转化成维生素 D 紫外光裂解 7-脱氢胆固醇产生维生素 D3 前体,能够自动异构生成维生素 D3,在肝脏和肾脏被羟 基化,得 1,25-二羟胆钙甾醇,有活性的激素。 虽然维生素 D 不是甾体,但作用方式与甾体相似。维生素 D 与受体结合(两者的受体结构相似), 形成复合物。与维生素 D 结合的受体复合物作为转录因子,调节基因表达。 孩提时代缺乏维生素 D 则患 软骨病 ,患者的软骨和骨的钙化不足。几乎不接受太阳光照射,因 此皮肤的 7-脱氢胆固醇不能被光解成维生素 D3 前体。而且大多数食物所含有的维生素 D 含量很 低。鱼肝油是例外。

能够测定寡糖的序列 如何测定糖蛋白的寡糖结构以及蛋白质与寡糖连接的位点?多用酶切,可断裂特定类型的糖苷键。 首先分开寡糖/蛋白质,例如 N-连接的寡糖可用 N-糖苷酶 F 处理。然后分离寡糖并进行分析。 MALDI-TOF 等质谱技术能够确定寡糖的分子量。但是寡糖结构不同,但寡糖的质量却可能相同。 →用特异性不同的糖苷酶处理(如??1,4-糖苷酶仅切半乳糖基),质谱测定分子量。不同的糖苷酶重复。 蛋白酶用于确定旦糖基化位点。( 糖苷酶处理前后的)蛋白质用特异蛋白酶裂解,用层析方法分析, 找出糖基化肽段。质谱分析或直接测定糖基化肽段 aa 序列 确定蛋白质糖基化位点所在 aa 序列。 图 11.25 质谱测定寡糖“序列”。 牛血清糖蛋白胎球蛋白 (fetuin)。A 和 B 表示消化产 生的寡糖的 MODI-TOF 图谱及 相应寡糖结构。(A)用肽 N-糖苷 酶 F(释放寡糖)和神经氨酸酶 (neuramidase)处理蛋白质。 (B)用肽 N-糖苷酶 F(释放寡糖) 、神经氨酸酶(neuramidase)、和 ??????半乳糖苷酶处理蛋白质。 根据这些酶的特异性和质谱测 定的分子量可推测寡糖的结构。

11.4 凝聚素 (lectin)是特异的糖结合蛋白 ···??原因?→?个单糖构建的寡糖比?个氨基酸构建的寡肽式样多得多。

1 动物凝聚素—促进细胞间的相互接触。不同细胞的表面凝聚素的糖单位结合位点之间有相互作 用。 C-类凝聚素多见于动物,数量多,需钙离子 (凝聚素蛋白质和糖之间相互作用的桥梁)。凝聚素 结合糖的特异性取决于旦分子内能够与糖结合的 aa 残基。 C-型凝聚素有些蛋白叫 选择素 (selectin),只结合损伤处炎症应答的 免疫细胞 。L, E, P 类选择素 分别结合淋巴结管、血管内皮、激活血小板的糖。()在胚胎即将(通过凝聚素)粘附于子宫内膜时, 胚胎产生 L-选择素···使胚胎在子宫着床。///了解选择素如何结合并区分不同的糖,开发新 的消炎药物。 2 植物含凝聚素,潜在的杀虫剂。细菌也有凝聚素位于纤毛。 例如:大肠杆菌能粘附于消化道内皮细胞,因其凝聚素能够识别目标细胞表面的寡糖单位。 3 病毒受体 (流感)病毒表面主要组分:(1) 红细胞凝聚素 (hemagglutinin),毒```组表达,参与结合 Cell 表面 唾液酸 (糖蛋白/糖脂 寡糖末端残基); (2) 神经胺酸酶 (neuraminidase,即唾液酸酶), 在病毒生命周期的晚期裂解寡糖链,释放病毒颗粒。 抑制唾液酸酶的抑制剂,如 oseltamivir (Tamiflu)和 zanamivir (Relenza)是重要的抗病毒试剂。

相信能坚持看到这最后一页的都是立志要考研的学生了,啰嗦几句闲话: 1 上学虽易,学好不易,且学且珍惜 (帅帅,看到这句你应该就知道我是谁了 ==+) 2 虽然看着很多,但相信我,真心是比原版课件小了不止一个数量级 3 好好学习下代谢(尤其是酶工程相关)吧,别问我为什么~ (只希望刘老师和他新的小伙伴玩的开心)


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