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生物化学教学讲义(上海交通大学)


生物化学 绪论
本章主要介绍生物化学的定义、内容、目的及其与医学的关系
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生物化学的定义

生物化学(biochemistry)或生物的化学(biological chemistry)即生命的化学, 是一门研究生物体的化学组成、体内发生的反应和过程的学科。当代生物化学的研究 除采用化学的原理和方法外,尚运用物理学的技术方法以揭示组成生物体的物质,特 别是生物大分子(biomacromolecules)的结构规律。并且与细胞生物学、分子遗传学 等密切联系,研究和阐明生长、分化、遗传、变异、衰老和死亡等基本生命活动的规 律。Watson 和 Crick 于 1953 提出了 DNA 分子的双螺旋结构模型,在此基础上形成了 遗传信息传递的“中心法则”,由此奠定了现代分子生物学(molecular biology)的 基础。分子生物学主要的研究内容为探讨不同生物体所含基因的结构、复制和表达, 以及基因产物—蛋白质或 RNA 的结构,互相作用以及生理功能,以此了解不同生命形 式特殊规律的化学和物理的基础。可见,当今生物化学与分子生物学不能截然分割, 后者是前者深入发展的结果。总之,生物化学与分子生物学是在分子水平上研究生命 奥秘的学科,代表当前生命科学的主流和发展的趋势。
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生物化学的内容

医学生物化学研究的内容大致包括下列 4 个部分。 一. 化学组成—生物大分子 在研究生命形式时,首先要了解生物体的化学组成,测定其含量和分布。这是生物化 学发展的开始阶段的工作,曾称为叙述生化。 现知生物体是由多种化学元素组成的,其中 C、H 、O 和 N 四种元素的含量占活细胞 量的 99%以上。 各种元素进而构成约 30 种的小分子化合物, 这些小分子化合物可以构 成生物大分子, 所以把他们称为生物分子(biomolecules)或构件分子 (building block molecules)。例如 20 种 L-α-氨基酸是蛋白质的构件分子,4 种核苷酸是核酸的构 件分子,单糖可构建成多糖、脂肪酸组成多种脂类化合物。 当前研究的重点为生物大分子的结构与功能,特别是蛋白质和核酸,二者是生命的基 础物质。对生命活动起着关键性的作用。 天然氨基酸虽然只有 20 种,但可构成数量繁多的蛋白质,由于不同的蛋白质具有特 殊的一级结构(氨基酸残基的线性序列)和空间结构,因而具有不同的生理功能,从 而能体现瑰丽多彩的生命现象, 现在已从单一蛋白质深入至细胞或组织中所含有全部 蛋白质,即蛋白质组(proteome)的研究。将研究蛋白质组的学科称为蛋白质组学 (proteomics)。 蛋白质的一级结构是由核酸决定的,人类基因组(genome)即人的全部遗传信息,是由 23 对染色体组成,约含 2.9x109 碱基对,测定基因组中全部 DNA 的序列,将为揭开生

命的奥秘迈开一步。把研究基因组的结构与功能的科学称为基因组学(genomics),经 过包括我国在内许多科学家十多年的努力,2003 年已完成人类基因组计划(Human Genome Project)中全部 DNA 序列的测定,接着面临更坚具的任务,就是要研究目前 所知 3 万至 4 万个基因的功能及其与生命活动的关系。这就是后基因组计划 (Post-Genome Project)。 生物大分子需要进一步组装成更大的复合体,然后装配成亚细胞结构、细胞、组织、 器官、系统,最后成为能体现生命活动的机体,这些都是尚待研究和阐明的问题。 二.物质代谢、能量代谢及代谢调节 组成生物体的物质不断地进行着多种有规律的化学变化, 即新陈代谢(metabolism)或 物质代谢,一旦这些化学反应停止,生命即告终结。 可见, 新陈代谢是生命的基本特征, 生物体一方面需要与外界环境进行物质交换,同时在体内进行各种代谢变化,以维持 其内环境的相对稳定,通过代谢变化将摄入营养物中储存的能量释放出来,供机体活 动所需。要维持体内错综复杂代谢途径有序地进行,需要有严格的调节机制,否则代 谢的紊乱可影响正常的生命活动,从而发生疾病。因此,研究物质代谢、能量代谢及 代谢调节规律是医学院校生物化学课程的主要内容,也称为动态生化。 三.基因的复制、表达及调控 遗传信息传递的“中心法则”,可以说是分子生物学的中心法则。DNA 是储存遗传信 息的物质,通过复制(replication),即 DNA 合成,可形成结构完全相同的两个拷贝, 将亲代的遗传信息真实地传给子代。DNA 分子中的遗传信息又如何表达的呢?现知基 因表达的第一步是将遗传信息转录(transcription)成 RNA ,即 RNA 的合成,后者作 为蛋白质合成的模板,并决定蛋白质的一级结构,即将遗传信息翻译(translation) 成能执行各种各样生理功能的蛋白质。上述过程涉及生物的生长、分化、遗传、变异、 衰老及死亡等生命过程,体内存在着一整套严密的调控机制,包括一些生物大分子的 互相作用,如蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、核酸与核酸间的作用。本书将对上述 过程作较全面的介绍,为进一步学习分子生物学打基础。 四.机能生化 医学生物化学主要的研究对象是人, 因此人体生物化学还要研究各组织器官的化学组 成特点,特有的代谢途径和它们与生理功能之间的关系。代谢障碍将造成器官功能的 异常,导致疾病的发生。这部分内容包括内分泌、血液、肝、胆生化等,也称为机能 生化,是医学生化不可缺少的内容。 五.本书的内容 本书由 21 章组成,大体分为四个部分,第一部分从第二章至第五章,主要讨论生物 大分子—蛋白质和核酸的结构与功能,维生素构成酶的辅酶或辅基,所以也纳入这部 分;第二部分从第六章至第十一章。主要为物质代谢、能量代谢及代谢调节;第三部 分从第十二章至第十五章主要内容为遗传信息的流向及调控,为分子生物学的基础;

第四部分从第十六章至第二十一章为机能生化及与医学密切相关的内容。
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研究生物化学的目的及其与医学的关系

生物化学的根本目标是揭露生命的奥秘。若将组成生物体的物质逐一分离研究,均 为非生命物质,并遵守物理和化学的规律,然而由这些物质组成的生物体何以能呈现 及维持各种生命现象,这是生物化学要探讨和阐明的问题。当然,更深一层的目标是 了解生命的起源。可见,研究生物化学的目的是了解和掌握生命的规律,适应自然规 律,使人类生活更美好。 生物化学与分子生物学是边缘性学科, 发展又十分迅速, 形成了许多新理论、 新概念, 如基因组学、蛋白质组学、RNA 组学等;同时发展了许多新技术,如重组 DNA 技术、 基因工程、基因芯片、克隆技术、转基因动物等。生物化学与分子生物学的理论和方 法已广泛被其他基础医学学科应用,并已形成了许多新的学科分支,如分子免疫学、 分子遗传学、分子细胞生物学、分子病理学、分子药理学、分子病毒学等等。反过来, 这些基础学科也促进生物化学的发展,例如,免疫学的方法被广泛应用于蛋白质及受 体的研究,遗传学的方法被应用于基因分子生物学的研究,病理学的癌症促进癌基因 的研究,基因表达调控的规律是在细菌研究的基础上深入至真核生物的研究。总之, 当前生命科学中各相关的学科互相渗透,互相促进,不断形成新的学科,例如,生物 信息学。还将会出现更多新的学科。 健康科学(health science)涉及两大关键问题:一是为了解和维持人体的健康生活, 正常的生化反应和过程是健康的基础,人体必须不断地与外环境进行物质交换,摄入 必需的营养成分,适应外环境的变化,以维持体内环境的稳定。其二是为有效防治疾 病。 代谢的紊乱可导致疾病, 所以了解紊乱的环节并纠正之, 是有效治疗疾病的依据, 通过生化的检查,可帮助疾病的诊断,例如糖代谢障碍可导致糖尿病,充分了解糖代 谢及其调节的规律能为治疗糖尿病制定有效的方案,也为疾病的诊断和预防提供依 据。可见,临床医学无论在预防和治疗工作中都会应用生物化学的知识。反过来临床 实践也为生物化学的研究提供丰富的源泉,例如恶性肿瘤,使生物化学和分子生物学 深入至癌基因的研究,通过对后者的深入研究,又揭开了对正常细胞生长、分化的规 律和信号转导途径的研究和了解。 对动脉粥样硬化症的研究, 促进对胆固醇、 脂蛋白、 受体乃至相关基因等的生物化学研究。 可以说当前医学已进入分子水平时代,即分子医学(molecular medicine),其主要的 任务是在分子水平研究人体生命的规律,阐明人体生长、发育、分化、结构和功能; 观察人与病原体以及人与自然环境之间的关系; 分析疾病的发病机制及各种疾病主要 病变的分子基础和开发新的有效的预防、诊断和治疗疾病的手段。

第二章

蛋白质的结构和功能

蛋白质(protein)在生物体内具有广泛和重要的生理功能,它不仅是各器官、组织 的主要化学组成,且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的,而

且蛋白质在其中还起着关键的作用, 所以蛋白质是生物化学学科中传统、 基础的内容, 在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一,protein 一词就是来自 1938 年 Jons J Berzelius 创造的希腊单词 protios,意为第一或最重要的意思。

第一节 蛋白质在生命活动中的重要功能
蛋白质是生命的物质基础,一切生命活动离不开蛋白质。 蛋白质普遍存在于生物界,从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质,病毒除核酸外几 乎都由蛋白质组成,甚至朊病毒(prion)就只含蛋白质而不含核酸。蛋白质也是各 种生物体内含量最多的有机物质(表 2-1)。人体内蛋白质含量就约占其干重的 45% ( 左右。 体内一些蛋白质的重要生理功能:
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催化功能 调节功能 保护和支持功能 运输功能 储存和营养功能 收缩和运动功能 防御功能 识别功能 信息传递功能 基因表达调控功能 凝血功能 蛋白质的其他众多生理功能

第二节 蛋白质的分子组成
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蛋白质的元素组成和分子量

蛋白质是大分子化合物,相对分子质量(Mr)一般上万,结构十分复杂,但都是由 C、 H、O、N、S 等基本元素组成,有些蛋白质分子中还含有少量 Fe、P、Zn、Mn、Cu、I 等元素,而其中氮的含量相对恒定,占 13%~19%,平均为 16%,因此通过样品中含氮 量的测定,乘以 6.25,即可推算出其中蛋白质的含量。
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蛋白质的氨基酸组成

大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子(building-block molecule)是氨基酸 (amino acid,AA)(表 2-2)。在种类上,虽然自然界中存在着 300 多种氨基酸, 但构成蛋白质的只有 20 种氨基酸, 且都是 L,α-氨基酸, 在蛋白质生物合成时它们受

遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸,不存在种族差异和个体差异。 在 20 种氨基酸中,除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外,其余均为

L,α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为:
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氨基酸的分类

20 种氨基酸按其侧链 R 结构的不同, 在化学中可分为脂肪族、 芳香族和杂环氨基酸三 大类,分别含 15 种、2 种和 3 种氨基酸。在脂肪族氨基酸中,3 种是支链氨基酸,而 大多是直链氨基酸。在 20 种氨基酸中,有 2 种是含硫氨基酸和 3 种是含羟基的氨基 酸。在生物化学中,氨基酸是根据其酸性基团(羧基)和碱性基团(氨基、胍基、咪 唑基)的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类,其中酸性氨基酸含 2 个羧基和 1 个氨基,碱性氨基酸含 2 个或 2 个以上碱性基团和一个羧基,都属于含 有可解离基团的极性氨基酸,而中性氨基酸只含有 1 个羧基和 1 个氨基,在形成蛋白 质分子时都被结合掉, 因此根据其侧链 R 有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极 性氨基酸二个亚类,中性极性氨基酸(polar AA)较亲水(hydrophilic),中性非 极性氨基酸(non-polar AA)较疏水(hydrophobic)(表 2-3)。在形成大分子蛋 ( 白质严密的空间结构中,其组成氨基酸侧链 R 的大小、形状,带电与极性与否,对蛋 白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。 蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸,并无遗传密码编码,它们往往是在蛋白质 生物合成后,由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由 2 个半胱氨酸脱氢氧 化生成,含有二硫键,存在于部分蛋白质分子中;而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质 中赖氨酸和脯氨酸的羟化,主要存在于胶原蛋白分子中,它与胶原蛋白分子结构的稳 定与功能均有关; 一些凝血因子分子中含有 γ-羧基谷氨酸, 也来自蛋白质分子中谷 氨酸的羧化,且与其凝血活性密切有关;而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪 氨酸羟基,还可与磷酸结合被磷酸化等,更与酶活性的调节功能密切相关。
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氨基酸的重要理化性质 两性电离与等电点(pI) 紫外吸收特征 脱水成肽反应 第三节 蛋白质的分子结构

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肽键和肽

肽键(peptide bond)是蛋白质分子中的主要共价键,性质比较稳定。它虽是单键, 但具有部分双键的性质, 难以自由旋转而有一定的刚性, 因此形成肽键平面 (图 2-3) , 则包括连接肽键两端的 C═O、 N-H和 2 个 Cα 共 6 个原子的空间位置处在一个相对

接近的平面上,而相邻 2 个氨基酸的侧链 R 又形成反式构型,从而形成肽键与肽链复 杂的空间结构。 肽(peptide)是氨基酸通过肽键相连的化合物,蛋白质不完全水解的产物也是肽。 肽按其组成的氨基酸数目为 2 个、 个和 4 个等不同而分别称为二肽、 3 三肽和四肽等, 一般含 10 个以下氨基酸组成的称寡肽(oligopeptide),由 10 个以上氨基酸组成的 称多肽(polypeptide),它们都简称为肽。肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分 子,因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉了,因此多肽和蛋白质分子中的氨基 酸均称为氨基酸残基(amino acid residue)。 多肽有开链肽和环状肽。在人体内主要是开链肽。开链肽具有一个游离的氨基末端和 一个游离的羧基末端, 分别保留有游离的 α-氨基和 α-羧基, 故又称为多肽链的 N 端(氨基端)和 C 端(羧基端),书写时一般将 N 端写在分子的左边,并用(H)表 示,并以此开始对多肽分子中的氨基酸残基依次编号,而将肽链的 C 端写在分子的右 边,并用(OH)来表示。目前已有约 20 万种多肽和蛋白质分子中的肽段的氨基酸组 成和排列顺序被测定了出来,其中不少是与医学关系密切的多肽,分别具有重要的生 理功能或药理作用。 多肽在体内具有广泛的分布与重要的生理功能。其中谷胱甘肽在红细胞中含量丰富, 具有保护细胞膜结构及使细胞内酶蛋白处于还原、 活性状态的功能。 而在各种多肽中, 谷胱甘肽的结构比较特殊,分子中谷氨酸是以其 γ-羧基与半胱氨酸的 α-氨基脱 水缩合生成肽键的,且它在细胞中可进行可逆的氧化还原反应,因此有还原型与氧化 型两种谷胱甘肽。 近年来一些具有强大生物活性的多肽分子不断地被发现与鉴定, 它们大多具有重要的 生理功能或药理作用,又如一些“脑肽”与机体的学习记忆、睡眠、食欲和行为都有 密切关系,这增加了人们对多肽重要性的认识,多肽也已成为生物化学中引人瞩目的 研究领域之一。 多肽和蛋白质的区别,一方面是多肽中氨基酸残基数较蛋白质少,一般少于 50 个, 而蛋白质大多由 100 个以上氨基酸残基组成, 但它们之间在数量上也没有严格的分界 线,除分子量外,现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构,即其空间结 构比较易变具有可塑性,而蛋白质分子则具有相对严密、比较稳定的空间结构,这也 是蛋白质发挥生理功能的基础,因此一般将胰岛素划归为蛋白质。但有些书上也还不 严格地称胰岛素为多肽, 因其分子量较小。 但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物, 而多肽也是蛋白质不完全水解的产物。
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蛋白质分子结构及其规律性

蛋白质是大分子化合物,一般由一条肽链、上百个氨基酸,即成千上万个原子组成, 分为一、二、三、四 4 级、四个不同的层次(表 2-5),以便进行深入研究,其中二、 三、四级均属于蛋白质的三维空间结构(three-dimensional structure,3D)或构 象(conformation)。随着研究的深入,现在在蛋白质二级和三级结构之间,又增加 了一些超二级结构和结构域(domain)。

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蛋白质的一级结构( structure) 蛋白质的一级结构(primary structure)

蛋白质的一级结构,专指多肽链中氨基酸(残基)的排列的序列(sequence)。若蛋 白质分子中含有二硫键,一级结构也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置。一级结构 就是指蛋白质分子中由共价肽键相连的基本分子结构。不同的蛋白质,首先具有不同 的一级结构,因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要的标志之一。 蛋白质一级结构的重要性, 首先是由于其序列中不同氨基酸侧链 R 的大小、 性质不同, 决定着肽链折叠盘曲形成不同的空间结构和功能。 同时由于蛋白质的一级结构是由遗 传物质 DNA 分子上相应核苷酸序列、 即遗传密码决定的, 蛋白质与 DNA 分子均为线状, 因此具有“共线性”关系, 不同生物具有不同的遗传特征, 首先是由于其不同的 DNA, 编码合成出不同的蛋白质,具有不同的一级结构所决定的,因此蛋白质一级结构的认 识对阐明其众多生理功能之分子本质甚为重要。 蛋白质分子中氨基酸序列自动分析仪的问世, 使蛋白质一级结构的测定有了飞速的发 展。同时由于 DNA 分子中核苷酸序列的测定也有了迅猛的发展,且其步骤较蛋白质序 列测定方法更快速简便,因此近年来更有通过蛋白质相应基因 DNA 序列的测定,来推 断该蛋白质的一级结构。自然界亿万种不同的蛋白质,首先是由于它们有亿万种不同 的一级结构,这是其不同空间结构与生理功能的分子基础。
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蛋白质的二级结构( structure) 蛋白质的二级结构(secondary structure)

蛋白质的二级结构是指多肽链中相邻氨基酸残基形成的局部肽链空间结构, 是其主链 原子的局部空间排布。蛋白质分子的空间结构有一些共同的规律可遵循,其中二级结 构主要是周期性出现的有规则的 α-螺旋、β-片层、β-转角、π-螺旋和无规则线圈 等几种二级结构单元,且这些有序的二级结构单元,主要是靠氢键等非共价键来维持 其空间结构的相对稳定的。
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α-螺旋(α-helix):是蛋白质分子中最稳定的二级结构,其基本特征是: o 肽链骨架由肽键上的 C、N 原子与氨基酸残基中的 α 碳原子组成,交替 形成了肽链主链, 它从 N 端到 C 端为顺时针方向的右手螺旋结构 (图 2-6、 2-7)。
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螺旋每圈由 3.6 个氨基酸残基组成,每圈上下螺距为 0.54nm(5.4

)。

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相邻螺旋之间,由第 1 个氨基酸肽键上 C═O,隔三个氨基酸残基,与第 5 个氨基酸肽键上 N—H 形成氢键,其间包括 13 个原子(图 2-8),故 又称 3.613 螺旋, 且氢键方向与 α-螺旋长轴基本平行, 每相邻螺旋间 有三个氢键维持其空间结构的相对稳定。 o α-螺旋类似实心棒状,氨基酸残基侧链 R 在螺旋外侧。各种蛋白质分 子中 α-螺旋中氨基酸占总氨基酸组成的比例各不相同,如角蛋白中几 乎全是由 α-螺旋组成,而小分子蛋白质尤其是在多肽中几乎无 α-螺 旋的存在。α-螺旋对维持蛋白质分子空间结构的相对稳定起着十分重 要的作用。 β-片层结构(β-pleated sheet structure)又称 β-折叠,是肽链中比较伸 展的空间结构, 其中肽键平面接近平行、 但略呈锯齿状或扇形。 β-片层可由 2~

5 个肽段片层之间经 C═O 与 N—H 间形成的氢键来维系,但氢键方向与肽链长 轴方向相垂直(图 2-9),且反平行方式排列在热力学上最为稳定。 大多数球状蛋白质分子中, α-螺旋与 β-片层结构都同时存在, 且是各种蛋白质分子 中的主要二级结构,但各占氨基酸组成的比例不同,如表 2-6 所示。胰岛素分子中 约有 14%的氨基酸残基组成 β-片层结构, 而胰糜蛋白酶分子中约有 45%氨基酸残基组 成 β-片层二级结构,β-片层二级结构的可塑性比较大。
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β-转角(β-turn,T),指肽链出现 180o 左右转向回折时的“U”形有规 律的二级结构单元,空间结构靠第 1 个氨基酸残基上的 C═O 隔两个氨基酸残 基与第 4 个氨基酸残基上的 N—H 形成的氢键来维持其稳定,氢键中包括 10~ 12 个原子,因此较 α-螺旋卷曲得更紧密。β-转角还有几种亚型,在球状蛋 白质中含量丰富,且大多存在于球状蛋白质分子的表面,因此为蛋白质生物活 性的重要空间结构部位。 π-螺旋(π-helix):主要存在于胶原蛋白分子中,肽链以 4.4 个氨基酸残 基盘旋一圈,靠与螺旋长轴基本平行的氢键维持螺旋的稳定,氢键跨 18 个原 子,故又称 4.418 螺旋。它是比 α-螺旋稍大而疏松的左手螺旋。在胶原蛋白 分子中,三股左手螺旋再盘曲形成稳定的右手超螺旋,进一步缩合形成胶原微 纤维。 随意卷曲(randon coil):又称无规律卷曲,是指各种蛋白质分子中彼此各 不相同、没有共同规律可遵循的那些肽段空间结构,它是蛋白质分子中一系列 无序构象的总称,也可以说是各种蛋白质分子中的特征性二级结构。因为在蛋 白质分子中,并不是所有肽段都形成有序的 α-螺旋、β-片层、β-转角等二 级结构的,而是有相当部分的肽段,其二级结构在各蛋白质分子间彼此并不相 似,无共同规律可遵循,它也普遍存在于各种天然蛋白质分子中,同时也是蛋 白质分子结构和功能的重要组成部分。

蛋白质二级结构、乃至更高层次空间结构的形成,决定于其一级结构。由于一级结构 中氨基酸残基侧链 R 大小与性质的不同, 使肽键可形成不同的 α-螺旋、 β-片层等二 级结构。 如一段肽段由相邻较多酸性氨基酸组成, 由于侧链 R 解离带了相同的负电荷, 因此就同性相斥而不易形成稳定的 α-螺旋;又如一个肽段中集中了较多具有大侧链 R 的氨基酸,因空间位阻也不易形成有序的 α-螺旋,而多形成随意卷曲。而胶原蛋 白分子中富含小分子的甘氨酸和脯氨酸、羟脯氨酸,空间位阻小,故易形成三股超螺 旋,且由于脯氨酸、羟脯氨酸为亚氨基酸,在形成肽键后其氮原子上已无氢原子可形 成氢键,因此 π-螺旋不稳定,也就进一步形成了三股超螺旋。
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超二级结构(super secondary structure)和结构域:近年来随着蛋白质结 构与功能研究的深入,发现不少蛋白质分子中的一些二级结构单元,往往有规 则地聚集在一起形成全由 α-螺旋、全由 β-片层或 α-螺旋与 β-片层混合、 均有的超二级结构基本形式, 具体说, 形成相对稳定的 αα、 βββ、 βαβ、 β2α 和 αTα 等超二级结构(图 2-12)又称模体(motif)或模序。具有调控 作用的转录因子蛋白质中,就有 β2α 和 αTα 超二级结构存在。且单个或多 个超二级结构,尚可进一步集结起来,形成在蛋白质分子空间结构中明显可区 分的区域,称结构域(图 2-13),它们分别又是蛋白质分子中的一个个功能 单位,故不严格地又称之为功能域。蛋白质的结构域一般由 40~400 个氨基酸

残基组成。 蛋白质超二级结构和结构域的重要性, 还在于它们往往分别是由该蛋白质相应基因的 DNA 链上不同的外显子编码的。体内蛋白质生物合成时,甚至可将分布在不同染色体 上的外显子,通过重组合成出含有不同结构域组成的蛋白质。但因含有一些相同的结 构域, 因此就可生成一些具有相似功能的蛋白质, 形成蛋白质家族 (protein family) , 和合成特异性不同的各种免疫球蛋白分子等。 又由于结构域仅是大分子蛋白质中的一 个部分,相对较小,比较容易研究其结构和功能的关系,因此结构域已成为目前蛋白 质结构、功能研究中的一个关注焦点与热门课题。
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蛋白质的三级结构( structure) 蛋白质的三级结构(tertiary structure)

蛋白质的三级结构是指整条多肽链中所有氨基酸残基, 包括相距甚远的氨基酸残基主 链和侧链所形成的全部分子结构。因此有些在一级结构上相距甚远的氨基酸残基,经 肽链折叠在空间结构上可以非常接近。 例如肌红蛋白是一条由 153 个氨基酸残基组成的肽链,分子中由八个肽段分别形成 A~H 八段 α-螺旋,再进一步通过 AB、CD 等一些 β-转角与随意卷曲连接,进一步 地折叠形成接近球状的分子三级结构, 分子大小为 4.3nm×3.5nm×2.3nm 43 ( ×23 ×35

)。临床上也通过测定病人血中的肌红蛋白来鉴别诊断心绞痛还是心肌梗死.

自然界大多数蛋白质都是由一条肽链组成的, 因此相对稳定的三级结构就是其特征性 的空间结构,这是蛋白质分子最显著的特征之一。不同蛋白质有不同的一级结构,因 此折叠形成不同的三级结构,赋予它们不同的生理功能。按一级结构人工合成胰岛素 的成功,并具有降低动物血糖浓度的作用,是一级结构决定蛋白质空间结构与生理功 能的最好例证。 肽链折叠卷曲形成的球状、椭圆形等三级结构蛋白质分子,往往形成一个亲水的分子 表面和一个疏水的分子内核, 靠分子内部疏水键和氢键等来维持其空间结构的相对稳 定。有些蛋白质分子的亲水表面上也常有一些疏水微区,或在分子表面形成一些形态 各异的“沟”、“槽”或“洞穴”等结构,一些蛋白质的辅基或金属离子往往就结合 在其中。例如上述肌红蛋白分子亲水表面上,就有一个疏水洞穴,其中结合着一个含 Fe2+的血红素辅基,起着结合并储存氧的功能,供肌肉剧烈收缩氧供应相对不足时释 放被利用的需要。而结合了糖、脂的蛋白质分子其三级结构就更复杂了。
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蛋白质的四级结构( structure) 蛋白质的四级结构(quaternary structure)

蛋白质的四级结构是指各具独立三级结构多肽链再以各自特定形式接触排布后, 结集 所形成的蛋白质最高层次空间结构。在此蛋白质四级结构中,各具独立三级结构的多 肽链称亚基(subunit),亚基单独存在时不具生物活性,只有按特定组成与方式装 配形成四级结构时,蛋白质才具有生物活性。 例如血红蛋白就是由两条相同、各由 141 个氨基酸残基组成的 α-亚基和两条相同、

各由 146 个氨基酸残基组成的 β-亚基按特定方式接触、排布组成的一个球状、接近 四面体的分子结构。其中 α 和 β 亚基分别由七段和八段 α-螺旋组成,且 β-亚基 的三级结构与肌红蛋白三级结构十分相似(图 2-16)每个亚基表面疏水洞穴中都分 别结合一个含 Fe2+血红素辅基。 血红蛋白四个亚基间主要靠八个盐键和众多氢键维系 其严密、特定的四级结构(图 2-17、2-18),其中一个 α 亚基肽链的 N 端与另一 α-亚基的 C 端,在空间结构中十分接近,靠盐键结合,且 β-亚基的 C 端,又和 α亚基的第 40 位赖氨酸残基以盐键相连, 以维持血红蛋白严密且相对稳定的四级结构, 完成其在血液中运输氧气的生理功能。 具有四级结构的整个蛋白质分子也大多形成一 个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核。 蛋白质的四级结构,包括亚基数目、种类和空间排布方式各不相同。自然界蛋白质的 亚基组成数目多为偶数, 可以由相同或不同的亚基组成, 不同的亚基一般都用 α、 β、 γ 等来命名, 而具有不同催化功能和调节功能的酶蛋白亚基, 则多用催化亚基 C 和调 节亚基 R 来命名(表 2-7)。在蛋白质四级结构中,亚基多以对称的方式结合排布, 并由非共价键彼此相互连接。 并不是所有蛋白质分子都具有四级结构的。大多数蛋白质都只由一条肽链组成,只具 有三级结构就有生理活性了,只有一部分分子量更大、或具有调节功能的蛋白质,才 具有四级结构,它由几条肽链组成,从而赋予它特殊的别构作用,这对完成其特定生 理功能十分重要。 另外由于肽链亚基间的连结键都是非共价键, 因此由二硫键相连的, 如由四条肽链组成的免疫球蛋白、由 A、B 二条肽链组成的胰岛素分子,不属于具有 四级结构的蛋白质,何况胰岛素还是一个分子量很小的蛋白质。
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维系蛋白质空间结构的非共价键

这些非共价键又称副键,包括氢键、盐键、疏水键和范德瓦士力(van der Waals) 等。其中维持蛋白质二级结构的主要是氢键,维持蛋白质三级结构的主要是疏水键, 维持蛋白质四级结构的有盐键。事实上各层次蛋白质分子空间结构的稳定,都有这些 副键共同参与,以保证蛋白质空间结构的相对稳定和各种生理功能的正常发挥。 非共价键的键能要比共价键的键能小得多,因此容易断裂,但由于蛋白质分子中非共 价键数目众多, 因此它们在维持蛋白质严密空间结构和生理功能上起着十分重要的作 用。
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二硫键( bond) 二硫键(disulfide bond)

二硫键属于共价键, 由一条或两条肽键上的两个半胱氨酸残基上的巯基经脱氢氧化生 成。二硫键的作用是加固由非共价键维系的蛋白质分子严密的空间结构,在进一步稳 定蛋白质构象和生理功能上起着重要的作用。 但并不是所有蛋白质分子中都含有二硫键的。含有二硫键的蛋白质,一旦其二硫键被 还原断裂,蛋白质的空间结构往往易遭到破坏,生理功能也就丧失。胰岛素被还原后 就丧失其降低血糖的生物活性。一般细胞合成后分泌到细胞外的蛋白质,分子中二硫 键较多,使此蛋白质分子构象更趋稳定以便顺利完成其生理功能,如胰岛素、血浆白 蛋白和免疫球蛋白等,而存在于细胞内的蛋白质分子,往往二硫键较少,因为在细胞

内是富含还原型谷胱甘肽的生理环境。

第四节 蛋白质分子结构和功能的关系
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蛋白质分子一级结构和功能的关系 蛋白质分子一级结构和功能的关系

蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变,会影响其生理功能,甚至造成分子病 (molecular disease)。例如镰状细胞贫血,就是由于血红蛋白分子中两个 β 亚基 第 6 位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸,从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸,降低了 血红蛋白在红细胞中的溶解度,使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管 时, 容易凝聚并沉淀析出, 从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。 另实验证明, 若切除了促肾上腺皮质激素或胰岛素 A 链 N 端的部分氨基酸, 它们的生物活性也会降 低或丧失,可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能的重要作用。 所谓“分子病”,首先是蛋白质一级结构的改变,从而引起其功能的异常或丧失所造 成的疾病。可见蛋白质关键部位甚至仅一个氨基酸残基的异常,对蛋白质理化性质和 生理功能均会有明显的影响。 分子病是基因突变引起的遗传性疾病, 当然首先就是 DNA 分子结构的改变,是其分子编码相应蛋白质基因结构的改变,这是 1949 年美国科学 家 Pauling 在研究血红蛋白时首先提出来的。 目前已知血红蛋白分子异常有 500 多种, 其中约一半在临床上可造成分子病。分子病也包括整条多肽链在合成时的缺失,如血 红蛋白分子病中的地中海贫血,可缺失血红蛋白 α-亚基或 β-亚基等。现在已知 人类有几千种先天遗传性疾病,其中大多是由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。今 举一些并不是十分罕见的分子病实例如下(表 2-9) 另一方面,在蛋白质结构和功能关系中,一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失, 则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子 A 链中 8、 9、10 位和 B 链 30 位的氨基酸残基各不相同,有种族差异,但这并不影响它们都具有 降低生物体血糖浓度的共同生理功能。又如在人群的不同个体之间,同一种蛋白质有 时也会有氨基酸残基的不同或差异,个体之间,同一种蛋白质中有时会存在一级结构 的微小差异, 但这也并不影响不同个体中它们担负相同的生理功能。 但差异的氨基酸, 若是在氨基酸分类中从脂肪族换成芳香族氨基酸等, 即蛋白质之间的免疫原性就会差 异较大,由这些蛋白质组成人体组织、器官,在临床上进行移植时,就可产生排异反 应。 蛋白质一级结构与功能间的关系十分复杂。 不同生物中具有相似生理功能的蛋白质或 同一种生物体内具有相似功能的蛋白质, 其一级结构往往相似, 但也有时可相差很大。 如催化 DNA 复制的 DNA 聚合酶,细菌的和小鼠的就相差很大,具有明显的种族差异, 可见生命现象十分复杂多样。
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蛋白质分子空间结构和功能的关系

蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质,正因为 具有不同的空间结构,因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋 白,分子中含有大量的 α-螺旋二级结构,因此性质稳定坚韧又富有弹性,这是和角

蛋白的保护功能分不开的;而胶原蛋白的三股 π 螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微 纤维结构,使其性质稳定而具有强大的抗张力作用,因此是组成肌腱、韧带、骨骼和 皮肤的主要蛋白质;丝心蛋白正因为分子中富含 β-片层结构,因此分子伸展,蚕丝 柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶,催化不同的底物起不同的反应,表现出 酶的特异性,也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。 又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道, 就是因为在其多肽链中的一些 α-螺旋或 β -折叠二级结构中, 一侧多由亲水性氨基酸组成, 而另一侧却多由疏水性氨基酸组成, 因此是具有“两亲性”(amphipathic)的特点,几段 α-螺旋或 β-折叠的亲水侧之 间就构成了离子通道,而其疏水侧,即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜 上。载脂蛋白也具有两亲性,既能与血浆中脂类结合,又使之溶解在血液中进行脂类 的运输。 两亲性使蛋白质间形成二聚体也十分重要。 具有四级结构的蛋白质,尚有重要的别构作用(allosteric effect),又称变构作 用。别构作用是指一些生理小分子物质,作用于具有四级结构的蛋白质,与其活性中 心外别的部位结合,引起蛋白质亚基间一些副键的改变,使蛋白质分子构象发生轻微 变化,包括分子变得疏松或紧密,从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结 构蛋白质的别构作用, 其活性得到不断调正, 从而使机体适应千变万化的内、 外环境, 因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。 血红蛋白运氧中也有别构作用:当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后,该亚基构象 的轻微改变,可导致 4 个亚基间盐键的断裂,使亚基间的空间排布和四级结构发生轻 微改变,血红蛋白分子从较紧密的 T 型转变成较松弛的 R 型构象,从而使血红蛋白其 他亚基与氧的结合容易化,产生了正协同作用,呈现出与肌红蛋白不同的“S”形氧 解离曲线,完成其更有效的运氧功能(图 2-21)。氧对生命十分重要,但氧又难溶 于水,生物进化到脊椎动物,产生了血红蛋白与肌红蛋白,尤其是血红蛋白具有四级 结构和别构作用,使之能更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票,当撕第一 张时较费力,但撕第二、三张时就容易些了,当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气 一样,即血红蛋白变构到第四个亚基与氧的结合时就更容易了(图 2-22)。当然, 血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质,在变构中亚基是绝对不能分开的,只是整 个构象的改变。

第五节 蛋白质的分类
蛋白质可根据其化学组成不同分为单纯蛋白质(simple proteins)和结合蛋白质 (conjugated proteins)两大类。单纯蛋白质仅由氨基酸组成,而结合蛋白质除氨 基酸组成外还含有非蛋白质的辅基(prosthetic group)。 单纯蛋白质可按其溶解度不同而再分为白蛋白、球蛋白、组蛋白、硬蛋白、精蛋白、 谷蛋白等七类(表 2-10),其中前五类在动物体内广泛分布,如组蛋白类主要分布 在细胞核内,以与 DNA 结合的形式存在,有调节基因开放、关闭的功能,本身又再分

为 5 亚基; 硬蛋白类则有保护和支持等功能; 精蛋白则主要存在在精子中富含精氨酸。 不同蛋白质溶解度的不同,有利于从混合蛋白质中进行各蛋白质组分的分离纯化,如 血浆各组成成分蛋白质的分离纯化、综合利用。 结合蛋白质按其辅基不同再可分为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白等六类(表 2- 11)。其中核蛋白是细胞染色体的主要化学组成;而脂蛋白为人血浆中脂类的主要结 合、运输形式。 蛋白质也可按分子形状不同而分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。 纤维状蛋白质 (fibrous protein)分子呈纤维状或棒状,分子长轴和短轴的比一般大于 10。

第六节 蛋白质的重要理化性质
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大分子亲水胶体性质 两性解离与等电点 紫外吸收特征与蛋白质定量分析 蛋白质的变性(denaturation) 蛋白质的变性(denaturation)

变性是指在一些物理或化学因素作用下,使蛋白质分子空间结构破坏,从而引起蛋白 质理化性质改变,包括结晶性能消失。蛋白质溶液粘度增加,呈色反应加强及易被消 化水解等,尤其是溶解度降低和生物活性丧失的过程。蛋白质变性的机理是分子中非 共价键断裂,使蛋白质分子从严密且有序的空间结构转变成杂乱松散、无序的空间结 构,因此生物活性也必然丧失;同时由于蛋白质变性后,分子内部的疏水基团暴露到 了分子的表面,因此其溶解度降低、容易沉淀析出。变性的蛋白质大多沉淀,但沉淀 的蛋白质在蛋白质分离纯化中并不是变性的。 造成蛋白质变性的物理、化学条件有加热、紫外线、X 射线和有机溶剂,如乙醇、尿 素、胍和强酸、强碱、重金属盐等。蛋白质变性虽是能逆转的,因为此时蛋白质的一 级结构并未遭到破坏,故若变性时间短、变性程度较轻,理论上在合适的条件下,变 性蛋白质分子尚可重新卷曲形成天然空间结构,并恢复其生物活性,这即称为蛋白质 的复性(renaturation),但目前情况下大部分变性蛋白质均难以复性,尤其是加热 变性的蛋白质更发生了凝固。 蛋白质变性理论是由中国早年著名生化学家吴宪教授提 出来的,至今仍被世界承认与延用。 在实际工作中, 我们要谨防一些蛋白质制剂或蛋白质药物的变性失活, 如免疫球蛋白、 酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白质激素药物等;而在另一些情况下,又要利用日光、紫外线、 高压蒸汽、酒精和红汞等使细菌蛋白质变性失活,从而达到消毒杀菌的目的。要注意 区别变性是由一些较剧烈的条件使蛋白质构象破坏、生物活性丧失的过程,它不同于 别构中蛋白质构象的轻微改变,伴随着生物活性升高或降低的调节过程。 effect) 五、蛋白质的别构(变构)作用(allosteric effect) 蛋白质的别构(变构)作用( 蛋白质变性与变构是两个完全不同的概念,但两者又有一些相同点,都是在外因作用

下蛋白质分子空间构象的改变,从而引起生物活性的改变,具体内容本书后面还将会 对别构作用有不少介绍,因为别构作用在生命活动的调节中十分重要,尤其是别构酶 的调节作用。

第三章

核酸的结构和功能

核酸(nucleic acid)是重要的生物大分子,它的构件分子是核苷酸(nucleotide), 天然存在的核酸可分为脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)和核糖核酸 (ribonucleic acid,RNA)两类。DNA 贮存细胞所有的遗传信息,是物种保持进化和 世代繁衍的物质基础。RNA 中参与蛋白质合成的有三类:转移 RNA(transfer RNA, tRNA),核糖体 RNA(ribosomal RNA,rRNA)和信使 RNA(messenger RNA,mRNA)。 20 世纪末,发现许多新的具有特殊功能的 RNA,几乎涉及细胞功能的各个方面。
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核苷酸

核苷酸可分为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两类,核糖核苷酸是 RNA 的构件分子,而 脱氧核糖核苷酸是 DNA 构件分子。细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物,它 们具有重要的生理功能。核苷酸由核苷(nucleoside)和磷酸组成。而核苷则由碱基 (base)和戊糖构成(图 3-1)。
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碱基

构成核苷酸中的碱基是含氮杂环化合物,有嘧啶(pyrimidine)和嘌呤(purine)两 类。 核酸中嘌呤碱主要是腺嘌呤和鸟嘌呤, 嘧啶碱主要是胞嘧啶、 胸腺嘧啶和尿嘧啶。 DNA 和 RNA 中均含有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶,而尿嘧啶主要存在于 RNA 中,胸腺嘧 啶主要存在于 DNA 中。在某些 tRNA 分子中也有胸腺嘧啶,少数几种噬菌体的 DNA 含 尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。这五种碱基受介质 pH 的影响出现酮式、烯醇式互变异构体。 在 DNA 和 RNA 中, 尤其是 tRNA 中还有一些含量甚少的碱基, 称为稀有碱基 (rare bases) 稀有碱基种类很多,大多数是甲基化碱基。tRNA 中含稀有碱基高达 10%。
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戊糖

核酸中有两种戊糖 DNA 中为 D-2-脱氧核糖(D-2-deoxyribose),RNA 中则为 D-核糖 (D-ribose)(图 3-5)。在核苷酸中,为了与碱基中的碳原子编号相区别核糖或脱 氧核糖中碳原子标以 C-1’, C-2’等。 脱氧核糖与核糖两者的差别只在于脱氧核糖中 与 2’位碳原子连结的不是羟基而是氢,这一差别使 DNA 在化学上比 RNA 稳定得多。
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核苷

核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键(glycosidic bond)相连接而成。戊糖中 C-1’与嘧 啶碱的 N-1 或者与嘌吟碱的 N9 相连接,戊糖与碱基间的连接键是 N-C 键,一般称为 N-糖苷键(图 3-6)。 RNA 中含有稀有碱基,并且还存在异构化的核苷。如在 tRNA 和 rRNA 中含有少量假尿 嘧啶核苷(用 ψ 表示),在它的结构中戊糖的 C-1 不是与尿嘧啶的 N-1 相连接,而

是与尿嘧啶 C-5 相连接(图 3-7)。 四、核苷酸 核苷中的戊糖 5’碳原子上羟基被磷酸酯化形成核苷酸。核苷酸分为核糖核苷酸与脱 氧核糖核苷酸两大类。依磷酸基团的多少,有一磷酸核苷、二磷酸核苷、三磷酸核苷。 (图 3-8)核苷酸在体内除构成核酸外,尚有一些游离核苷酸参与物质代谢、能量代 谢与代谢调节,如三磷酸腺苷(ATP)是体内重要能量载体;三磷酸尿苷参与糖原的 合成;三磷酸胞苷参与磷脂的合成;环腺苷酸(cAMP)和环鸟苷酸(cGMP)作为第二 信使,在信号传递过程中起重要作用;核苷酸还参与某些生物活性物质的组成:如尼 克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+),尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)和黄素腺 嘌呤二核苷酸(FAD)。
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核酸的分子结构 o 核酸的一级结构

核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子。组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸主要是 dAMP、 dGMP、dCMP 和 dTMP,组成 RNA 的核糖核苷酸主要是 AMP、GMP、CMP 和 UMP。核酸中的 核苷酸以 3’,5’磷酸二酯键构成无分支结构的线性分子。核酸链具有方向性,有两 个末端分别是 5’末端与 3’末端。5’末端含磷酸基团,3’末端含羟基。核酸链内 的前一个核苷酸的 3’羟基和下一个核苷酸的 5’磷酸形成 3’,5’磷酸二酯键, 故核 酸中的核苷酸被称为核苷酸残基。核酸链的结构见图 3-10。通常将小于 50 个核苷酸 残基组成的核酸称为寡核苷酸(oligonucleotide),大于 50 个核苷酸残基称为多核 苷酸(polynucleotide)。
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DNA 的空间结构

(一)DNA 的二级结构 DNA 二级结构即双螺旋结构(double helix structure)。20 世纪 50 年代初 Chargaff 等人分析多种生物 DNA 的碱基组成发现的规则。 DNA 双螺旋模型的提出不仅揭示了遗传信息稳定传递中 DNA 半保留复制的机制,而且 是分子生物学发展的里程碑。 DNA 双螺旋结构特点如下:①两条 DNA 互补链反向平行。②由脱氧核糖和磷酸间隔相 连而成的亲水骨架在螺旋分子的外侧,而疏水的碱基对则在螺旋分子内部,碱基平面 与螺旋轴垂直,螺旋旋转一周正好为 10 个碱基对,螺距为 3.4nm,这样相邻碱基平面 间隔为 0.34nm 并有一个 36?的夹角。 ③DNA 双螺旋的表面存在一个大沟 (major groove) 和一个小沟(minor groove),蛋白质分子通过这两个沟与碱基相识别。④两条 DNA 链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起。根据碱基结构特征,只能形成嘌呤与 嘧啶配对,即 A 与 T 相配对,形成 2 个氢键;G 与 C 相配对,形成 3 个氢键。因此 G 与 C 之间的连接较为稳定(图 3-12)。⑤DNA 双螺旋结构比较稳定。维持这种稳定性 主要靠碱基对之间的氢键以及碱基的堆集力(stacking force)。

生理条件下,DNA 双螺旋大多以 B 型形式存在。右手双螺旋 DNA 除 B 型外还有 A 型、C 型、D 型、E 型。此外还发现左手双螺旋 Z 型 DNA。Z 型 DNA 是 1979 年 Rich 等在研究 人工合成的 CGCGCG 的晶体结构时发现的。 Z-DNA 的特点是两条反向平行的多核苷酸互 补链组成的螺旋呈锯齿形,其表面只有一条深沟,每旋转一周是 12 个碱基对。研究 表明在生物体内的 DNA 分子中确实存在 Z-DNA 区域, 其功能可能与基因表达的调控有 关(图 3-13)。DNA 二级结构还存在三股螺旋 DNA,三股螺旋 DNA 中通常是一条同型 寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合,三股螺旋中的第三股可 以来自分子间,也可以来自分子内(图 3-14)。三股螺旋 DNA 存在于基因调控区和其 他重要区域,因此具有重要生理意义。 三级结构—— ——超螺旋结构 (二)DNA 三级结构——超螺旋结构 DNA 三级结构是指 DNA 链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构。生物体内有些 DNA 是以双 链环状 DNA 形式存在,如有些病毒 DNA,某些噬菌体 DNA,细菌染色体与细菌中质粒 DNA,真核细胞中的线粒体 DNA、叶绿体 DNA 都是环状的。环状 DNA 分子可以是共价闭 合环,即环上没有缺口,也可以是缺口环,环上有一个或多个缺口。在 DNA 双螺旋结 构基础上,共价闭合环 DNA(covalently close circular DNA)可以进一步扭曲形成 超螺旋形(super helical form)(图 3-15 )。根据螺旋的方向可分为正超螺旋和 负超螺旋。正超螺旋使双螺旋结构更紧密,双螺旋圈数增加,而负超螺旋可以减少双 螺旋的圈数。几乎所有天然 DNA 中都存在负超螺旋结构。 的四级结构—— ——DNA (三)DNA 的四级结构——DNA 与蛋白质形成复合物 在真核生物中其基因组 DNA 要比原核生物大得多,如原核生物大肠杆菌的 DNA 约为 4.7×103kb,而人的基因组 DNA 约为 3×106 kb,因此真核生物基因组 DNA 通常与蛋 白质结合,经过多层次反复折叠,压缩近 10 000 倍后,以染色体形式存在于平均直 径为 5μm 的细胞核中。 线性双螺旋 DNA 折叠的第一层次是形成核小体 (nucleosome) 。 犹如一串念珠, 核小体由直径为 11nm×5.5nm 的组蛋白核心和盘绕在核心上的 DNA 构 成。核心由组蛋白 H2A、H2B、H3 和 H4 各 2 分子组成,为八聚体,146 bp 长的 DNA 以左手螺旋盘绕在组蛋白的核心 1.75 圈,形成核小体的核心颗粒,各核心颗粒间有 一个连接区,约有 60 bp 双螺旋 DNA 和 1 个分子组蛋白 H1 构成。平均每个核小体重 复单位约占 DNA 200 bp(图 3-16)。DNA 组装成核小体其长度约缩短 7 倍。在此基础 上核小体又进一步盘绕折叠,最后形成染色体(图 3-17)。 三、基因与基因组 (一)基因(gene)的现代分子生物学概念是指能编码有功能的蛋白质多肽链或合成 RNA 所必需的全部核酸序列,是核酸分子的功能单位。一个基因通常包括编码蛋白质 多肽链或 RNA 的编码序列, 保证转录和加工所必需的调控序列和 5’端、 3’端非编码 序列。另外在真核生物基因中还有内含子等核酸序列(图 3-18)。 (二)基因组(genome)是指一个细胞或病毒所有基因及间隔序列,储存了一个物种 所有的遗传信息。在病毒中通常是一个核酸分子的碱基序列,单细胞原核生物是它仅 有的一条染色体的碱基序列,而多细胞真核生物是一个单倍体细胞内所有的染色体。 如人单倍体细胞的 23 条染色体的碱基序列。多细胞真核生物起源于同一个受精卵,

其每个体细胞的基因组都是相同的。 1. 病毒基因组 2.原核生物基因组 2.原核生物基因组 3.真核生物基因组 3.真核生物基因组 在高等真核生物中基因序列占整个基因组不到 10%,大部分是非编码的间隔序列。人 类基因组研究结果发现在人的基因组中与蛋白质合成有关的基因只占整个基因组 2 %。真核生物基因组的最大的特点是出现分隔开的基因,在这类基因中有编码作用 的序列称外显子(exon),没有编码作用的序列称内含子(intron),它们彼此间隔 排列(见图 3-18)。 四、各类 RNA 的结构 绝大部分 RNA 分子都是线状单链, 但是 RNA 分子的某些区域可自身回折进行碱基互补 配对,形成局部双螺旋。在 RNA 局部双螺旋中 A 与 U 配对、G 与 C 配对,除此以外, 还存在非标准配对,如 G 与 U 配对。RNA 分子中的双螺旋与 A 型 DNA 双螺旋相似,而 非互补区则膨胀形成凸出(bulge)或者环(loop),这种短的双螺旋区域和环称为 发夹结构(hairpin)(图 3-19)。发夹结构是 RNA 中最普通的二级结构形式,二级 结构进一步折叠形成三级结构,RNA 只有在具有三级结构时才能成为有活性的分子。 RNA 也能与蛋白质形成核蛋白复合物,RNA 的四级结构是 RNA 与蛋白质的相互作用。
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tRNA 的结构

tRNA 约占总 RNA 的 15%, tRNA 主要的生理功能是在蛋白质生物合成中转运氨基酸和识 别密码子, 细胞内每种氨基酸都有其相应的一种或几种 tRNA, 因此 tRNA 的种类很多, 在细菌中约有 30~40 种 tRNA,在动物和植物中约有 50~100 种 tRNA。
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一级结构: tRNA 一级结构:

tRNA 是单链分子,含 73~93 核苷酸,分子质量为 24 000~31 000,沉降系数 4S。含 有 10%的稀有碱基。如二氢尿嘧啶(DHU)、核糖胸腺嘧啶(rT)和假尿苷(ψ)以及 不少碱基被甲基化, 其 3’端为 CCA-OH,5’端多为 pG, 分子中大约 30%的碱基是不 变的或半不变的,也就是说它们的碱基类型是保守的。
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二级结构: tRNA 二级结构:

tRNA 二级结构为三叶草型(图 3-20a)。配对碱基形成局部双螺旋而构成臂,不配对 的单链部分则形成环。三叶草型结构由 4 臂 4 环组成。氨基酸臂由 7 对碱基组成,双 螺旋区的 3’末端为一个 4 个碱基的单链区-NCCA-OH 3’,腺苷酸残基的羟基可与氨 基酸 α 羧基结合而携带氨基酸。 二氢尿嘧啶环以含有 2 个稀有碱基二氢尿嘧啶 (DHU) 而得名,不同 tRNA 其大小并不恒定,在 8-14 个碱基之间变动,二氢尿嘧啶臂一般由 3~4 对碱基组成。反密码环由 7 个碱基组成,大小相对恒定,其中 3 个核苷酸组成反

密码子(anticodon),在蛋白质生物合成时,可与 mRNA 上相应的密码子配对。反密 码臂由 5 对碱基组成。 额外环在不同 tRNA 分子中变化较大可在 4~21 个碱基之间变动, 又称为可变环,其大小往往是 tRNA 分类的重要指标。TψC 环含有 7 个碱基,大小相 对恒定,几乎所有的 tRNA 在此环中都含 TψC 序列,TψC 臂由 5 对碱基组成。
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三级结构: tRNA 的三级结构:

二十世纪七十年代初科学家用 X 线射衍技术分析发现 tRNA 的三级结构为倒 L 形(图 3-20b)。tRNA 三级结构的特点是氨基酸臂与 TψC 臂构成 L 的一横,-CCAOH3’末端 就在这一横的端点上,是结合氨基酸的部位,而二氢尿嘧啶臂与反密码臂及反密码环 共同构成 L 的一竖,反密码环在一竖的端点上,能与 mRNA 上对应的密码子识别,二 氢尿嘧啶环与 TψC 环在 L 的拐角上。 形成三级结构的很多氢键与 tRNA 中不变的核苷 酸密切有关,这就使得各种 tRNA 三级结构都呈倒 L 形的。在 tRNA 中碱基堆积力是稳 定 tRNA 构型的主要因素。 (二)mRNA 原核生物中 mRNA 转录后一般不需加工,直接进行蛋白质翻译。mRNA 转录和翻译不仅 发生在同一细胞空间,而且这两个过程几乎是同时进行的。真核细胞成熟 mRNA 是由 其前体核内不均一 RNA(heterogeneous nuclear RNA,hnRNA)剪接并经修饰后才能 进入细胞质中参与蛋白质合成。所以真核细胞 mRNA 的合成和表达发生在不同的空间 和时间。mRNA 的结构在原核生物中和真核生物中差别很大。下面分别作一介绍: 1. 原核生物 mRNA 结构特点 原核生物的 mRNA 结构简单,往往含有几个功能上相关的蛋白质的编码序列,可翻译 出几种蛋白质,为多顺反子。在原核生物 mRNA 中编码序列之间有间隔序列,可能与 核糖体的识别和结合有关。在 5’端与 3’端有与翻译起始和终止有关的非编码序列 (图 3-21),原核生物 mRNA 中没有修饰碱基, 5’端没有帽子结构,3’端没有多聚 腺苷酸的尾巴(polyadenylate tail,polyA 尾巴)。原核生物的 mRNA 的半衰期比真 核生物的要短得多,现在一般认为,转录后 1min,mRNA 降解就开始。 2. 真核生物 mRNA 结构特点 真核生物 mRNA 为单顺反子结构,即一个 mRNA 分子只包含一条多肽链的信息。在真核 生物成熟的 mRNA 中 5’端有 m7GpppN 的帽子结构(图 3-22),帽子结构可保护 mRNA 不被核酸外切酶水解,并且能与帽结合蛋白结合识别核糖体并与之结合,与翻译起始 有关。3’端有 polyA 尾巴,其长度为 20~250 个腺苷酸,其功能可能与 mRNA 的稳定 性有关,少数成熟 mRNA 没有 polyA 尾巴,如组蛋白 mRNA,它们的半衰期通常较短。 (三)rRNA 的结构 rRNA 占细胞总 RNA 的 80%左右,rRNA 分子为单链,局部有双螺旋区域(图 3-22)具 有复杂的空间结构,原核生物主要的 rRNA 有三种,即 5S、16S 和 23S rRNA,如大肠 杆菌的这三种 rRNA 分别由 120、1542 和 2904 个核苷酸组成。真核生物则有 4 种,即

5S、5.8S、18S 和 28S rRNA, 如小鼠,它们相应含 121、158、1874 和 4718 个核苷酸。 rRNA 分子作为骨架与多种核糖体蛋白(ribosomal protein)装配成核糖体。 所有生物体的核糖体都由大小不同的两个亚基所组成。 原核生物核糖体为 70S, 50S 由 和 30S 两个大小亚基组成。30S 小亚基含 16S 的 rRNA 和 21 种蛋白质,50S 大亚基含 23S 和 5S 两种 rRNA 及 34 种蛋白质。真核生物核糖体为 80S,是由 60S 和 40S 两个大 小亚基组成。40S 的小亚基含 18S rRNA 及 33 种蛋白质,60S 大亚基则由 28S、5.8S 和 5S 3种 rRNA 及 49 种蛋白质组成。 (四)其他 RNA 分子 20 世纪 80 年代以后由于新技术不断产生,人们发现 RNA 有许多新的功能和新的 RNA 基因。 细胞核内小分子 RNA small nuclear RNA, ( snRNA) 是细胞核内核蛋白颗粒 (Small nuclear ribonucleoprotein particles,snRNPs)的组成成分,参与 mRNA 前体的剪 接以及成熟的 mRNA 由核内向胞浆中转运的过程。核仁小分子 RNA(small nucleolar RNA, snoRNA) 是类新的核酸调控分子, 参与 rRNA 前体的加工以及核糖体亚基的装配。 胞质小分子 RNA(small cytosol RNA, scRNA)的种类很多,其中 7S LRNA 与蛋白质 一起组成信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP),SRP 参与分泌性蛋白 质的合成,反义 RNA(antisense RNA)由于它们可以与特异的 mRNA 序列互补配对, 阻断 mRNA 翻译,能调节基因表达。核酶是具有催化活性的 RNA 分子或 RNA 片段。目 前在医学研究中已设计了针对病毒的致病基因 mRNA 的核酶,抑制其蛋白质的生物合 成,为基因治疗开辟新的途径,核酶的发现也推动了生物起源的研究。微 RNA (microRNA, miRNA) 是一种具有茎环结构的非编码 RNA, 长度一般为 20-24 个核苷酸, 在 mRNA 翻译过程中起到开关作用,它可以与靶 mRNA 结合,产生转录后基因沉默作用 (post-transcriptional gene silencing,PTGS),在一定条件下能释放,这样 mRNA 又能翻译蛋白质,由于 miRNA 的表达具有阶段特异性和组织特异性,它们在基因表达 调控和控制个体发育中起重要作用。 五 RNA 组 随着基因组研究不断深入,蛋白组学研究逐渐展开,RNA 的研究也取得了突破性的进 展,发现了许多新的 RNA 分子,人们逐渐认识到 DNA 是携带遗传信息分子,蛋白质是 执行生物学功能分子,而 RNA 即是信息分子,又是功能分子。人类基因组研究结果表 明,在人类基因组中约有 30000~40000 个基因,其中与蛋白质生物合成有关的基因 只占整个基因组的 2%, 对不编码蛋白质的 98%基因组的功能有待进一步研究, 为此 20 世纪末科学家在提出蛋白质组学后,又提出 RNA 组学。RNA 组是研究细胞的全部 RNA 基因和 RNA 的分子结构与功能。目前 RNA 组的研究尚处在初级阶段,RNA 组的研究将 在探索生命奥秘中做出巨大贡献。
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核酸的理化性质 o 核酸的大小和测定

一般来说,进化程度高的生物 DNA 分子应越大,能贮存更多遗传信息。但进化的复杂 程度与 DNA 大小并不完全一致,如哺乳类动物 DNA 约为 3×109 bp,但有些两栖类动

物、南美肺鱼 DNA 大小可达 1010bp 到 1011bp(表 3-3)。 常用测定 DNA 分子大小的方法有电泳法、离心法。凝胶电泳是当前研究核酸的最常用 方法,凝胶电泳有琼脂糖(agarose)凝胶电泳和聚丙烯酰胺(polyacrylamide)凝 胶电泳, 二、核酸的水解 DNA 和 RNA 中的糖苷键与磷酸酯键都能用化学法和酶法水解。在很低 pH 条件下 DNA 和 RNA 都会发生磷酸二酯键水解。并且碱基和核糖之间的糖苷键更易被水解,其中嘌 呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键对酸更不稳定。 在高 pH 时, 的磷酸酯键易被水解, RNA 而 DNA 的磷酸酯键不易被水解。 水解核酸的酶有很多种,若按底物专一性分类,作用于 RNA 的称为核糖核酸酶 (ribonuclease, RNase) 作用于 DNA 的则称为脱氧核糖核酸酶 , (deoxyribonuclease, DNase)。按对底物作用方式分类,可分核酸内切酶(endonuclease)与核酸外切酶 (exonuclease)。核酸内切酶的作用是在多核苷酸内部的 3’,5’磷酸二酯键,有 些内切酶能识别 DNA 双链上特异序列并水解有关的 3’, 5’磷酸二酯键。 核酸内切酶 是非常重要的工具酶, 在基因工程中有广泛用途。 而核酸外切酶只对核酸末端的 3’, 5’磷酸二酯键有作用, 将核苷酸一个一个切下, 可分为 5’→3’外切酶, 3’→5’ 与 外切酶。 三、核酸的变性、复性和杂交 核酸的变性、 变性 在一定理化因素作用下,核酸双螺旋等空间结构中碱基之间的氢键断裂,变成单链的 现象称为变性(denaturation)。引起核酸变性的常见理化因素有加热、酸、碱、尿 素和甲酰胺等。在变性过程中,核酸的空间构象被破坏,理化性质发生改变。由于双 螺旋分子内部的碱基暴露,其 A260 值会大大增加。A260 值的增加与解链程度有一定 比例关系,这种关系称为增色效应(hyperchromic effect)(图 3-24)。如果缓慢加 热 DNA 溶液,并在不同温度测定其 A260 值,可得到“S”形 DNA 熔化曲线(melting curve) (图 3-25a)。从 DNA 熔化曲线可见 DNA 变性作用是在一个相当窄的温度内完 成的。 当 A260 值开始上升前 DNA 是双螺旋结构, 在上升区域分子中的部分碱基对开始断裂, 其数值随温度的升高而增加, 在上部平坦的初始部分尚有少量碱基对使两条链还结合 在一起,这种状态一直维持到临界温度,此时 DNA 分子最后一个碱基对断开,两条互 补链彻底分离。通常把加热变性时 DNA 溶液 A260 升高达到最大值一半时的温度称为 该 DNA 的熔解温度(melting temperature Tm),Tm 是研究核酸变性很有用的参数。 Tm 一般在 85~95℃之间,Tm 值与 DNA 分子中 G C 含量成正比。 复性 变性 DNA 在适当条件下,可使两条分开的单链重新形成双螺旋 DNA 的过程称为复性

(renaturation)。当热变性的 DNA 经缓慢冷却后复性称为退火(annealing)(图 3-26)。DNA 复性是非常复杂的过程,影响 DNA 复性速度的因素很多:DNA 浓度高, 复性快;DNA 分子大复性慢;高温会使 DNA 变性,而温度过低可使误配对不能分离等 等。最佳的复性温度为 Tm 减去 25℃,一般在 60℃左右。离子强度一般在 0.4mol/L 以上。 杂交 具有互补序列的不同来源的单链核酸分子,按碱基配对原则结合在一起称为杂交 (hybridization)。杂交可发生在 DNA-DNA、RNA-RNA 和 DNA-RNA 之间。杂交是分子 生物学研究中常用的技术之一, 利用它可以分析基因组织的结构, 定位和基因表达等, 常用的杂交方法有 Southern 印迹法,Northern 印迹法和原位杂交(insitu hybridization)等。


酶(enzyme)是生物催化剂,体内的代谢反应都是由酶所催化的,所以它在物质代谢中 发挥非常重要的作用。因此在讨论物质代谢之前必先对酶有一个全面的了解;本章重 点为酶的化学结构和其催化活性之间的关系、酶的作用机制和酶反应动力学。 第一节,酶的概念 酶是由活细胞产生的一类具有催化作用的蛋白质,故又有生物催化剂(biocatalyst) 之称.与一般催化剂相比,酶的催化作用有高度专一性、高度催化效率及其催化活性 的可调节性和高度的不稳定性(变性失活)等特点.酶的这些性质使细胞内错综复杂 的物质代谢过程能有条不紊地进行,使物质代谢与正常的生理机能互相适应.若因遗 传缺陷造成某个酶缺损,或其它原因造成酶的活性减弱,均可导致该酶催化的反应异 常,使物质代谢紊乱,甚至发生疾病.因此酶与医学的关系十分密切, 自 1982 年以来随着具有催化功能的 RNA 和 DNA 的陆续发现,目前认为生物体内除了 存在酶这类催化剂外,另一类则是核酸催化剂,如其本质为 RNA 则称为核酶 (ribozyme),因此现代科学认为酶是由活细胞所产生,能在体内或体外发挥相同催 化作用的一类具有活性中心和特殊结构的生物大分子,包括蛋白质和核酸,但由于核 酸参与催化反应有限,而且这些反应均可有相应的酶所催化,因此酶仍是体内最主要 的催化剂。 第二节酶作用的分子基础 一、酶的化学组成 按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。 单纯酶分子中只有氨基酸残基 组成的肽链,结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质,还有非蛋白成分,如金属离 子、铁卟啉或含 B 族维生素的小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白 (apoenzyme),非蛋白质部分统称为辅助因子 (cofactor),两者一起组成全酶

(holoenzyme);只有全酶才有催化活性,如果两者分开则酶活力消失。非蛋白质部分 如铁卟啉或含 B 族维生素的化合物若与酶蛋白以共价键相连的称为辅基(prosthetic group),用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开;反之两者以非共价键相连的 称为辅酶(coenzyme),可用上述方法把两者分开。表 4-1 为以金属离子作结合酶辅助 因子的一些例子。表 4-2 列出含 B 族维生素的几种辅酶(基)及其参与的反应。 结合酶中的金属离子有多方面功能,它们可能是酶活性中心的组成成分;有的可能在 稳定酶分子的构象上起作用;有的可能作为桥梁使酶与底物相连接。辅酶与辅基在催 化反应中作为氢(H+和 e)或某些化学基团的载体,起传递氢或化学基团的作用。体内 酶的种类很多,但酶的辅助因子种类并不多,从表 4—1 中已见到几种酶均用某种相 同的金属离子作为辅助因子的例子, 同样的情况亦见于辅酶与辅基, 3-磷酸甘油醛 如 脱氢酶和乳酸脱氢酶均以 NAD+作为辅酶。 酶催化反应的特异性决定于酶蛋白部分, 而 辅酶与辅基的作用是参与具体的反应过程中氢(H+和 e)及一些特殊化学基团的运载。 二、酶的活性中心 酶属生物大分子,分子质量至少在 1 万以上,大的可达百万。酶的催化作用有赖于酶 分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。 一个值得注意的问题是酶所催化的反应物即底物(substrate),却大多为小分物质 它们的分子质量比酶要小几个数量级。 酶的活性中心(active center)只是酶分子中的很小部分,酶蛋白的大部分氨基酸 残基并不与底物接触。组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在不同的功能基团,如 -NH2、-COOH、-SH、-OH 和咪唑基等,它们来自酶分子多肽链的不同部位。有的基团 在与底物结合时起结合基团(binding group)的作用,有的在催化反应中起催化基团 (catalytic group)的作用。但有的基团既在结合中起作用,又在催化中起作用,所 以常将活性部位的功能基团统称为必需基团(essential group)。它们通过多肽链的 盘曲折叠,组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙,以容纳进入的 底物与之结合(图 4-1)并催化底物转变为产物,这个区域即称为酶的活性中心。 而酶活性中心以外的功能集团则在形成并维持酶的空间构象上也是必需的, 故称为活 性中心以外的必需基团。对需要辅助因子的酶来说,辅助因子也是活性中心的组成部 分。酶催化反应的特异性实际上决定于酶活性中心的结合基团、催化基团及其空间结 构。 三、酶的分子结构与催化活性的关系 酶的分子结构的基础是其氨基酸的序列, 它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以 及酶催化的专一性。 如哺乳动物中的磷酸甘油醛脱氢酶的氨基酸残基序列几乎完全相 同,说明相同的一级结构是酶催化同一反应的基础。又如消化道的糜蛋白酶,胰蛋白 酶和弹性蛋白酶都能水解食物蛋白质的肽键,但三者水解的肽键有各自的特异性,糜 蛋白酶水解含芳香族氨基酸残基提供羧基的肽键, 胰蛋白酶水解赖氨酸等碱性氨基酸 残基提供羧基的肽键, 而弹性蛋白酶水解侧链较小且不带电荷氨基酸残基提供羧基的 肽键. 这三种酶的氨基酸序列分析显示 40%左右的氨基酸序列相同, 都以丝氨酸残基 作为酶的活性中心基团,三种酶在丝氨酸残基周围都有 G1y-Asp-Ser-Gly-Pro 序列,

X 线衍射研究提示这三种酶有相似的空间结构,这是它们都能水解肽键的基础。而它 们水解肽键时的特异性则来自酶的底物结合部位上氨基酸组成上有徽小的差别所致 (图 4-2)。 图说明这三个酶的底物结合部位均有一个袋形结构, 糜蛋白酶该处能容纳芳香基或非 极性基;胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一个氨基酸残基为天冬氨酸取代,使该处负 电荷增强,故该处对带正电荷的赖氨酸或精酸残基结合有利;弹性蛋白酶口袋二侧为 缬氨酸和苏氨酸残基所取代,因此该处只能结合较小侧链和不带电荷的基团.说明酶 的催化特异性与酶分子结构的紧密关系。 四、酶原与酶原激活(zymogen andactivation of zymogen) 有些酶如消化系统中的各种蛋白酶以无活性的前体形式合成和分泌,然后,输送到特 定的部位, 当体内需要时, 经特异性蛋白水解酶的作用转变为有活性的酶而发挥作用。 这些不具催化活性的酶的前体称为酶原(zymogen)。如胃蛋白酶原(pepsinogen)、 胰蛋白酶原(trypsinogen)和胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)等。某种物质作用 于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。 使无活性的酶原转变为有活性 的酶的物质称为活化素。活化素对于酶原的激活作用具有一定的特异性。 例如胰腺细胞合成的糜蛋白酶原为 245 个氨基酸残基组成的单一肽链,分子内部有 5 对二硫键相连,该酶原的激活过程如图 4-3 所示.首先由胰蛋白酶水解 15 位精氨酸 和 16 位异亮氨酸残基间的肽键,激活成有完全催化活性的 p-糜蛋白酶,但此时酶分 子尚未稳定, p-糜蛋白酶自身催化, 经 去除二分子二肽成为有催化活性井具稳定结构 的 α—糜蛋白酶。 在正常情况下,血浆中大多数凝血因子基本上是以无活性的酶原形式存在,只有当组 织或血管内膜受损后,无活性的酶原才能转变为有活性的酶,从而触发一系列的级联 式酶促反应,最终导致可溶性的纤维蛋白原转变为稳定的纤维蛋白多聚体,网罗血小 板等形成血凝块。 酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的 形成酶原激活有重要的生理意义, 一方面它保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化 破坏,另一方面使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用。 如组织或血管内膜受损后激活凝血因子; 胃主细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分泌 的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原等分别在胃和小肠激活成相应的活性酶, 促进食物蛋白质的消化就是明显的例证。 特定肽键的断裂所导致的酶原激活在生物体 内广泛存在,是生物体的一种重要的调控酶活性的方式。如果酶原的激活过程发生异 常,将导致一系列疾病的发生。出血性胰腺炎的发生就是由于蛋白酶原在未进小肠时 就被激活,激活的蛋白酶水解自身的胰腺细胞,导致胰腺出血、肿胀。 四、同工酶(isoenzyme) 同工酶的概念:即同工酶是一类催化相同的化学反应,但酶蛋白的分子结构、理化性 质和免疫原性各不相同的一类酶。 它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组 织,甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。至今已知的同工酶已不下几十种,

如己糖激酶,乳酸脱氢酶等,其中以乳酸脱氢酶(Lactic acid dehydrogenase,LDH) 研究得最为清楚。人和脊柱动物组织中,有五种分子形式,它们催化下列相同的化学 反应: 五种同工酶均由四个亚基组成。 LDH 的亚基有骨骼肌型(M 型)和心肌型(H 型)之分, 两 型亚基的氨基酸组成不同,由两种亚基以不同比例组成的四聚体,存在五种 LDH 形 式.即 H4(LDHl)、H3M1(LDH2)、H2M2 (LDH3)、H1M3(LDH4)和 M4 (LDH5)。 M、H 亚基的氨基酸组成不同,这是由基因不同所决定。五种 LDH 中的 M、H 亚基比例 各异,决定了它们理化性质的差别.通常用电冰法可把五种 LDH 分开,LDH1 向正极泳 动速度最快, LDH5 泳动最慢, 而 其它几种介于两者之间, 依次为 LDH2、 LDH3 和 LDH4(图 4-5) 图 4-5 还说明了不同组织中各种 LDH 所含的量不同,心肌中以 LDHl 及 LDH2 的 量较多,而骨骼肌及肝中 LDH5 和 LDH4 为主.不同组织中 LDH 同工酶谱的差异与组织 利用乳酸的生理过程有关.LDH1 和 LDH2 对乳酸的亲和力大,使乳酸脱氢氧化成丙酮 酸,有利于心肌从乳酸氧化中取得能量。LDH5 和 LDH4 对丙酮酸的亲和力大,有使丙 酮酸还原为乳酸的作用,这与肌肉在无氧酵解中取得能量的生理过程相适应(详见糖 代谢章).在组织病变时这些同工酶释放入血,由于同工酶在组织器官中分布差异, 因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病(图 4-5)。 五、 别构酶 别构酶(allosteric enzyme)往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶,酶分子中除有 催化作用的活性中心也称催化位点(catalytic site)外;还有别构位点(allosteric site).后者是结合别构剂(allesteric effector)的位置,当它与别构剂结合时,酶 的分子构象就会发生轻微变化,影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构 剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂 (allostericactivator),反之使酶底物的 r 亲和力或催化效率降低的称为别构抑制 剂(allostericinhibitor)。酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节(allosteric regulation)作用.别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位,但更 多的是分别处于不同亚基上.在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基,而具别 构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端,而别构酶的别构剂往往是一 些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。 故别构酶的催 化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的 别构酶称反馈抑制(feedback inhibition).说明一旦细胞内终产物增多,它作为别 构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶,及时调整该代谢途径的速度,以适应细胞生理 机能的需要。 别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。 故别构酶又称调节酶。 (regulatory enzyme) 六、修饰酶 体内有些酶需在其它酶作用下,对酶分子结构进行修饰后才具催化活性,这类酶称为 修饰酶(modification enzyme)。其中以共价修饰为多见,如酶蛋白的丝氨酸,苏 氨酸残基的功能基团-OH 可被磷酸化,这时伴有共价键的修饰变化生成,故称共价修 饰(covalent modification)。由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节 (covalent modification regulation)。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷

酸化, 此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、 尿苷酸化与去尿苷酸化、 甲基化与去甲基化。 由于共价修饰反应迅速,具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方 式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式,有活 性的称为磷酸化酶 a,无活性的称为磷酸化酶 b,这两种形式的互变就是通过酶分子 的磷酸化与去磷酸化的过程(详见糖代谢章) 七、多酶复合体与多酶体系 体内有些酶彼此聚合在一起,组成一个物理的结合体,此结合体称为多酶复合体 (multienzyme complex)。若把多酶复合体解体,则各酶的催化活性消失。参与组成 多酶复合体的酶有多有少, 如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由 三种酶组成,而在线粒体中催化脂肪酸 β-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复 合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物,如此连续进行,直至终产物 生成. 多酶复合体由于有物理结合,在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行,是生物 体提高酶催化效率的一种有效措施。 体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与,依次完成反应过程,这些酶不同于 多酶复合体,在结构上无彼此关联。故称为多酶体系(multienzyme system)。如参与 糖酵解的 11 个酶均存在于胞液,组成一个多酶体系。 八、多功能酶 近年来发现有些酶分子存在多种催化活性, 例如大肠杆菌 DNA 聚合酶 I 是一条分子质 量为 109kDa 的多肽链,具有催化 DNA 链的合成、3’-5’核酸外切酶和 5’-3’核酸 外切酶的活性, 用蛋白水解酶轻度水解得两个肽段, 一个含 5’-3’核酸外切酶活性, 另一个含另两种酶的活性,表明大肠杆菌 DNA 聚合酶分子中含多个活性中心。哺乳动 物的脂肪酸合成酶由两条多肽链组成, 每一条多肽链均含脂肪酸合成所需的七种酶的 催化活性。 这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越 性,因为相关的化学反应在一个酶分子上进行,比多酶复合体更有效,这也是生物进 化的结果。 第三节酶的分类与命名原则 为了更有效地研究酶,人们曾提出各种酶分类命名的方法,但目前普遍接受的是国际 生化联合会酶委员会推荐的系统,其主要内容如下:
o

根据酶的反应性质、将酶分成六大类: 氧化还原酶类(oxidoreductase) 转移酶类(transferases) 水解酶类(hydrolases ) 裂解酶类(lyases) 异构酶类(isomerases)

合成酶类(ligase) 在每一大类中,再根据更具体的酶反应、底物性质分成若干亚类和亚亚类。对每一种 酶同时采用系统和习惯两种命名
o

习惯命名法

三、系统命名法. 鉴于新酶的不断发现和过去对酶命名的紊乱, 为避免一种酶有几种名称或不同的酶用 同一种名称的现象,国际酶学委员会规定了一个系统命名法,包括了酶的系统命名和 4 个数字分类的酶编号.例如对催化下列反应的酶的命名为 ATP 十 D 一葡萄糖 ADP 十 D 一葡萄糖---6 磷酸

ATP 葡萄糖磷酸转移酶,它催化从 ATP 中转移一个磷酸到葡萄糖的反应.它的分类数 是 E、C、2,7,l,1.E、C 表示国际酶学委员会,第一个数字“2”代表酶的分类(转 移酶类),第二个“7”代表亚类(磷酸转移酶类);第三个“l”代表亚亚类(以羟基作 为受体的磷酸转移酶类);第四个“1”代表该酶在亚亚类中的排号(以 D-葡萄糖作为 磷酸基的受体)。
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酶促反应的特点及作用机制

一、酶促反应的特点 (一)酶促反应具有高度的催化速率 酶是高效生物催化剂,比一般催化剂的效率高 107-1013 倍。酶能加快化学反应的速 度,但酶不能改变化学反应的平衡点,也就是说酶在促进正向反应的同时也以相同的 比例促进逆向的反应, 所以酶的作用是缩短了到达平衡所需的时间, 但平衡常数不变, 在无酶的情况下达到平衡点需几个小时,在有酶时可能只要几秒钟就可达到平衡。 酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能的机制来加快化学反应速度的。 (二) 酶催化具有高度特异性 酶的催化特异性表现在它对底物的选择性和催化反应的特异性两方面。 体内的化学反 应除了个别自发进行外,绝大多数都由专一的酶催化,一种酶能从成千上万种反应物 中找出自己作用的底物,这就是酶的特异性。根据酶催化特异性程度上的差别,分为 绝对特异性(absolute specificity)、相对特异性(relative specificity)和立体异 构特异性(stereospecificity)三类。一种酶只催化一种底物进行反应的称绝对特异 性,如脲酶只能水解尿素使其分解为二氧化碳和氨;若一种酶能催化一类化合物或一 类化学键进行反应的称为相对特异性,如酯酶既能催化甘油三脂水解,又能水解其他 酯键。具有立体异构特异性的酶对底物分子立体构型有严格要求,如 L 乳酸脱氢酶只 催化 L-乳酸脱氢,对 D-乳酸无作用。

(三) 酶活性的可调节性 有些酶的催化活性可受许多因素的影响,如别构酶受别构剂的调节,有的酶受共价修 饰的调节,激素和神经体液通过第二信使对酶活力进行调节,以及诱导剂或阻抑剂对 细胞内酶含量(改变酶合成与分解速度)的调节等。 二、酶促反应的作用机制
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酶(E)与底物(S)形成酶-底物复合物(ES)

酶的活性中心与底物定向结合生成 ES 复合物是酶催化作用的第一步。定向结合的能 量来自酶活性中心功能基团与底物相互作用时形成的多种非共价键, 如离子键、 氢键、 疏水键,也包括范德瓦力。它们结合时产生的能量称为结合能(binding energy)。 这就不难理解各个酶对自己的底物的结合有选择性。 (二)酶与底物的过渡状态互补 若酶只与底物互补生成 ES 复合物,不能进一步促使底物进入过渡状态,那末酶的催 化作用不能发生。这是因为酶与底物生成 ES 复合物后尚需通过酶与底物分子间形成 更多的非共价健,生成酶与底物的过渡状态互补的复合物(图 4-8),才能完成酶的催 化作用。 实际上在上述更多的非共价健生成的过程中底物分子由原来的基态转变成过 渡状态。 即底物分子成为活化分子, 为底物分子进行化学反应所需的基团的组合排布、 瞬间的不稳定的电荷的生成以及其他的转化等提供了条件。 所以过渡状态不是一种稳 定的化学物质,不同于反应过程中的中间产物。就分子的过渡状态而言,它转变为产 物(P)或转变为底物(S)的概率是相等的。 当酶与底物生成 ES 复合物并进一步形成过渡状态,这过程已释放较多的结合能,现 知这部分结合能可以抵消部分反应物分子活化所需的活化能, 从而使原先低于活化能 阈的分子也成为活化分子,于是加速化学反应的速度 (三)酶促反应作用机制 1.邻近效应与定向排列 2.多元催化(multielement catalysis) 3.表面效应(surface effect) 应该指出的是,一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用,这是酶促反应高 效率的重要原因。 第五节酶促反应的动力学 酶促反应动力学是研究酶促反应速度和影响酶促反应速度的因素。许多因素如酶浓 度、底物浓度、pH、温度、激活剂和抑制剂等都能影响酶促反应的速度。在研究某一 因素对酶反应速度的影响时,要使酶催化系统的其他因素不变,并保持严格的反应初

速度条件。如酶反应速度与酶浓度呈正比的条件,在此条件下酶催化系统所用的底物 量足以饱和所有的酶,而生成的产物不足以影响酶催化效率,反应系统的其他条件如 pH 等未发生明显改变。 动力学研究可为酶作用机制提供有价值的信息, 也有助于确定 酶作用的最适条件。应用抑制剂探讨酶活性中心功能基团的组成,对酶的结构与功能 方面的研究甚至临床实用方面的研究都有重要价值。 一、酶浓度对酶促反应速度的影响 在一定的温度和 pH 条件下,当底物浓度远大于酶的浓度时,酶反应速度与酶浓度成 正比(图 4-11) 即 v=K[E] (1) 式中 v 为反应速度,K 为反应速度常数,[E]代表酶浓度 二、底物浓度对酶促反应速度的影响 (一)底物浓度曲线 在酶浓度不变的情况下,底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线。 (二)米-曼氏(Michaelis-Menten)方程式 体内大多数酶均表现上述底物浓度与反应速度的关系, 于是米—曼两人在前人工作的 基础上提出酶与底物首先形成中间复合物的学说,即:

K1
E+S ES

K3
E+P

K2
式中 E、S、ES 和 P 分别代表游离酶、底物、酶-底物复合物和反应产物。Kl 为 ES 生 成的反应速度常数, 2 和 K3 分别代表 ES 分解为 E+S 和 E+P 的反应速度常数。 K 他们假 设在反应初速度条件下,P 浓度很低,那末 E+P 逆向生成 ES 的反应可忽略不计;也假 设 S+E 生成 ES 和由 ES 分解为 E+S 的反应为快反应并很快达到严衡, ES 分解为 E+P 但 的反应为慢反应,它是整个反

即可知道达最大反应速度一半时所需的底物浓度,此底物浓度也就是该酶的 Km,Km 的单位与底物相同,均为 mol/L(mol/L). (三)米氏方程中的 Km 与 Vmax 的意义
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当反应速度为最大速度一半时米氏方程式可以变换如下:

进一步整理得 Km =[s]。由此可见,Km 值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物 浓度。

此时,Km 值愈小,酶与底物的亲和力愈大。这表示不需要很高的底物浓度便可容易地 达到最大反应速度。但 K3 值并非在所有酶促反应中都远小于 K2,所以,此时 Ks 值和 Km 值的涵义不同,不能相互替代使用。 3.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。各种酶的 Km 值范围很广。对于同一底 物,不同的酶有不同的 Km 值;多底物反应的酶对于不同底物也有不同的 Km 值。 4.Vmax 是酶完全被底物饱和时的反应速度,与酶浓度呈正比。如果酶的总浓度已知, 便可从 Vmax 计算酶的转换数(turnover number).例如,10-6mol/L 的碳酸酐酶溶液 在一秒钟内催化生成 0.6mol/L H2CO3,则每一分钟酶可催化生成 6×105 个分子的 H2CO3。

k
动力学常数 K3 称为酶的转换数,其定义是;当酶被底物充分饱和时,单位时间内每 个酶分子(或活性中心)催化底物转变为产物的分子数。 (四) Km 和 Vmax 值的测定: 通过上述底物浓度曲线可以近似的测出 Vmax 和 Km, 但精确度差,且费时费力。为此人们将米氏方程式进行种种变换,应用最多的是将曲 线作图转变为直线的双倒数作图法(Lineweave- Burk plot), 以 1/v 对 1/[S]作图,得一条直线,其斜率为 Km/v,直线与 y 轴相交的截距为 1/v, 与轴相交的一点为-1/Km(图 4-14)。 三、温度对酶促反应速度的影响和酶作用的最适温度 化学反应的速度随温度升高而加速,酶促反应在一定温度范围内也遵循这规律。但酶 是蛋白质,愠度升高可使酶变性失活,故以酶反应速度 v 对温度作图,可得一条钟罩 形曲线(图 4-17)。 曲线顶部所指的温度称为该酶的最适温度(optimum temperature)。酶的最适温度是 温度升高使酶促反应加速和使酶变性两种拮抗因素作用的总和。 故若酶促反应持续时 间短,则温度促使化学反应加速的影响大于对酶变性的影响,此条件下测得的最适温

度往往偏高。反之若反应时间长,温度导致酶失活的影响变为明显,此时测得的最适 温度偏低(图 4—17)。因此酶的最适温度不是酶的特征性常数。 四、pH 对酶促反应速度的影响和酶作用的最适 pH 酶促反应速度受介质 pH 的影响, 一种酶在几种 PH 介质中测其活力, 可看到在某一 pH 时酶促效率最高, 这个 pH 称为该酶的最适 pH(optimun pH), 酶作用存在最适 pH 提示 酶分子活性基团的电离状态、 底物分子及辅酶与辅基的电离状态都与酶的催化作用相 关,但酶的最适 pH 也不是酶的特征性常数,如缓冲液的种类与浓度,底物浓度等均 可改变酶作用的最适 pH。 大多数酶的反应速度对 pH 的变化呈钟罩形曲线(图 4-17)个别的只有钟罩形的一半 (图 4-15b 和 c)。也有的酶,如木瓜蛋白酶的活力与反应液的 pH 变化关系不大。多数 植物和微生物来源的酶,最适 pH 在 4.5-6.5 左右;动物酶的最适 pH 在 6.5~8.0 左 右; 个别也有例外; 如胃蛋白酶的最适 pH 为 1.5-2.5, 精氨酸酶的最适 pH 在 9.8-10.0.。 五、激活剂的影响 凡能提高酶活性,加速酶促反应进行的物质都称为该酶的激活剂(activator)。激活 剂按其分子质量大小可分为以下三种。 (1)无机离子激活剂 (2)一些小分子的有机化合物 (3)生物大分子激活剂 六、抑制剂对酶促反应速度的影响 能使酶活力降低的物质称为酶的抑制剂(inhibitor)。但强酸、强碱等造成酶变性失 活不属酶的抑制作用而称酶的钝化。 可见酶的抑制作用是指抑制剂作用下酶活性中心 或必需基团发生性质的改变并导致酶活性降低或丧失的过程。 按抑制剂作用方式分为 不可逆性抑制和可逆性抑制两类。 (—) 不可逆性抑制(irreversibleinhibition) 不可逆性抑制作用的抑制剂以共价键与酶的必需基团结合, 因结合甚牢不能用透析或 超滤方法使两者分开,故所造成的抑制作用是不可逆的。按抑制剂对酶必需基团选择 程度不同,又分非专一性和专一性抑制两类。 1.非专一性不可逆性抑制作用抑制剂与酶的一类或几类基团结合.抑制剂并不区分 其结合的基团属必需基团或非必需基团。如重金属离子 Pb2+、Cu2+、等和对氯汞苯甲 酸与酶分子的巯基进行不可逆结合,化学毒剂“路易士气”则是一种含砷的化合物, 它能抑制含巯基酶的活性 重金属离子与酶分子必需基团巯基结合是造成酶活性抑制的主要原因。 二巯基丙醇或

丁二酸钠等含巯基的化合物,可以置换结合于酶分子上的重金属离子而使酶恢复活 性,因此临床上用于抢救重金属中毒的药物 2、专一性不可逆性抑制作用抑制剂专一性作用于酶活性中心的必需基团并导致酶活 性的抑制。如二异丙基氟磷酸(diisopropyl phosphofluoride,DIFP)专一性地共价 结合于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基的羟基,造成酶活性的抑制。 有机磷农药,敌敌畏等具有与 DIFP 类似的结构,它能使昆虫胆碱酯酶磷酰话,而胆 碱酯酶与中枢神经系统有关。正常机体在神经兴奋时,神经末梢释放出乙酰胆碱传导 刺激。 乙酰胆碱发挥作用后, 被乙酰胆碱酯酶水解为乙酸和胆碱。 若胆碱酯酶被抑制, 神经末梢分泌的乙酰胆碱不能及时地分解掉,造成突触间隙乙酰胆碱的积累,引起一 系列胆碱能神经过度兴奋,如抽搐等症状,最后导致昆虫死亡,但同样的机制可使人 畜受害,因此这类物质又称神经毒剂。解磷定等药物可以置换结合于胆碱酯酶上的磷 酰基而恢复酶活力,故用于抢救农药中毒病人。 氰化物和一氧化碳等这些物质能与金属离子形成稳定的络合物, 而使一些需要金属离 子的酶的活性受到抑制。如含铁卟啉辅基的细胞色素氧化酶。 (二)可逆性抑制作用(reversible inhibition) 抑制剂以非共价键与酶结合,故不甚牢固,可用透析等物理方法把酶与抑制剂分开, 使酶恢复催化活性,故称为酶的可逆性抑制作用。根据抑制剂、底物与酶三者的相互 关系,可逆性抑制又可分竞争性抑制(competitive inhibition)、非竞争性抑制(non competitive inhibition)和反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)三种。 1.竞争性抑制作用抑制剂 I 的化学结构与酶作用的底物 S 十分类似, 它们都能与酶的 活性中心结合,两者对酶的结合有竞争作用。结合后分别形成 EI 或 ES 复合物。形成 EI 后酶不具催化作用,由此导致反应系统中游离酶浓度降低并使酶活性抑制(图 4-18a)。酶与抑制剂形成 EI 后成为反应的死端,但生成的 EI 与 E 和 I 之间很快达到 平衡,此时若增加底物浓度就增加了底物与酶形成 ES 的可能性。只要反应系统中加 入的底物浓度足够高,就有可能使全部 EI 解离为 E 和 I,E 和底物形成 ES,从而恢复 酶的全部活性。因此竞争性抑制的显著特点是其抑制作用可用高浓度的底物来解除。 经典的例子是丙二酸竞争性地抑制琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸的反 应。丙二酸只比琥珀酸少一个碳原子,故可与琥珀酸竞争与琥珀酸脱氢酶的活性中心 结合,但酶不能催化丙二酸脱氢而形成死端,从而抑制琥珀酸脱氯酶的活力。此时增 加反应系统中琥珀酸的浓度,可以解除丙二酸对酶的抑制作用。草酰乙酸,苹果酸的 化学结构亦与琥珀酸相似,它们亦是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。 运用米氏万程式推导的方法,演算出竞争性抑制的动力学方程式为: v=Vmax[S]

Km(1+[I]/ ki )+[S](13) 式(13)中 ki 为 EI 的解离常数,[1]为抑制剂浓度。把式(13)与米氏方程式相比,竞 争性抑制剂的存在使 Km 增大了(1+[1]/ki)倍,其增加的程度取决于 ki 的大小和抑 制剂的浓度,酶促反应速度 v 却因 Km 项增大而减小,但最大反应速度 Vmax 不受竞争 性抑制剂的影响。应用双倒数法,竞争性抑制的动力学方程式以 1/v 对 1/[S]作图, 可以得到竞争性抑制的特征性曲线(图 4-19)。由图 4-19 可知,竞争性抑制剂存在时 直线的斜率比无抑制剂存在时升高(1+[1]/Ki)倍, 直线在横轴的截距—1/Km(1+[I] /ki)比无抑制剂时要小,也就是 Km 值增大,而直线与纵轴相交点 1/v 并不因抑制 剂存在而变化,亦即最大反应速度 Vm 不变。 酶的竞争性抑制有重要的实际应用,很多药物是酶的竞争性抑制剂。如磺胺类药物的 抑制作用就基于这一原理。细菌利用对氨基苯甲酸、二氢蝶呤及谷氨酸作原料,在二 氢叶酸合成酶的催化下合成二氢叶酸,后者还可转变为四氢叶酸,是细菌合成核酸所 不可缺的辅酶。磺胺药的化学结构与对氨基苯甲酸十分相似,故能与对氨基苯甲酸竞 争二氢叶酸合成酶的活性中心, 造成该酶活性抑制, 进而减少四氢叶酸和核酸的合成, 最终导致细菌繁殖生长停止。 2.非竞争性抑制作用非竞争性抑制剂可逆地与酶的非活性中心区结合, 故酶与抑制剂 形成 EI 后,还可结合底物形成 EIS。由于抑制剂不与底物竞争酶的活性中心,故称为 非竞争性抑制作用(4-18c)。非竞争性抑制作用中增加底物浓度不能解除非竞争性抑 制剂的抑制作用。 用米氏方程式推导的方法可以演算出非竞争性抑制的动力学方程式: v=Vmax[S]

(Km+[S])(1+[I]/ki)(15) 应用双倒数式为以 1/v 对 1/[S] 作图,可得到非竞争性抑制的特征性曲线(图 4-20)。在有非竞争性抑制剂存在时,直线的斜率升高(1+[1]/Ki)倍,直线与纵轴相 交点亦比无抑制剂时升高(1+[1]/Ki )倍,说明 Vmax 降低,但直线与横轴相交点与 无抑制剂时相同,即 Km 不受抑制剂影响。 3.反竞争性抑制作用:反竞争性抑制剂不直接与酶结合,而是与 ES 复合物结合,生 成 ESI 后酶失去催化活性,造成酶的抑制(4-18b)。 用米氏方程式推导,演算出反竞争性抑制动力学方程式为: v= Vmax[S]

Km+[S](1+[I]/ki)(17) 改写成双倒数式后以 1/v 对 1/[S]作图,可得到反竞争性抑制的持征性曲线(图 4-21)。 由图可知, 反竞争性抑制剂使最大反应速度 Vmax 和 Km 均等地减少(1+[I]/ki) 倍,但直线的斜率 Km/Vmax 不受抑制剂的影响,在用不同浓度反竞争性抑制剂时得 到一组平行线。 比较酶的三种可逆性抑制的动力学 第六节、其他类型的生物催化剂
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核酶

在 1982 年,Cech 从四膜虫 rRNA 前体的加工研究中首先观察 rRNA 前体具有自我剪接 作用, 随后陆续发现有些 RNA 分子也可以催化其自身或其他 RNA 分子进行的生化反应, 这一发现打破了酶都是蛋白质的传统观念。对于具有催化活性的 RNA 现称为核酶 (ribozyme) 至今发现的所有核酶其作用方式较简单,主要有剪切型、剪接型等几种类型,这些核 酶的催化作用都不需要任何酶或其它蛋白质的参与。需有特定的二级结构,主要为锤 头状与发夹装二种二级结构类型才能表现其催化活性。(图 4-22) 如同限制性内切酶一样,核酶可用于 RNA 重组等工作中,因而也将大大地推动分子生 物学研究的发展,也可以通过控制基因表达,定向的切割病毒基因、癌基因等的转录 产物从而在基因水平控制与治疗遗传性疾病、肿瘤、及病毒感染性疾病,在医学上发 挥重要作用。 二、抗体酶(abzyme) 三、模拟酶 第七节酶在医学上的应用
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酶活力测定及酶单位

一般在规定的温度、 和底物浓度的条件下, pH 测定单位时间内底物消耗量或产物的生 成量作为酶活性单位。通常又以测定产物的生成量较多,因产物从无到有较灵敏。 酶的测定条件由各个实验室自己决定,故由于酶在不同的实验室因为规定的条件不 同,酶单位值不同。为此国际生化学会推荐的国际单位,即在特定条件下,1min 内能 使 1umol 底物转变的酶量作为一个酶国际单位。 1979 年国际生化学会为将酶的活力单 位与国际单位制的反应速率(mol/s)相一致,推荐用催量(Katal 简称 Kat)来表示 酶活力。1 催量定义为:在特定的测定系统中,催化底物每秒钟转变 1mol 的酶量。催 量与国际单位的换算为:1 国际单位为 1μmol/min=1umol/60s 即 16.67nKat.

二、酶与某些疾病的关系 既然体内各种物质代谢过程多为酶促反应, 则不论是遗传缺陷或外界因素造成的对酶 活性的抑制或破坏均可引起疾病甚至危及生命。 (一)酶缺陷所致的疾病 酶缺陷引起的疾病多为先天性或遗传性疾病,如缺乏葡萄糖-6-磷酸脱氢梅(G6PDH) 引起的蚕豆黄,酪氨酸羟化酶缺乏导致的白化症等 (二)重金属与有机磷农药中毒与酶活性的抑制 很多中毒现象都与酶有关,如常用的有机磷农药敌百虫,敌敌畏和 1059 等,能与胆 碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合而失活,重金属 As2+,、Hg2+,Ag2+等可与某些酶 的巯基结合而使酶活性丧失,此外氰化物(CN-)能与细胞色素氧化酶的结合,可使 生物氧化中断,严重威胁生命。 三、酶与疾病的诊断 许多遗传性疾患是由于先天性缺乏某种有活性的酶所致,故在出生前,从羊水或绒毛 中检出该酶的缺陷或其基因表达的缺陷,从而可采取早期流产,防患于末然。 当某些器官组织发生病变,由于细胞的坏死或破坏,或细胞通透性增加,可使原来在 细胞内的某些酶逸入体液中,使体液中该酶的含量升高。通过对血、尿等体液和分泌 液中某些酹活性的测定,可以反映某些组织器官的病变情况,而有助疾病的诊断。 四、酶与疾病的治疗 替代治疗因消化腺分泌不足所致的消化不良可补充胃蛋白酶、 胰 蛋白酶等以助消化。 抗菌治疗凡能抑制或阻断细菌重要代谢途径中的酶活性, 即可达 到杀菌或抑菌的目的。 如磺胺药即是通过竞争性抑制细菌中的二 氢叶酸合成酶活性而使细菌的核酸代谢障碍而阻遏其生长、繁 殖。 抗癌治疗肿瘤细胞有其独特的代谢方式,若能阻断相应酶的活 性,就能达到遏止肿瘤生长的目的。L-天冬酰胺是某些肿瘤细胞 的必需氨基酸,如给予能水解 L-天冬酰胺的 L- 天冬酰胺酶,则 肿瘤细胞因其必需的营养素缺乏而死亡。 对症治疗如链激酶、尿激酶可用于溶解血栓,多用于心、脑血管 的栓塞。 调整代谢如精神抑郁症是由于脑中兴奋性神经介质(如儿茶酚 胺)与抑制性神经介质的不平衡所致,给予单胺氧化酶,可减少 儿茶酚胺类的代谢灭活,提高突触中的儿茶酚胺含量而抗抑郁, 但由于酶是蛋白质,具有很强的抗原性,故体内用酶治疗疾病还受到一定的限制。

维生素
维生素(vitamins)是动物维持正常功能所必需的一组有机化合物,需要量极小,但动 物本身不能合成或合成量不足,必须从食物中获得,是人体必需的一类微量营养素。 目前已知为人体所必需的维生素有 13 种,根据溶解度不同分脂溶性和水溶性两类。 脂溶性维生素有维生素 A、 维生素 D、 维生素 E、 维生素 K。 水溶性维生素有硫胺素 (B1) 、 核黄素(B2)、尼克酸(B3)、遍多酸(B5)、生物素、叶酸(M)、钴胺素(B12) 和维生素 C。 第一节 脂溶性维生素

脂溶性维生素(fat-soluble vitamins)A、D、E、K 均是异戊二烯或异戊烯的衍生物。 它们均可在体内如肝、脂肪组织中贮存,因此只有长期摄入不足才会发生缺乏症。食 物中的脂溶性维生素必须和脂类一起吸收,因此影响脂类消化吸收的因素(如胆汁酸 缺乏,长期腹泻等)均可造成脂溶性维生素吸收减少,甚至引起缺乏症。维生素 A 和 维生素 D 摄入过量可发生中毒。 一、维生素 A 维生素 A 包括维生素 A1(视黄醇 retinol)和维生素 A2(3-脱氢视黄醇, 3-dehydroretinol),两者均为 20C 含白芷酮环的多烯烃一元醇。A1 和 A2 的差别仅 后者在 3 位多一个双键(图 5-1)。 A1 和 A2 分别存在于海水及淡水鱼肝中。植物中的 β-胡萝卜素在肠道可转变为二分 子视黄醛(retinal),因此胡萝卜素是一种维生素 A 原。体内视黄醛可以还原成视 黄醇,此反应为可逆的。视黄醛亦可进一步氧化成视黄酸(retinoic acid)。胡萝 卜素在肠道氧化成二分子视黄醛及其与视黄醇、视黄酸的互变如图 5- 2 所示。 视黄醇与视黄醛的互变是脊椎动物眼睛视觉色素生成的重要条件, 维甲酸已作为一种 激素,参与基因表达的调节,在上皮等组织的发生发展中起重要作用。人体的维生素 A 主要摄自动物肝、未脱脂乳及其制品、蛋类等食物,富含 β-胡萝卜素的植物性食 物如菠菜、青椒、韭菜、胡萝卜、南瓜等也是重要的食物来源。 (一)维生素 A 与视觉人视网膜有二类细胞,光受体细胞(photoreceptor cells) 和视黄醛色素上皮细胞(retinal pigment epithelium cells)。光受体细胞因形态 不同分为杆状细胞和园锥细胞两类,这两类细胞产生视觉的蛋白分子均以 11-顺视黄 醛作为辅基,但两类细胞的视蛋白(opsin)各不相同。在杆状细胞 11-顺视黄醛与视 蛋白的 296 位赖氨酸残基的 ε-氨基生成 Schiff 氏碱成为视紫红质 rhodopsin),此 时 Schiff 氏碱的 N 原子被质子化,视紫红质的最大吸收光谱在 500nm,相当于眼睛在 暗光最低视阈的波长,故视紫红质是暗视觉的基础。园椎细胞 11-顺视黄醛与三种不 同的视蛋白各自生成视红质(porphyropsin),视青质(iodopsin)和视紫质 (cyanopsin),它们的光吸收最大值分别为 560nm,530nm 和 426nm,相当于红色、绿

色和蓝色的光吸收区,因此园锥细胞是感受亮光和产生色觉的细胞。 (二)维生素 A 的激素作用维生素 A 中的视黄酸是一种激素,它们的靶细胞(如眼结 膜 角膜 视网膜的上皮细胞,皮肤上皮细胞)核内存在视黄酸受体(retinoic acid receptor RAR),视黄酸与受体蛋白结合能激活特异基因的转录表达,从而对这些细 胞的分化成熟起重要作用。 (三)其它视黄醇是保持健康的上皮组织所必需,其作用可能是参与糖蛋白的合成有 关,大多数含甘露糖的糖蛋白合成时,均以磷酸视黄酯(retinyl phosphate)接受 耒自 UDP-甘露糖的甘露糖基去参与合成糖蛋白。 上皮组织、 尤其粘膜细胞缺乏糖蛋白 就会角化、干枯,这在眼、呼吸、消化、泌尿生殖道更为明显,维生素 A 缺乏导致干 眼病就是例证。 β-胡萝卜素是一类脂溶性抗氧化因子,它在清除组织中氧自由基起重要的作用,故 对肿瘤和心血管疾病的发生有预防的作用。 现已发现长期进食过量的维生素 A 会引起中毒,可发生骨疼痛,胃痛,多鳞性皮炎, 肝脾肿大,恶心、腹泻等。所以在服用大量维生素 A 制剂用作治疗时更须注意。 二、维生素 D 维生素 D 有多种,以维生素 D2(麦角钙化醇 ergocalciferol)及维生素 D3(胆钙化 醇 cholecalciferol)为最重要,两者的结构十分类似, D2 在侧链上比 D3 多一个 甲基和一个双键, 酵母的麦角固醇和人、 脊椎动物皮肤的 7-脱氢胆固醇经紫外光照射 下,使两者的 B 环破裂和双健移位分别生成维生素 D2 和 D3(图 5-4)。两者有相同 的生物学功能,但 D3 的生理活性强于 D2,故只要经常有日光照射,人体一般不会发 生维生素 D 缺乏症。小儿和老人的需要量增高,还可从乳品和鱼肝油补充。 维生素 D 缺乏会导致钙、磷代谢失常,影响骨质形成,在儿童导致佝偻病,成人导致 骨软化病。 现已清楚维生素 D 本身并不具调节钙磷代谢的作用, 需在体内代谢成 1,25 二羟 D3 后才能对钙磷代谢起调节作用,1,25(OH)2-D3 是维生素 D 的活性形式。维生 素 D 的第一次羟化生成 25-OH-D3 在肝中进行,然后再在肾脏进行第二次羟化,生成 1,25-(OH)2-D3.。后者由血液中维生素 D 结合蛋白质运送到靶器官如小肠粘膜、骨、 肾细胞,与这些细胞的核内特异受体结合,使钙结合蛋白基因激活表达,所以 1,25-(OH)2-D3 已被认为是一种激素, 对钙、 磷代谢起调节作用 (详见钙、 磷代谢章) 。 服用正常需要量的 10~100 倍的维生素 D 亦可造成中毒,使血钙升高,异位钙化,尿 钙过多,易形成肾结石。 三、维生素 E 维生素 E 又称生育酚(tocopherol)。其化学结构为异戊二烯的 6-羟基杂满(苯并二 氢吡喃)的衍生物。天然存在的维生素 E 有七种,其中生物活性最强的是 α-生育酚 (图 5-5)

富含维生素 E 的天然食物有蔬菜、坚果、各种油料种子及植物油等,以麦胚油中含量 最多。 维生素 E 的生理功能主要在两方面, 一与动物生育有关, 缺乏维生素 E 雄鼠睾丸退化, 不能生成精子, 雌鼠胚胎及胎盘萎缩, 引起不育和流产。 二是维生素 E 具抗氧化作用, 它是一类人体内重要的过氧化自由基的清除剂, 在保护生物膜磷脂和血浆脂蛋白中的 多不饱和脂肪酸免遭氧自由基破坏中起重要作用。在缺乏维生素 E 时,过氧化自由基 (ROO·)可与多不饱和脂肪酸(RH)反应,生成有机过氧化物(ROOH)与新的有机自 由基(R·)。R·经氧化又生成新的过氧化自由基,于是形成一条过氧化自由基生成 的锁链,使自由基的损伤作用进一步放大。 维生素 E 是一种断链抗氧化剂(chain-breaking antioxidant),阻断酯类过氧化链式 反应的产生与扩展,从而保护细胞膜的完整性,维生素 E 缺乏可致红细胞脆性增高, 细胞膜及生物大分子的结构与功能失常。老年人组织中脂褐质的堆积,也是自由基作 用的结果,故认为维生素 E 有抗衰老的作用。维生素 E 过多发生中毒的现象很少见。 四、维生素 K 维生素 K 是具有异戊烯类侧链的荼醌化合物,自然界存在维生素 K1 和 K2 两种,其化 学结构见图 5-6。K3 为人工合成的化合物,可作为 K1 和 K2 的代用品。由于绿叶蔬菜 含有丰富的维生素 K1,肠道细菌能合成提供部分维生素 K2,故通常情况下人体不会 出现缺乏症。 当口服抗生素造成肠道菌谱紊乱或胆汁分泌障碍(如阻塞性黄疸)等脂肪吸收不良情 况下,可发生维生 K 缺乏,值得注意。维生素 K 缺乏表现为凝血过程出现障碍,凝血 时间延长。 第二节水溶性维生素 水溶性维生素(water soluble vitamins)包括 B 族维生素和维生素 C。B 族维生素 有 B1、B2、B3、B5、B6、生物素、叶酸、B12 及硫辛酸。它们在化学结构上各不相同, 大多在植物中合成,并共同存在,故成一族。和脂溶性维生素不同,水溶性维生素在 体内均不能存贮,多余的即从尿排出,因此需经常从食物中摄取。B 族维生素的主要 生理功能,是作为某些酶的辅酶或辅基的主要成分,参与体内的物质代谢。维生素 C 是体内重要的抗氧化剂,又是参与体内某些羟化反应的必需辅助因子。 一、维生素 B1 维生素 B1 分子中含一个嘧啶环和噻唑环,因分子中含有硫和氨基,故又称硫胺素 (thiamine)。含量丰富的食物有瘦肉,动物的肝、心及肾等内脏,豆类,干果,酵 母及不过度碾磨的粮谷类。其化学结构如图 5-7 所示。 维生素 B1 在体内(如脑、肝等组织内)转变成焦磷酸硫胺素 (thiaminepyrophosphateTPP),它是重要酮酸如丙酮酸、α-酮戊二酸氧化脱羧酶 系的辅酶,以及磷酸戊糖途径中转酮醇作用酶的辅酶。TPP 分子的重要特点是它的噻

唑环上氮原子与硫原子之间的碳原子与通常所见的 CH 基团相比, 表现出更强的酸性, 它可离子化生成负碳离子,后者容易接受 α-酮酸或酮糖的羰基,而带正电荷的氮原 子作为一个电子库(electron sink)对于稳定负碳离子以及 α-酮酸的脱羧作用起重 要作用, 由于这些酶对糖代谢具有十分重要的作用, 故与糖的分解供能过程关系密切。 TPP 的化学结构及其带“活性”乙醛基的形式见图 5-8 。 维生素 B1 缺乏可引起上述酶功能障碍。典型的如丙酮酸的氧化脱羧受阻,使组织内 丙酮酸堆积,导致细胞功能障碍,特别是神经传导的障碍,最终导致肌肉萎缩、心肌 无力、周围神经疾患,以及中枢容易兴奋及疲劳等,即所谓干性脚气病,如果伴有水 肿,则为湿性脚气病。 二、维生素 B2 维生素 B2 是核醇与 7,8 二甲基异咯嗪的缩合物(图 5-9)。因具黄色故称核黄素 (riboflavin )。乳类,蛋类及瘦肉是人体所需 B2 的主要食物来源。 B2 是两种重要辅酶即黄素单核苷酸(flavin mononucleotide FMN)和黄素腺嘌呤二 核苷酸(flavin adenine dinucleotide FAD)的组成成分(图 5-10)。它们作为辅 基与酶蛋白紧密结合组成黄素蛋白,黄素核苷酸的异咯嗪环的 1、5 位 N 原子能可逆 的还原,可以接受两个电子和两个质子并以 FADH2 和 FMNH2 表示它们的还原形式。所 以 FAD、FMN 是电子载体,起着递电子体的作用(图 5-10)。由于黄素蛋白参与一个 或二个电子的转移,故在体内参与多种多样的反应。 三、烟酸(B3)和烟酰胺 烟酸(nicotinic acid)是维生素 B3,而烟酰胺(nicotinamide)是维生素 B3 的衍 生物,它们分子中均有吡啶的结构(图 5-11)。人类从肉类、谷物及花生等食物中获 得这类维生素。在体内亦可从色氨酸经代谢转变为尼克酸。故通常情况下人类不会缺 乏此类维生素。当烟酸缺乏时可导致糙皮病,故烟酸又称抗糙皮病因子。 烟酰胺是两种重要辅酶即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADP+)的组成成分(图 5-12)。 NAD+与 NADP+的区别是后者的腺苷 2-羟基被磷酸化, 这两种辅酶分子中的烟酰胺环 可以进行可逆的还原,当底物分子脱下两个氢原子(氧化)时,NAD+(NADP+)接受一 个氢化离子(:H-这相当于一个质子和两个电子),分子吡啶环笫 4 位碳是接受氢化 离子的部位, 于是生成还原型 NADH(NADPH),该碳原子接受一个氢原子, 同时吡啶环上 的 N 原子由原来的五价变为三价(见图 5-12),同时留一个 H+在溶液中。 四、维生素 B6 吡哆醇(pyridoxine)是维生素 B6,磷酸吡哆醛(pyridoxal phosphate )和磷酸吡 哆胺(pyridoxamine phosphate )是由维生素 B6 构成的辅酶(图 5-13A),它们以 共价键与转氨酶的赖氨酸残基的?氨基形成分子内 Schiff-碱,生成分子内部的醛亚

胺,组成转氨酶的辅基。当有氨基酸存在时,磷酸吡哆醛作为转氨酶氨基的中间载体 可以接受 L-氨基酸的氨基生成分子外的醛亚胺(图 5-13B),也就是说,氨基酸底物 的 α-氨基代替了酶活性中心的赖氨酸残基的?-氨基,生成的醛亚胺通过质子化和水 解过程(图 5-13B)成为磷酸吡哆胺。磷酸吡哆胺又可以逆向过程将氨基传递给 α酮酸而成为磷酸吡哆醛,所以在转氨基反应中没有氨基的丢失,只是原来的氨基酸转 变为 α-酮酸,而原来的 α-酮酸接受氨基成为 L-氨基酸(图 5-14)。在细胞内有各 种不同的转氨酶,其中许多酶都能催化以 α-酮戊二酸作为氨基受体的反应,但酶对 提供氨基的 L-氨基酸有特异性, 于是转氨基反应的结果是从许多不同的氨基酸中收集 氨基并以 L-谷氨酸的形式保存于细胞内, 这些谷氨酸再作为氨基的供体参与含氮化合 物或含氮废物合成。磷酸吡哆醛亦是氨基酸脱羧酶、犬尿酸原酶、胱硫醚酶等多种酶 的辅酶。胱硫醚酶催化同型半胱氨酸分解,缺乏维生素 B6 时,反应受阻致使血中同 型半胱氨酸含量增高,发生高同型半胱氨酸血症,后者是诱发动脉粥样硬化的重要因 素。维生素 B6 在食物中分布广泛,肉类、蔬菜、水果、硬果类及谷类食物都有一定 含量。 五、泛酸(遍多酸、维生素 B5) 泛酸(pantothenic acid)是 b-丙氨酸藉肽键与 α、γ 二羟 β,β 二甲基丁酸缩合 而成的酸性物质(图 5-15)。由于在生物界普遍存在而得名。泛酸的生物学重要性在 于它是辅酶 A(coenzyme A CoA)和酰基载体蛋白(acyl carrier protein )的组成 成分(图 5-15)。辅酶 A 依赖它分子中的反应性巯基(-SH)与脂酰基结合生成巯酯 (thioester),因为巯酯键具有相对高的标准自由能,故巯酯有较高的酰基转移的潜 能,使它们有可能提供酰基给各种受体分子,如许多蛋白质的酰化修筛所需的酰基就 由辅酶 A 提供的。乙酰辅酶 A 是糖、脂、蛋白质分解代谢重要的中间产物,它提供的 乙酰基既可参加三羧酸循环,进一步分解供能,也可作为许多生物分子合成的原料以 及为体内许多需要乙酰化的反应提供乙酰基。 六、生物素 生物素(biotin)具有噻吩与尿素相结合的骈环,并带有戊酸侧链。自然界存在 α生物素和 β-生物素两种形式(图 5-16)。动物性食物、番茄、酵母、花菜等是生物 素的主要食物来源。 生物素侧链上的羧基与羧化酶蛋白分子中的赖氨酸残基中的 ε-氨基以酰胺键相连 接,并起羧基传递体的作用。传递的羧基结合在生物素的氮原子上,因此生物素是羧 化酶的辅基。近来有人把生物素携带的羧基看作为完全氧化的一碳基团,这样生物素 也属一碳基团的载体,图 5-17 说明生物素与羧化酶蛋白的联接方式及生物素氮原子 携带羧基和丙酮酸在丙酮酸羧化酶作用下羧化成草酰乙酸的反应。 七、叶酸 叶酸 (folic acid) 由喋呤啶、 对氨基苯甲酸和谷氨酸三种成分组成的分子 (图 5-18) 。 叶酸广泛存在于动植物性食物,如肝、肾、绿叶及黄叶蔬菜、酵母等含量丰富,蛋、 肉类、豆类、谷类及水果中的含量也较多。

在体内叶酸经叶酸还原酶作用生成二氢叶酸, 后者再经二氢叶酸还原酶还原成四氢叶 酸(tetrahydrofolate FH4)。四氢叶酸为一碳基团的载体参与体内许多物质的合成。 FH4 缺乏亦可造成红细胞分化成熟障碍,导致贫血。细菌能合成叶酸,但必须以对氨 基苯甲酸作为合成原料。磺胺类药物的化学结构与对氨基苯甲酸相似,所以磺胺药对 细菌叶酸的合成是有竞争性抑制作用,因此磺胺药有抗菌效果。 八、维生素 B12 维生素 B12 是唯一含有金属元素的维生素,包括一个咕啉环、钴元素(故称钴胺素 cobalamine)以及 5,6 二甲基苯并咪唑的结构(图 5-21)。 天然存在的 B12 由微生物合成,故通常植物性食物不含 B12,除非特殊加工的如霉豆 腐。 动物性食物储存有微生物产生的 B12, 故为主要的食物来源。 肠道细菌合成的 B12 和食物中的 B12 必须与胃粘膜壁细胞分泌的内因子(intrinsic factor)结合,才能 在回肠被吸收。 B12 进入体内以甲基钴胺素、 5’脱氧腺苷钴胺素及羟钴胺素等形式存 在。5’脱氧腺苷钴胺素和甲基钴胺素是维生素 B12 的辅酶形式。甲基钴胺素酶存在 于大多数生物,它们催化三种类型的反应:(1)分子内的重排,(2)甲硫氨酸合成 时的甲基化反应和(3)核糖核苷酸还原为脱氧核糖核苷酸的反应。在哺乳类催化 L甲基丙二酰 CoA 转变为琥珀酰 CoA 和同型半胱氨酸甲基化生成甲硫氨酸的酶均需维生 素 B12 作为辅酶,图 5-22 为甲基天冬氨酸变位酶(以 5’脱氧腺苷钴胺素作辅酶)催 化谷氨酸生成 β-甲基天冬氨酸的反应。 维生素 B12 和叶酸是同型半胱氨酸再生为甲硫氨酸反应所必需的维生素, 故缺乏这两 种维生素,也可致高同型半胱氨酸血症,诱发动脉粥样硬化。 九、α-硫辛酸 α-硫辛酸(α-lipoic acid)的化学结构是 6,8-二硫辛酸(图 5-23)。它与焦磷 酸硫胺素协同参与丙酮酸、 α-酮戊二酸的氧化脱羧反应, α-酮酸氧化脱羧反应中 是 硫辛酸乙酰转移酶的辅酶,在糖、脂、蛋白质代谢中有极重要的作用,α-硫辛酸是 某些微生物的必需维生素,但尚未发现人类有硫辛酸缺乏症。 十、维生素 C(抗坏血酸) 维生素 C 又称抗坏血酸(ascorbic acid),是一种己糖内酯,分子中 C-2 和 C-3 位 上两个相邻的烯醇式羟基极易解离出 H+,故维生素 C 具有酸性(图 5-24)。这两个 位置上的羟基也很容易被氧化成酮基,所以维生素 C 又是很强的还原剂。新鲜的蔬菜 水果是该维生素的主要食物来源 缺乏维生素 C 会引起坏血病,病人毛细血管脆性增加,皮下可见出血小点(与维生素 K 缺乏时的较大片出血斑不同)。这与维生素 C 参与一些重要的羟化作用有关,同位 素示踪研究证明新生的胶原分子中甘氨酸残基氨基端相连的脯氨酸残基需经羟化, 催 化这一反应的脯氨酰羟化酶需 O2 ,是双加氧酶,酶分子有紧密结合的 Fe2+,它用作 为酶和 O2 的激活剂, 在有 α-酮戊二酸存在的体系中, 该酶催化胶原分子中脯氨酸残

基的羟化(图 5-25)。反应的结果是一个氧原子连接在脯氨酸残基的第四位碳生成 4-羟基脯氨酰残基,另一个氧原子由 α-酮戊二酸接受转变为琥珀酸和 CO2, 但是脯 氨酰羟化酶也可只催化部份的反应,即只催化 α 酮戊二酸转变为琥珀酸但不羟化脯 氨酸,于是另一个氧原子与铁离子生成氧化的铁复合物,后者使该酶失活。维生素 C 作为一种特异的抗氧化剂使失活酶的高铁离子还原为亚铁离子, 从而使活性酶得以再 生,维生素 C 则氧化成脱氢抗坏血酸(图 5-24)。现在已知维生素 C 缺乏造成的羟化 损害使合成的胶原缺少稳定性,羟化的脯氨酸残基能在三股胶原螺旋间生成氢键,使 胶原分子得以稳定。胶原是结缔组织、骨、毛细血管的重要组成成分,故维生素 C 缺 乏,伤口愈合减慢,毛细血管脆性增加,牙齿松动,骨骼变脆。维生素 C 是重要的水 溶性抗氧化剂,它的抗氧化功能是多方面的。前面提到维生素 E 在抗膜脂质不饱和脂 肪酸过氧化作用中生成生育酚自由基,它的再还原主要依赖维生素 C。它与脂溶性抗 氧化剂维生素 E,胡萝卜素等的偶联协同作用,在清除氧自由基方面和参与体内其它 的氧化还原反应方面起着重要的作用。

第六章糖代谢
第一节概述 糖是一类化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物的有机化合物。 在人体内糖的主要形 式是葡萄糖(glucose, Glc)及糖原(glycogen, Gn)。 葡萄糖是糖在血液中的运输形式, 在机体糖代谢中占据主要地位;糖原是葡萄糖的多聚体,包括肝糖原、肌糖原和肾糖 原等,是糖在体内的储存形式。葡萄糖与糖原都能在体内氧化提供能量。 食物中的糖是机体中糖的主要来源,被人体摄入经消化成单糖吸收后,经血液运输到 各组织细胞进行合成代谢和分解代谢。机体内糖的代谢途径主要有葡萄糖的无氧酵 解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原合成与糖原分解、糖异生以及其他己糖代谢等。 本章重点介绍葡萄糖在机体中血糖浓度动态平衡的维持和前五种主要代谢的途径、 生 理意义及其调节。 第二节糖的消化和吸收 食物中的糖主要是淀粉,另外包括一些双糖及单糖。多糖及双糖都必须经过酶的催化 水解成单糖才能被吸收。 食物中的淀粉经唾液中的 α 淀粉酶作用,催化淀粉中 α-1,4-糖苷键的水解,产物 是葡萄糖、麦芽糖、麦芽寡糖及糊精。由于食物在口腔中停留时间短,淀粉的主要消 化部位在小肠。小肠中含有胰腺分泌的 α 淀粉酶,催化淀粉水解成麦芽糖、麦芽三 糖、α 糊精和少量葡萄糖。在小肠黏膜刷状缘上,含有 α 糊精酶,此酶催化 α 极限 糊精的 α-1,4-糖苷键及 α-1,6-糖苷键水解,使 α-糊精水解成葡萄糖;刷状缘上 还有麦芽糖酶可将麦芽三糖及麦芽糖水解为葡萄糖。小肠黏膜还有蔗糖酶和乳糖酶, 前者将蔗糖分解成葡萄糖和果糖,后者将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。 糖被消化成单糖后的主要吸收部位是小肠上段(图 6-1),己糖尤其是葡萄糖被小肠上 皮细胞摄取是一个依赖 Na+的耗能的主动摄取过程,有特定的载体参与:在小肠上皮

细胞刷状缘上,存在着与细胞膜结合的 Na+-葡萄糖联合转运体,当 Na+经转运体顺浓 度梯度进入小肠上皮细胞时,葡萄糖随 Na+一起被移入细胞内,这时对葡萄糖而言是 逆浓度梯度转运。这个过程的能量是由 Na+的浓度梯度(化学势能)提供的,它足以 将葡萄糖从低浓度转运到高浓度。当小肠上皮细胞内的葡萄糖浓度增高到一定程度, 葡萄糖经小肠上皮细胞基底面单向葡萄糖转运体(unidirectional glucose transporter) 顺浓度梯度被动扩散到血液中。 小肠上皮细胞内增多的 Na+通过钠钾泵 (Na+-K+ ATP 酶),利用 ATP 提供的能量,从基底面被泵出小肠上皮细胞外,进入血液, 从而降低小肠上皮细胞内 Na+浓度, 维持刷状缘两侧 Na+的浓度梯度,使葡萄糖能不断 地被转运。 第三节血糖 血液中的葡萄糖,称为血糖(blood sugar)。体内血糖浓度是反映机体内糖代谢状况 的一项重要指标。正常情况下,血糖浓度是相对恒定的。正常人空腹血浆葡萄糖糖浓 度为 3.9~6.1mmol/L(葡萄糖氧化酶法)。空腹血浆葡萄糖浓度高于 7.0 mmol/L 称为高血糖,低于 3.9mmol/L 称为低血糖。要维持血糖浓度的相对恒定,必须保持 血糖的来源和去路的动态平衡。 一、血糖的主要来源及去路 血糖的来源:①食物中的糖是血糖的主要来源;②肝糖原分解是空腹时血糖的直接来 源;③非糖物质如甘油、乳酸及生糖氨基酸通过糖异生作用生成葡萄糖,在长期饥饿 时作为血糖的来源。 血糖的去路:①在各组织中氧化分解提供能量,这是血糖的主要去路;②在肝脏、肌 肉等组织进行糖原合成;③转变为其他糖及其衍生物,如核糖、氨基糖和糖醛酸等; ④转变为非糖物质,如脂肪、非必需氨基酸等;⑤血糖浓度过高时,由尿液排出。血 糖浓度大于 8.88~9.99mmol/L,超过肾小管重吸收能力,出现糖尿。将出现糖尿时 的血糖浓度称为肾糖阈。糖尿在病理情况下出现,常见于糖尿病患者。 二、血糖浓度的调节 正常人体血糖浓度维持在一个相对恒定的水平, 这对保证人体各组织器官的利用非常 重要,特别是脑组织,几乎完全依靠葡萄糖供能进行神经活动,血糖供应不足会使神 经功能受损,因此血糖浓度维持在相对稳定的正常水平是极为重要的。 正常人体内存在着精细的调节血糖来源和去路动态平衡的机制, 保持血糖浓度的相对 恒定是神经系统、激素及组织器官共同调节的结果。 神经系统对血糖浓度的调节主要通过下丘脑和自主神经系统调节相关激素的分泌。 激 素对血糖浓度的调节,主要是通过胰岛素、胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素、生 长激素及甲状腺激素之间相互协同、相互拮抗以维持血糖浓度的恒定。激素对血糖浓 度的调节见表 6-1。 肝脏是调节血糖浓度的最主要器官。血糖浓度和各组织细胞膜上葡萄糖转运体

(glucose transporters)是器官水平调节的两个主要影响因素,此时细胞膜上葡萄 糖转运体家族有 GLUT1-5,是双向转运体。在正常血糖浓度情况下,各组织细胞通过 细胞膜上 GLUT1 和 GLUT3 摄取葡萄糖作为能量来源; 当血糖浓度过高是, 肝细胞膜上 的 GLUT2 起作用,快速摄取过多的葡萄糖进入肝细胞,通过肝汤圆合成来降低血糖浓 度;血糖浓度过高会刺激胰岛素分泌,导致肌肉和脂肪住址细胞膜上 GLUT4 的量迅速 增加,加快对血液中葡萄糖的吸收,合成肌糖原或转变成脂肪储存起来。当血糖浓度 偏低时,肝脏通过糖原分解及糖异生升高血糖浓度。 从体外实验了解机体对血糖浓度的调节能力,可以通过葡萄糖耐量试验(glucose tolerance test,GTT)获得糖耐量试验曲线加以理解,见图 6-2。正常人由于存在精 细的调节机制,空腹时正常血糖浓度是 3.8-6.1 mmol/L,在口服或静脉注射葡萄糖 2 小时后血糖浓度<7.8 mmol/L。糖耐量减退病人,一般空腹血糖浓度<7.0 mmol /L,口服或静脉注射葡萄糖 0.5-1 小时后最高浓度<11.1 mmol/L,2 小时血糖浓度 ≥7.8 mmol/L,称为亚临床或无症状的糖尿病,糖耐量试验在这种病人的早期诊断 上颇具意义。典型的糖尿病人糖耐量试验为:空腹血糖浓度在≥7.0 mmol/L,口服 或静脉注射葡萄糖 2 小时后血糖浓度≥11.1 mmol/L,说明病人调节血糖浓度能力降 低。 目前临床上建议检测空腹血糖浓度和 2 小时餐后血糖浓度, 简化糖耐量试验过程。 第四节 糖的无氧酵解 当机体处于相对缺氧情况(如剧烈运动)时,葡萄糖或糖原分解生成乳酸,并产生能量 的过程称之为糖的无氧酵解。这个代谢过程常见于运动时的骨骼肌,因与酵母的生醇 发酵非常相似,故又称为糖酵解。反应过程 参与糖酵解反应的一系列酶存在在细胞质中, 因此糖酵解的全部反应过程均在细胞质 中进行。根据反应特点,可将整个过程分为四个阶段: (一) 己糖磷酸化:
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葡萄糖或糖原磷酸化为 6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)

(1)催化葡萄糖生成 G-6-P 的是己糖激酶(hexokinase,HK), ATP 提供磷酸基团, Mg2+作为激活剂。这个反应的 ΔG"0 =-16.7KJ/mol,基本是一个不可逆的反应。己糖 激酶是糖酵解过程关键酶之一。 己糖激酶广泛存在各组织中,Km 为 0.1mmol/L,对葡萄糖的亲和力高。哺乳动物中 已发现了四种己糖激酶的同工酶Ⅰ-Ⅳ型。Ⅳ型酶只存在于肝脏,对葡萄糖有高度专 一性,又称葡萄糖激酶(glucokinase,GK),GK 对葡萄糖的 Km 为 10mmol/L,对葡萄 糖的亲和力低,这种特性的存在,使 GK 催化的酶促反应只有在饮食后大量消化吸收 的葡萄糖进入肝脏后才加强,生成糖原储存于肝中,在维持血糖浓度恒定的过程中发 挥了重要作用。 (2) 从糖原开始的分解途径, 是糖原在磷酸化酶的作用下成为 1-磷酸葡萄糖 (G-1-P) , 再变位成为 G-6-P。

(3)G-6-P 是一个重要的中间代谢产物,是许多糖代谢途径(无氧酵解、有氧氧化、 磷酸戊糖途径、糖原合成、糖原分解)的连接点。 (4)葡萄糖进入细胞后进行了一系列的磷酸化,其目的在于:磷酸化后的化合物极性 增高,不能自由进出细胞膜,因而葡萄糖磷酸化后不易逸出胞外,反应限制在细胞质 中进行; 同时从 ATP 中释放出的能量储存到了 6-磷酸葡萄糖中; 另外结合了磷酸基团 的化合物不仅能减低酶促反应的活化能,同时能提高酶促反应的特异性。
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G-6-P 生成 6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)

此反应在磷酸己糖异构酶催化下进行,是一个醛-酮异构变化。 3. 6-磷酸果糖生成 1,6-二磷酸果糖(Fructose l,6 bisphosphate,F-1,6-BP) 催化此反应的酶是 6-磷酸果糖激酶 1(6-phosphofructokinase1,PFK 1),这是糖酵 解途径的第二次磷酸化反应,需要 ATP 与 Mg2+参与,ΔG"0 =-14.2KJ/mol,反应不可 逆。 6-磷酸果糖激酶 1 是糖酵解过程的主要限速酶,是糖酵解过程中的主要调节点。 至此,糖酵解完成了代谢的第一个阶段,这一阶段的主要特点是葡萄糖的磷酸化,并 伴随着能量的消耗,糖酵解若从葡萄糖开始磷酸解,则每生成 1 分子 F-1,6-BP 消耗 了 2 分子 ATP;若从糖原开始磷酸解,则每生成 1 分子 F-1,6-BP 消耗 1 分子 ATP。 在这一阶段中有二个不可逆反应, 从葡萄糖开始由二个关键酶己糖激酶和 6-磷酸果糖 激酶 1 催化; 从糖原开始由二个关键酶磷酸化酶和 6-磷酸果糖激酶 1 催化, 它们是糖 酵解过程的调节点。 (二)1 分子磷酸己糖裂解为 2 分子磷酸丙糖 F-1,6-BP 裂解为 2 分子磷酸丙糖,此反应由醛缩酶催化,反应可逆。3-磷酸甘油醛 和磷酸二羟丙酮,两者互为异构体,在磷酸丙糖异构酶催化下可互相转变,当 3-磷酸 甘油醛在继续进行反应时,磷酸二羟丙酮可不断转变为 3-磷酸甘油醛,这样 1 分子 F-1,6-BP 生成 2 分子 3-磷酸甘油醛。 (三)2 分子磷酸丙糖氧化为 2 分子丙酮酸 1.3-磷酸甘油醛脱氢氧化成为 1,3-二磷酸甘油酸 此反应由 3—磷酸甘油醛脱氢酶催化脱氢、加磷酸,其辅酶为 NAD+,反应脱下的氢交 给 NAD+成为 NADH+H+;反应时释放的能量储存在所生成的 1,3-二磷酸甘油酸 1 位的 羧酸与磷酸的构成的混合酸酐内,此高能磷酸基团可将能量转移给 ADP 形成 ATP。 2.1,3-二磷酸甘油酸转变 3-磷酸甘油酸 此反应由 3-磷酸甘油酸激酶催化,产生 1 分子 ATP,这是无氧酵解过程中第一次生成 ATP。由于是 1 分子葡萄糖产生 2 分子 1,3-二磷酸甘油酸,所以在这一过程中,1 分

子葡萄糖可产生 2 分子 ATP。ATP 的产生方式是底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),能量是由底物中的高能磷酸基团直接转移给 ADP 形成 ATP。 3.3-磷酸甘油酸转变成 2-磷酸甘油酸 此反应由磷酸甘油酸变位酶催化,磷酸基团由 3-位转至 2-位。 4.2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP) 此脱水反应由烯醇化酶所催化,Mg2+作为激活剂。反应过程中,分子内部能量重新分 配,形成含有高能磷酸基团的磷酸烯醇式丙酮酸。 5.磷酸烯醇式丙酮酸转变丙酮酸 此反应由丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK) 催化,Mg2+作为激活剂,产生 1 分子 ATP,ΔG'0=-61.9KJ/mol,在生理条件下,此反应不可逆。丙酮酸激酶也是无氧酵解过 程中的关键酶及调节点。 这是无氧酵解过程第二次生成 ATP,产生方式也是底物水平磷酸化。由于是 1 分子葡 萄糖产生 2 分子丙酮酸,所以在这一过程中,1 分子葡萄糖可产生 2 分子 ATP。 反应的第二阶段的特点是能量的产生。 无氧酵解过程的能量产生主要在 3-磷酸甘油醛 脱氢成为 1,3-二磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸过程中,共产生 4 分 子 ATP,产生方式都是底物水平磷酸化。这一阶段中丙酮酸激酶是糖酵解过程的另一 个关键酶和调节点。 (四)2 分子丙酮酸还原为 2 分子乳酸 在无氧条件下,丙酮酸被还原为乳酸。此反应由乳酸脱氢酶催化,乳酸脱氢酶有多种 同工酶(详见第四章),骨骼肌中主要含有 LDH5,它和丙酮酸亲和力较高,有利于丙酮 酸还原为乳酸,LDH5 的辅酶是 NAD+。还原反应所需的 NADH+H+是 3-磷酸甘油醛脱氢 时产生,作为供氢体脱氢后成为 NAD+,再作为 3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶。因此, NAD+来回穿梭,起着递氢作用,使无氧酵解过程持续进行。在有氧的条件下,3-磷酸 甘油醛脱氢产生的 NADH+H+从细胞质中通过穿梭系统进入线粒体经电子传递链传递生 成水,同时释放出能量(详见“第八章”)。 二、糖酵解过程的能量变化 1 分子葡萄糖在缺氧的条件下转变为 2 分子乳酸,同时伴随着能量的产生,净产生 2 分子 ATP;糖原开始 1 分子葡萄糖单位糖酵解成乳酸,净产生 3 分子 ATP(表 6-3)。 三、糖酵解的生理意义
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主要的生理功能是在缺氧时迅速提供能量

(二)正常情况下为一些细胞提供部分能量 (三) 糖酵解是糖有氧氧化的前段过程,其一些中间代谢物是脂类、氨基酸等合成的 前体。 四、糖酵解的调节 糖酵解途径中有 3 个不可逆反应:分别由己糖激酶(葡萄糖激酶)、6-磷酸果糖激酶 1 和丙酮酸激酶催化的反应。 它们是糖无氧酵解途径的三个调节点, 其中以 6-磷酸果糖 激酶 1 的活性是该途径中的主要调节点。 (一)己糖激酶活性的别构调节 骨骼肌中的己糖激酶的 Km 相对较小,在血糖达到一定浓度后,活性就能达到最高,它 是一种别构酶, 其活性受到自身反应产物 6-磷酸葡萄糖的抑制。 肝内的葡萄糖激酶的 直接调节因素是血糖浓度,由于葡萄糖激酶 Km 相对较大,在餐后、血糖浓度很高时, 过量的葡萄糖运输到肝内,肝内的葡萄糖激酶激活;葡萄糖激酶也是别构酶,活性受 到 6-磷酸果糖的抑制,而不受 6-磷酸葡萄糖的抑制,这样可保证肝糖原顺利合成。 (二)6-磷酸果糖激酶 1 的别构调节 6-磷酸果糖激酶 1 是糖酵解途径中最重要的一个调节点,它是别构酶,由 4 个亚基组 成,有很多激活剂和抑制剂。高浓度 ATP、柠檬酸是此酶的变构抑制剂。ADP、AMP、2, 6-二磷酸果糖(Fructose 2,6 bisphosphate,F-2,6-BP)是此酶的变构激活剂。2, 6-二磷酸果糖尽管和 1,6 二磷酸果糖结构相似,但 F-2,6-BP 不是 6-磷酸果糖激酶 1 的产物,而是 6-磷酸果糖激酶 1 最强烈的激活剂、最重要的调节因素。 F-2,6-BP 的生成是以 6-磷酸果糖为底物在 6-磷酸果糖激酶 2(6-phosphofructokinase2, PFK2)催化下产生(图 6-5)。 6-磷酸果糖激酶 2 是双功能 酶,包括 6-磷酸果糖激酶 2 与 2,6-二磷酸果糖酶 2 活性,它们同时存在于一条 55x103(55kDa )的多肽链中。6-磷酸果糖激酶 2 的别构激活剂是底物 F-6-P,在糖供 应充分时, F-6-P 激活双功能酶中的 6-磷酸果糖激酶 2 的活性、 抑制 2,6-二磷酸果糖 酶 2 活性,产生大量 F-2,6-BP。相反,在葡萄糖供应不足的情况下,胰高血糖素刺激 产生 cAMP,激活 A 激酶,使双功能酶磷酸化后,双功能酶中的 6-磷酸果糖激酶 2 活性抑 制而 2,6-二磷酸果糖酶 2 活性激活,减少 F-2,6-BP 产生。由此可见,在高浓度葡萄 糖的情况下,2,6-二磷酸果糖浓度提高,可激活 6-磷酸果糖激酶 1,促进糖酵解过 程进行。 F-2,6-BP 在参与糖代谢调节中起着重要作用。 (三)丙酮酸激酶 丙酮酸激酶是糖酵解过程的第二个调节点,1,6-二磷酸果糖是此酶的别构激活剂, 而 ATP 是该酶的别构抑制剂,ATP 能降低该酶对底物磷酸烯醇式丙酮酸的亲和力;乙 酰辅酶 A 及游离长链脂肪酸也是该酶抑制剂,它们都是产生 ATP 的重要物质。

第五节糖的有氧氧化 有氧氧化(aerobicoxidation)是指葡萄糖生成丙酮酸后,在有氧条件下,进一步氧化 生成乙酰辅酶 A,经三羧酸循环彻底氧化成水、二氧化碳及能量的过程。这是糖氧化 的主要方式,是机体获得能量的主要途径。 一、反应过程 (一)葡萄糖氧化生成丙酮酸; 这一阶段和糖酵解过程相似,在细胞质中进行。在缺氧的条件下丙酮酸生成乳酸。在 有氧的条件下丙酮酸进入线粒体生成乙酰辅酶 A,再进入三羧酸循环。 (二)丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶 A 在有氧条件下,丙酮酸从细胞质进入线粒体。在丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenasecomplex)的催化下进行氧化脱羧反应, 该反应的 ΔG'0=-39. 5kJ/mol, 反应不可逆(图 6-6)。丙酮酸脱氢酶复合体是由三种酶组成的多酶复合体,它包括丙 酮酸脱氢酶,二氢硫辛酸乙酰转移酶及二氢硫辛酸脱氢酶(表 6-4)。以乙酰转移酶为 核心,周围排列着丙酮酸脱氢酶及二氢硫辛酸脱氢酶。参与的辅酶有 TPP,硫辛酸, FAD, NAD+, 辅酶 A。 在多酶复合体中进行着紧密相连的连锁反应过程, 反应迅速完成, 催化效率高,使丙酮酸脱羧和脱氢生成乙酰辅酶 A 及 NADH+H+。 (三)三羧酸循环 丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰辅酶 A 要彻底进行氧化,这个氧化过程是三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)。三羧酸循环是 Krebs 于 1937 年发现的。 故又称 Krebs 循环。 因为循环中第一个中间产物是柠檬酸, 故又称柠檬酸循环(citric acid cycle)。乙酰辅酶 A 与草酰乙酸缩合生成含有 3 个羧基的柠檬酸,再经过一系 列反应重新变成草酰乙酸完成一轮循环, 其中氧化反应脱下的氢经线粒体内膜上经呼 吸链传递生成水,氧化磷酸化生成 ATP(详见“生物氧化”章);而脱羧反应生成的二 氧化碳则通过血液运输到呼吸系统而被排出,是体内二氧化碳的主要来源。 1.三羧酸循环反应过程: (1)乙酰辅酶 A 与草酰乙酸缩合生成柠檬酸 此反应由柠檬酸合酶(citrate synthase)催化,是三羧酸循环的关键酶,是重要的 调节点。由于高能硫酯键水解时释出较多自由能,ΔG'0=-32.2kJ/mol,此反应不可 逆。 (2)柠檬酸经顺乌头酸生成异柠檬酸 此反应由顺乌头酸酶催化,柠檬酸脱水、加水生成异柠檬酸。

(3)异柠檬酸 β-氧化、脱羧生成 α-酮戊二酸 此反应在异柠檬酸脱氢酶作用下进行脱氢、 脱羧, 这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧。 异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase)是三羧酸循环的限速酶,是最主要的调 节点,辅酶是 NAD+,脱氢生成的 NADH+H+经线粒体内膜上经呼吸链传递生成水,氧化 磷酸化生成 3 分子 ATP。异柠檬酸先脱氢生成草酰琥珀酸,再脱羧生成 α-酮戊二酸。 ΔG'0=-20.9kJ/mol。 (4)α-酮戊二酸氧化、脱羧生成琥珀酰辅酶 A 此反应在 α-酮戊二酸脱氢酶复合体(α-ketoglutarate dehydrogenase complex)的 催化下脱氢、脱羧生成琥珀酰辅酶 A,这是三羧酸循环中第二次氧化脱羧。α-酮戊二 酸脱氢酶复合体是三羧酸循环的关键酶,是第三个调节点。α-酮戊二酸脱氢酶复合 体是多酶复合体,其组成及反应方式都与丙酮酸脱氢酶复合体相似。它所含的三种酶 是 α-酮戊二酸脱氢酶(需 TPP); 硫辛酸琥珀酰基转移酶(需硫辛酸和辅酶 A); 二氢硫 辛酸脱氢酶(需 FAD、NAD+)。脱氢生成 NADH+H+,经线粒体内膜上经呼吸链传递生成 水,氧化磷酸化生成 3 分子 ATP。 由于反应中分子内部能量重排,产物琥珀酰辅酶 A 中含有一个高能硫酯键,此反应不 可逆。ΔG'0=-33.5kJ/mol。 (5)琥珀酰辅酶 A 转变为琥珀酸 此反应由琥珀酸硫激酶(琥珀酰辅酶 A 合成酶)催化,琥珀酰辅酶 A 中的高能硫酯键 释放能量,可以转移给 ADP(或 GDP),形成 ATP(或 GTP)。细胞中有两种同工酶, 一种形成 ATP,另一种形成 GTP。这是因为琥珀酸硫激酶由 α、β 亚基组成,α 亚基 上有磷酸化的组氨酸残基以及结合 CoA 的位点; 亚基上既可以结合 ATP 又可以结合 β GTP。形成的 GTP 可在二磷酸核苷激酶催化下,将高能磷酸基团转移给 ADP 生成 ATP。 这是三羧酸循环中唯一的一次底物水平磷酸化,生成 1 分子 ATP。 (6)琥珀酸脱氢转变为延胡索酸 此反应由琥珀酸脱氢酶催化,辅酶是 FAD,脱氢后生成 FADH2,经线粒体内膜上经呼 吸链传递生成水,氧化磷酸化生成 2 分子 ATP。 (7)延胡索酸转变为苹果酸 此反应由延胡索酸酶催化,加水生成苹果酸。 (8)苹果酸脱氢生成草酰乙酸 此反应由苹果酸脱氢酶催化,辅酶是 NAD+,脱氢后生成 NADH+H+,经线粒体内膜上经 呼吸链传递生成水,氧化磷酸化生成 3 分子 ATP。 三羧酸循环的总反应方程式为:

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三羧酸循环的特点:

(1)三羧酸循环是乙酰辅酶 A 的彻底氧化过程。草酰乙酸在反应前后并无量的变化。 三羧酸循环中的草酰乙酸主要来自丙酮酸的直接羧化。 (2)三羧酸循环是能量的产生过程,1 分子乙酰 CoA 通过 TCA 经历了 4 次脱氢(3 次 脱氢生成 NADH+H+,1 次脱氢生成 FADH2)、2 次脱羧生成 CO2,1 次底物水平磷酸化, 共产生 12 分子 ATP。 (3)三羧酸循环中柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体是反应 的关键酶,是反应的调节点。
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三羧酸循环的生理意义

(1)三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大物质代谢的最终代谢通路。糖、脂和蛋白质 在体内代谢都最终生成乙酰辅酶 A,然后进入三羧酸循环彻底氧化分解成水、CO2 和 产生能量。 (2)三羧酸循环是糖、脂和蛋白质三大物质代谢的枢纽。(图 6-8) 二、糖的有氧氧化生理意义 糖有氧氧化的主要功能是提供能量, 人体内绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化获取 能量。体内 l 分子葡萄糖彻底有氧氧化生成 38(或 36)分子 ATP。葡萄糖彻底氧化生 成 CO2、H2O 的过程中,ΔG'0=-2840kJ/mol,生成了 38 分子 ATP,38×30.5 kJ/ mol=1159 kJ/mol,产生能量的有效率为 40%左右。(表 6-5) 糖的有氧氧化中通过氧化磷酸化反应得到 34(或 32)分子 ATP, 通过底物水平磷酸化生 成 6 分子 ATP。在肝、肾、心等组织中 l 分子葡萄糖彻底氧化可生成 38 分子 ATP,而 骨骼肌及脑组织中只能生成 36 分子 ATP, 这一差别的原因是由于葡萄糖到丙酮酸这阶 段的反应是在细胞质中进行,3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶 NADH+H+又必须在线粒体内 进行氧化磷酸化,因此 NADH+H+要通过穿梭系统进入线粒体,由于穿梭系统的不同, 最后获得 ATP 数目亦不同(详见“第八章”)。从糖原的葡萄糖残基开始氧化,则每分 子糖基氧化可形成 39(或 37)分子 ATP。 三、糖有氧氧化的调节 糖有氧氧化中,葡萄糖生成丙酮酸过程的调节和糖酵解中一样,这里主要讨论丙酮酸 脱氢酶复合体和三羧酸循环的调节。
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丙酮酸脱氢酶复合体的调节

丙酮酸脱氢酶复合体有别构调节和共价调节两种。别构调节的抑制剂有 ATP、乙酰辅 酶 A、NADH、脂肪酸等。激活剂是 ADP、CoA、NAD+和 Ca2+等。当[ATP]/[ADP], [NADH]/[NAD+]和[乙酰 CoA]/[ CoA]很高时,提示能量足够,丙酮酸脱氢酶复合体被 别构后活性抑制。 丙酮酸脱氢酶复合体还存在共价修饰调节机制: 组成成分之一的丙酮酸脱氢酶中的丝 氨酸残基可被特定的磷酸激酶磷酸化而使丙酮酸脱氢酶失活; 相应的磷酸酶可使磷酸 化的丙酮酸脱氢酶去磷酸化而恢复其活性。 这个特定的磷酸激酶又受到 ATP 的别构激 活:当 ATP 浓度高时,特定的磷酸激酶别构激活,使丙酮酸脱氢酶被磷酸化抑制其活 性。
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三羧酸循环的调节

三羧酸循环的三个调节点是:柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复 合体这三个限速酶,最重要的调节点是异柠檬酸脱氢酶,其次是 α-酮戊二酸脱氢酶 复合体;最主要的调节因素是 ATP 和 NADH 的浓度。当[ATP]/[ADP],[NADH]/[NAD+] 很高时,提示能量足够,三个限速酶活性被抑制;反之,这三个限速酶的活性被激活。 此外,底物乙酰 CoA、草酰乙酸的不足,产物柠檬酸、ATP 产生过多,都能抑制柠檬 酸合酶。 四、糖有氧氧化与糖酵解的相互调节 巴斯德效应(Pastuer effect)是指:在有氧的条件下糖有氧氧化抑制糖无氧酵解。 这个效应是 Pastuer 在研究酵母菌葡萄糖发酵时发现的:在无氧的条件下,糖无氧酵 解产生的 ATP 的速度和数量远远大于有氧氧化,为产生 ATP 的主要方式。但在有氧的 条件下,酵母菌的酵解作用受到抑制。这种现象同样出现在肌肉中:当肌肉组织供氧 充分的情况下,有氧氧化抑制糖无氧酵解,产生大量量能量供肌肉组织活动所需。缺 氧时,则以糖无氧酵解为主。 在一些代谢旺盛的正常组织和肿瘤细胞中,即使在有氧的条件下,仍然以糖无氧酵解 为产生 ATP 的主要方式, 这种现象称为 Cratree 效应或反巴斯德效应。 在具有 Cratree 效应的组织细胞中,其糖无氧酵解酶系(己糖激酶、6 磷酸果糖激酶 1、丙酮酸激酶) 活性较强,而线粒体中产生 ATP 的酶系活性较低,氧化磷酸化减弱,以糖无氧酵解酶 系产生能量为主。 第六节磷酸戊糖途径 磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)是葡萄糖氧化分解的另一条重要途径, 它的功能不是产生 ATP, 而是产生细胞所需的具有重要生理作用的特殊物质, NADPH 如 和 5-磷酸核糖。这条途径存在于肝脏、脂肪组织、甲状腺、肾上腺皮质、性腺、红细 胞等组织中。代谢相关的酶存在于细胞质中。
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磷酸戊糖途径反应过程

磷酸戊糖途径是一个比较复杂的代谢途径: 6 分子葡萄糖经磷酸戊糖途径可以使 1

分子葡萄糖转变为 6 分子 CO2。磷酸戊糖途径的过程见图 6-9 反应可分为两个阶段:第一阶段是氧化反应,产生 NADPH 及 5-磷酸核糖;第二阶段是 非氧化反应,是一系列基团的转移过程。 第一阶段:氧化反应 6-磷酸葡萄糖由 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 (glucose 6-phosphate dehydrogenase,G-6-PD) 及 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化作用,NADP+是它们的辅酶,G-6-P 在第一位碳原子 上脱氢脱羧而转变为 5-磷酸核酮糖, 同时生成 2 分子 NADPH+H+及 1 分子 CO2。 5-磷酸 核酮糖在异构酶的作用下成为 5-磷酸核糖。 在这一阶段中产生了 NADPH+H+和 5-磷酸核糖这两个重要的代谢产物。 第二阶段:非氧化反应--一系列基团的转移 在这一阶段中磷酸戊糖继续代谢,通过一系列的反应,循环再生成 G-6-P。5-磷酸核 酮糖经异构反应转变为 5-磷酸核糖或 5-磷酸木酮糖,三种形式的磷酸戊糖经转酮醇 酶催化转移酮醇基(—CO-CH20H)及转醛醇酶催化转移醛醇基(-CHOH-CO-CH20H), 进行 基团转移,中间生成三碳、七碳、四碳和六碳等的单糖磷酸酯,最后转变成 6-磷酸果 糖和 3-磷酸甘油醛,进一步代谢成为 G-6-P。(图 6-10、图 6-11)。 二、生理意义 磷酸戊糖途径不是供能的主要途径, 它的主要生理作用是提供生物合成所需的一些原 料。 (一)提供 NADPH+H+ 1.NADPH+H+作为供氢体,参与生物合成反应。如脂肪酸、类固醇激素等生物合成时都 需 NADPH+H+,所以脂类合成旺盛的组织如肝脏、乳腺、肾上腺皮质、脂肪组织等磷酸 戊糖途径比较活跃。 2.NADPH+H+是加单氧酶体系的辅酶之一,参与体内羟化反应,例如一些药物、毒物在 肝脏中的生物转化作用等。 3.NADPH+H+是谷胱甘肽还原酶的辅酶,NADPH 使氧化型谷胱甘肽变为 GSH,对维持红 细胞中还原型谷胱甘肽(GSH)的正常含量起重要作用。GSH 能去除红细胞中的 H2O2, 维护红细胞的完整性: H2O2 在红细胞中的积聚, 会加快血红蛋白氧化生成高铁血红蛋 白的过程,降低红细胞的寿命;H2O2 对脂类的过氧化会导致红细胞膜的破坏,造成溶 血。 遗传性 G-6-PD 缺乏的患者,磷酸戊糖途径不能正常进行,造成 NADPH+H+减少,GSH 含量低下,红细胞易破坏而发生溶血性贫血。

(二)5-磷酸核糖为核苷酸、核酸的合成提供原料。 (三)三碳糖、四碳糖、五碳糖、七碳糖及六碳糖通过磷酸戊糖途径互相转换。 第七节糖原合成和糖原分解 糖原是体内糖的储存形式,主要以肝糖原、肌糖原形式存在。肝糖原的合成与分解主 要是为了维持血糖浓度的相对恒定;肌糖原是肌肉糖酵解的主要来源。糖原由许多葡 萄糖通过 α-1,4-糖苷键(直链)及 α-1,6-糖苷键(分枝)相连而成的带有分枝的多 糖(图 6-11),存在于细胞质中。 糖原合成(glycogenesis)是由葡萄糖合成糖原的过程。反之,糖原分解 (glycogenolysis)则是指肝糖原分解为葡萄糖的过程。 糖原合成及分解反应都是从糖 原分支的非还原性末端开始,分别由两组不同的酶催化(图 6—13)。
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糖原合成

糖原合成首先以葡萄糖为原料合成尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphate glucose,UDP-Glc),在限速酶糖原合酶(glycogen synthase)的作用下,将 UDP-Glc 转给肝、肌肉中的糖原蛋白(glycogenin)上,延长糖链合成糖原。其次糖链在分支酶 的作用下再分支合成多支的糖原。反应可以分为二个阶段: 第一阶段:糖链的延长 游离的葡萄糖不能直接合成糖原,它必须先磷酸化为 G-6-P 再转变为 G-1-P,后者与 UTP 作用形成 UDP-Glc 及焦磷酸(PPi)。UDP-Glc 是糖原合成的底物,葡萄糖残基的供 体,称为活性葡萄糖。UDP-Glc 在糖原合酶催化下将葡萄糖残基转移到糖原蛋白中糖 原的直链分子非还原端残基上,以 α-1,4-糖苷键相连延长糖链。 第二阶段:糖链分支 糖原合酶只能延长糖链,不能形成分支。当直链部分不断加长到超过 11 个葡萄糖残 基时,分支酶可将一段糖链(至少含有 6 个葡萄糖残基)转移到邻近糖链上,以 α-1, 6-糖苷键相连接,形成新的分支(图 6-13),分支以 α-1,4-糖苷键继续延长糖链。 糖原蛋白是一个分子质量为 37 kDa 的蛋白质,它既是糖链延长的引物,又具有酶活 性,在糖原合成起始中具有重要作用(图 6-15)。①UDP-Glc 提供的一个葡萄糖残基 和糖原蛋白上的酪氨酸残基进行共价连接, 这一步是由糖原蛋白本身具有的糖基转移 酶(glucosyltransferase)所催化的。②结合了一个葡萄糖残基的糖原蛋白和糖原 合酶一起三者形成一个牢固的复合物, 以后的反应都在这个复合物上进行。 ③UDP-Glc 在糖基转移酶催化下提供葡萄糖残基,糖原合酶催化合成,以 α-1,4-糖苷键延长, 形成 7 个葡萄糖残基以上的短链。 ④随着糖链的延长, 糖原合酶最终和糖原蛋白分离。 ⑤在糖原合酶和分支酶的联合作用下完成糖原的合成, 糖原蛋白仍然保留在糖原分子 中。

糖原合酶是糖原合成的限速酶,是糖原合成的调节点。糖原蛋白每增加一个葡萄糖残 基要消耗 2 分子 ATP(葡萄糖磷酸化以及生成 UDP-Glc)。 二、糖原分解 在限速酶糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)的催化下,糖原从分支的非还原 端开始,逐个分解以 α-1,4-糖苷键连接的葡萄糖残基,形成 G-1-P。G-1-P 转变为 G-6-P 后,肝及肾中含有葡萄糖-6-磷酸酶,使 G-6-P 水解变成游离葡萄糖,释放到血 液中,维持血糖浓度的相对恒定。由于肌肉组织中不含葡萄糖-6-磷酸酶,肌糖原分 解后不能直接转变为血糖,产生的 G-6-P 在有氧的条件下被有氧氧化彻底分解,在无 氧的条件下糖酵解生成乳酸,后者经血循环运到肝脏进行糖异生,再合成葡萄糖或糖 原(见糖异生)。 当糖原分子的分支被糖原磷酸化酶作用到距分支点只有 4 个葡萄糖残基时, 糖原磷酸 化酶不能再发挥作用。此时脱支酶发挥作用,脱支酶具有转寡糖基酶和 α-1,6-葡萄 糖苷酶两个酶活性: 转寡糖基酶将分支上残留的 3 个葡萄糖残基转移到另外分支的末 端糖基上,并进行 α-1,4-糖苷键连接;而残留的最后一个葡萄糖残基则通过 α-1, 6-葡萄糖苷酶水解,生成游离的葡萄糖;分支去除后,糖原磷酸化酶继续催化分解葡 萄糖残基形成 G-1-P(图 6-16)。 三、糖原合成与糖原分解的调节 在肌肉中糖原的合成与分解主要是为肌肉提供 ATP;在肝脏,糖原合成、糖原分解主 要是为了维持血糖浓度的相对恒定。它们的作用受到肾上腺素、胰高血糖素、胰岛素 等激素的影响:肾上腺素主要作用于肌肉;胰高血糖素、胰岛素主要调节肝脏中糖原 合成和分解的平衡。糖原合酶与糖原磷酸化酶分别是糖原合成和糖原分解的限速酶, 糖原磷酸化酶和糖原合酶的活性不会同时被激活或同时抑制, 它们可以通过别构调节 和共价修饰调节两种方式进行活性的调节。 (一) 糖原磷酸化酶活性调节 糖原磷酸化酶以 a、b 两种形式存在。在糖原磷酸化酶激酶及 ATP 存在下,在糖原磷 酸化酶 b 的丝氨酸残基进行磷酸化修饰, 使无活性的糖原磷酸化酶 b 转变成有活性的 糖原磷酸化酶 a。糖原磷酸化酶 a 可经磷蛋白磷酸酶作用使其丝氨酸残基脱去磷酸, 成为无活性的糖原磷酸化酶 b。 在肌肉剧烈运动时,糖原磷酸化酶的活性是受到肾上腺素的调节。肾上腺素通过信号 转导系统使 cAMP 的浓度提高,激活 A 激酶使无活性的糖原磷酸化酶激酶 b 磷酸化成 为有活性的糖原磷酸化酶激酶 a,糖原磷酸化酶激酶 a 进一步使无活性的糖原磷酸化 酶 b 成为有活性的糖原磷酸化酶 a,促进糖原分解,产生能量。 当肌肉剧烈运动时, 肌糖原分解增加, 这过程也涉及是二个别构调节机制。 一个是 Ca2+ 的别构调节:Ca2+是肌肉运动的信号,它结合并别构糖原磷酸化酶激酶 b 使其具有活 性,促进无活性的糖原磷酸化酶 b 转变为有活性的糖原磷酸化酶 a。另一个是 AMP 和 ATP 的别构调节:AMP 在剧烈运动的肌肉中积聚,别构激活糖原磷酸化酶;当 ATP 足

够时,ATP 和别构位点结合,使糖原磷酸化酶失活。 在肝脏中,糖原磷酸化酶的活性调节主要受胰高血糖素调节,当血糖浓度降低到一定 程度, 通过胰高血糖素形成 cAMP, 激活 A 激酶使磷酸化酶激酶 b 成为磷酸化酶激酶 a, 催化无活性的磷酸化酶 b 转变为有活性的磷酸化酶 a,促使肝糖原分解成葡萄糖释放 到血液中,达到升血糖目的。在肝脏中糖原磷酸化酶的活性也存在着别构调节机制。 当血糖浓度恢复正常,葡萄糖进入肝细胞并和糖原磷酸化酶 a 的别构位点结合,使糖 原磷酸化酶 a 上磷酸化的丝氨酸残基暴露给糖原磷酸化酶 a 磷酸酶,糖原磷酸化酶 a 脱磷酸成无活性的糖原磷酸化酶 b,此时葡萄糖是别构剂。 (二)糖原合成酶活性的调节 糖原合酶也分为 a、b 两种形式。糖原合酶 a 具有活性。糖原合酶 a 被磷酸化转变成 无活性的糖原合酶 b。在磷蛋白磷酸酶的作用下,无活性的糖原酶 b 脱磷酸转变为有 活性的糖原合酶 a。糖原磷酸化酶和糖原合酶的活性在磷酸化与去磷酸化作用下相互 调节,一个酶被激活,另一个酶活性被抑制,二个酶不会同时被激活或同时抑制。 糖原磷酸化酶激酶 a、糖原磷酸化酶 a 和糖原合酶 b,它们的脱磷酸均由磷蛋白磷酸 酶催化。磷蛋白磷酸酶可与磷蛋白磷酸酶抑制物结合而失去活性,以保证糖原磷酸化 酶激酶 a、糖原磷酸化酶 a 和糖原合酶 b 维持磷酸化的状态。只有磷酸化的磷蛋白磷 酸酶抑制物才能和磷蛋白磷酸酶结合而使磷蛋白磷酸酶失去活性。因此 cAMP 激活 A 激酶,不仅促进糖原磷酸化酶激酶 b 磷酸化成为糖原磷酸化酶激酶 a、磷酸化酶 b 磷 酸化成为磷酸化酶 a,又通过磷蛋白磷酸酶抑制剂的磷酸化,达到抑制磷蛋白磷酸酶 对糖原磷酸化酶激酶 a、糖原磷酸化酶 a 和糖原合酶 b 脱磷酸化的目的,最终促进糖 原分解,抑制糖原合成(图 6-18)。 图 6-18 中酶的磷酸化与去磷酸化使酶活性相应改变,构成一组连续的、级联式 (cascade)的酶促反应过程,各级反应不仅都可被调节,而且有放大效应。这种调节 机制有利于机体针对不同生理状况作出反应。 四、糖原贮积病 糖原贮积病(glycogen storage disease)是一类遗传性疾病,表现为异常种类和数量 的糖原在组织中沉积,产生不同类型的糖原贮积病,每种类型表现为糖原代谢中的一 个特定的酶缺陷或缺失而使糖原贮存 (表 6-5) ,由于肝脏和骨骼肌是糖原代谢的重要 部位,因此是糖原贮积病的最主要累及部位.肝脏、肌肉。 第八节糖异生作用 糖异生作用(gluconeogenesis)是指非糖物质如生糖氨基酸、乳酸、丙酮酸及甘油等 转变为葡萄糖或糖原的过程。糖异生的最主要器官是肝脏。 一、糖异生反应过程

糖异生反应过程基本上是糖酵解反应的逆过程。由于糖酵解过程中由己糖激 酶、6-磷酸果糖激酶 1 及丙酮酸激酶催化的三个反应释放了大量的能量,构成难以逆 行的能障, 因此这三个反应是不可逆的。这三个反应可以分别通过相应的、特殊的 酶催化,使反应逆行(图 6-19),完成糖异生反应过程。 (一)丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸的反应包括丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 催化的两步反应,构成一条所谓“丙酮酸羧化支路”使反应进行。这个反应是糖酵解 过程中丙酮酸激酶催化的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸的逆过程。
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丙酮酸羧化生成草酰乙酸

此反应由丙酮酸羧化酶催化, 辅酶是生物素, ATP、 Mg2+ (Mn2+) 参与羧化反应, CO2 通过生物素使丙酮酸羧化生成草酰乙酸。此酶存在于线粒体中,故丙酮酸必须进入线 粒体才能被羧化为草酰乙酸,这也是体内草酰乙酸的重要来源之一。 2.草酰乙酸脱羧生成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 此反应由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化,由 GTP 提供能量,释放 CO2。 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在人体的线粒体及胞液中均有存在。 存在于线粒体中的磷酸 烯醇式丙酮酸羧激酶,可直接催化草酰乙酸脱羧生成 PEP,PEP 从线粒体转运到细胞 质,通过糖酵解逆行过程生成 1,6-二磷酸果糖。存在于细胞质中的磷酸烯醇式丙酮 酸羧激酶,首先要使草酰乙酸从线粒体转运到细胞质中:由于草酰乙酸不能自由进出 线粒体内膜, 因此草酰乙酸先要在线粒体内还原生成苹果酸或经转氨基作用生成天冬 氨酸;苹果酸、天冬氨酸都能自由进出线粒体内膜,可从线粒体到达细胞质;在细胞 质中苹果酸可脱氢氧化、天冬氨酸可再经转氨基作用生成草酰乙酸,完成了将草酰乙 酸从线粒体转运到细胞质的过程。然后,转运到细胞质中的草酰乙酸可在磷酸烯醇式 丙酮酸羧激酶催化下脱羧生成 PEP。 (二)1,6-二磷酸果糖转变为 6-磷酸果糖 此反应由 1,6-二磷酸果糖酶 1 催化进行。这个反应是糖酵解过程中 1,6-二磷酸果 糖酶 1 催化 6-磷酸果糖生成 1,6-二磷酸果糖的逆过程。 (三)6-磷酸葡萄糖转变为葡萄糖 此反应由葡萄糖-6-磷酸酶催化进行。这个反应是糖酵解过程中己糖激酶催 化葡萄糖生成 6-磷酸葡萄糖的逆过程。 二、生理意义

1.糖异生最重要的生理意义是在空腹或饥饿情况下维持血糖浓度的相对恒定 2.乳酸再利用: 乳酸大部分是由肌肉和红细胞中糖酵解生成的,经血液运输到肝脏或肾脏,经糖异生 再形成葡萄糖,后者可经血液运输回到各组织中继续氧化提供能量。这个过程称为是 乳酸循环或 Cori 循环(lactate cycle or Cori cycle)(图 6-20)。在安静状态下 产生乳酸的量甚少,此途径意义不大。但在某些生理或病理情况下,如剧烈运动时, 肌糖原酵解产生大量乳酸,大部分可经血液运到肝脏,通过糖异生作用合成肝糖原或 葡萄糖以补充血糖,而血糖又可供肌肉利用。乳酸循环可避免损失乳酸以及防止因乳 酸堆积引起的酸中毒。 3.糖异生促进肾脏排 H+、缓解酸中毒 酸中毒时 H+能激活肾小管上皮细胞中的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,促进糖异生进行。 由于三羧酸循环中间代谢物进行糖异生,造成 α-酮戊二酸含量降低,促使谷氨酸和 谷氨酰胺的脱氨生成的 α-酮戊二酸补充三羧酸循环,产生的氨则分泌进入肾小管, 与原尿中 H+结合成 NH4+,对 H+过多起到缓冲作用,可缓解酸中毒。 三、糖异生的调节 糖异生途径中四个关键酶催化的反应是糖异生的主要调节点。 糖异生与糖酵解是两条 相同但方向相反的代谢途径,因此它们必须是互为调节的,两条代谢途径中关键酶的 激活或抑制要互相配合:当糖供应充分时,糖酵解有关的酶活性增高,糖异生有关的 酶活性减低; 当糖供应不足时, 糖酵解有关的酶活性减低, 糖异生有关的酶活性增高。 体内通过改变酶的合成速度、 共价修饰调节和别构调节来调控这两条途径中关键酶的 活性,以达到最佳生理效应。
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诱导、抑制关键酶的合成

当血糖浓度升高,一方面可导致胰岛素分泌增加,成为增加糖酵解关键酶合成的诱导 因素;另一方面可抑制糖皮质激素和胰高血糖素诱导产生糖异生的关键酶。
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关键酶的共价修饰调节

当血糖浓度的降低,可导致胰高血糖素、少量的肾上腺素产生,通过 cAMP 达到抑制 糖酵解、 增加糖异生的目的。 cAMP 浓度的增加可使 A 激酶对丙酮酸酸激酶进行磷酸化, 磷酸化后的丙酮酸激酶活性降低, 糖酵解过程抑制。 胰高血糖素和肾上腺素对 6-磷酸 果糖激酶 2 也有共价修饰作用, 根据糖供应的情况产生相应的 2, 6-二磷酸果糖的量, 进而影响 6-磷酸果糖激酶 1 的活性,达到调节糖酵解的目的(见糖酵解调节)。
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关键酶的别构调节

(1)乙酰 CoA 作为别构剂的作用:激活糖异生的丙酮酸羧化酶,抑制糖有氧氧化中 的丙酮酸脱氢酶复合体的活性,促进糖异生作用。当细胞能量足够时,三羧酸循环被

抑制、 乙酰 CoA 堆积, 进而抑制丙酮酸脱氢酶复合体的活性, 减缓丙酮酸生成乙酰 CoA; 与此同时丙酮酸羧化酶激活,增加糖异生过程,将多余的丙酮酸生成葡萄糖。 (2)AMP、ATP 作为别构剂的作用:AMP 是糖异生的 1,6-二磷酸果糖酶 1 的别构抑制 剂,是糖酵解中 6-磷酸果糖激酶 1 的别构激活剂。ATP、柠檬酸是 6-磷酸果糖激酶 1 的别构抑制剂。这二个酶相互协调共同调节糖异生、糖酵解。肝细胞内 ATP/ADP 比 值增加时,糖异生加强而糖酵解被抑制,反之,当 ATP/ADP 比值下降时,糖酵解加 速,而糖异生被抑制。 (3)2,6-二磷酸果糖作为别构剂的作用:2,6-二磷酸果糖在糖酵解、糖异生的相 互调节中起着重要作用。 6-二磷酸果糖是 6-磷酸果糖激酶 1 最强烈的别构激活剂, 2, 同时也是 1,6-二磷酸果糖酶 1 的别构抑制剂。在糖供应充分时,2,6-二磷酸果糖浓 度增高激活 6-磷酸果糖激酶 1,抑制 1,6-二磷酸果糖酶 1,促进糖酵解。在糖供应 缺乏时 ,2,6 二磷酸果糖浓度降低,减低对 6-磷酸果糖激酶 1 的激活、减低对 1, 6-二磷酸果糖酶 1 的抑制,糖异生增加。 第九节糖蛋白与蛋白聚糖 糖蛋白(glycoprotein)及蛋白聚糖(proteoglycan)都由蛋白质及一条或多条糖链以 共价键连接的复合物。它们普遍存在于生物界,在体内具有多种重要的生物学功能。 糖蛋白以蛋白质为主,而蛋白聚糖中多糖所占重量在一半以上,最多可达 95%,两者 的组成成分、结构与功能有较大差别。 一、糖蛋白 (一)糖蛋白的结构 (二)糖蛋白的功能 二、蛋白聚糖 (一)蛋白聚糖的组成 (二)重要的蛋白聚糖

第七章脂类代谢 第七章脂类代谢
脂类是脂肪及类脂的总称,是一类不溶于水而易溶于有机溶剂,并能为机体利用的有 机化合物。脂肪是三脂肪酸甘油酯或称甘油三酯(triglyceride),脂肪的生理功能 是储存能量及氧化供能。类脂包括固醇及其酯、磷脂及糖脂等,是细胞的膜结构重要 组分。 脂酸在体内主要与醇结合成酯。与脂酸结合的醇有甘油(丙三醇)、鞘氨醇及胆固醇 等。1 分子甘油与 3 分子脂酸通过酯键结合生成的甘油三酯,即脂肪,是机体储存能

量的主要形式。甘油还可与 2 分子脂酸、1 分子磷酸及含氮化合物结合成甘油磷脂 (phosphoglycerides)。甘油磷脂包括磷脂酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰乙醇胺(脑 磷脂)、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇及二磷脂酰甘油(心磷脂)等,是构成生物膜脂 双层的基本骨架,含量恒定。脂酸与鞘氨醇通过酰胺键结合的脂称为鞘脂,含磷酸者 为鞘磷脂,含糖者称为鞘糖脂,是生物膜的重要组分,参予细胞识别及信息传递。 第一节不饱和脂酸的命名及分类 自然界存在的不饱和脂酸按含双键数目分为单及多不饱脂酸。 习惯上将含 2 个或 2 个 以上双键的不饱和脂酸称为多不饱和脂酸。 不饱和脂酸命名常用系统命名法以标示脂酸的碳原子数即碳链长度和双键的位置。 如 从脂酸的羧基碳起计算碳原子的顺序,则这种编码体系为△编码体系。如从脂酸的甲 基碳起计算其碳原子顺序则为 ω 或 n 编码体系。按 ω 或 n 编码体系命名,哺乳动物 体内的各种不饱和脂酸可分为四族: ω7、 即 ω9、 ω6、 ω3 四族 和 (表 7-1 及表 7-2) 。 哺乳动物体内缺乏在脂酸 C9 碳原子处引入双键的去饱和酶系, 因此不能合成 ω-6 族 的亚油酸(18:2,△9,12)及 ω-3 族的 α-亚麻酸(18:3,△9,12,15),这两 种多不饱和脂酸必需由食物中植物油提供。只要供给亚油酸(ω6,n-6)则动物即能 合成 ω6 族的花生四烯酸及其衍生物。长链多不饱和脂酸如二十碳五烯酸 (eicosapentaenoic acid, EPA),二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA) 在脑及睾丸中含量丰富, 是脑及精子正常生长发育不可缺少的组分。 这类脂酸以 ω-3 族的 α-亚麻酸(18:3,ω-3)为原料可在体内合成,而亚油酸(18:2,ω-6)不 能代替 α-亚麻酸。 近十多年来的研究发现, 在海水鱼油中亦含丰富的 EPA 及 DHA, ω-3 族多不饱和脂 属 酸。这类脂酸具有降血脂、抗血小板聚集、延缓血栓形成、保护脑血管、抗癌等特殊 生物效应,对心脑血管疾病的防治具有重要价值。 第二节脂类的消化和吸收 膳食中的脂类主要为脂肪,此外还含少量磷脂、胆固醇等。脂类不溶于水,必须在小 肠经胆汁中胆汁酸盐的作用,乳化并分散成细小的微团(micelles)后,才能被消化 酶消化。胰液及胆汁均分泌入十二指肠,因此小肠上段是脂类消化的主要场所。胆汁 酸盐是较强的乳化剂,能降低油与水相之间的界面张力,使脂肪及胆固醇酯等疏水的 脂质乳化成细小微团,增加消化酶对脂质的接触面积,有利于脂肪及类脂的消化及吸 收。胰腺分泌入十二指肠中消化脂类的酶有胰脂酶(pancreatic lipase)、磷脂酶 A2 (phospholipase A2) 胆固醇酯酶 、 (cholesteryl esterase) 及辅脂酶 (colipase) 。 胰脂酶特异催化甘油三酯的 1 及 3 位酯键水解, 生成 2-甘油一酯 (2-monoglyceride) 及 2 分子脂酸。胰脂酶必须吸附在乳化脂肪微团的水油界面上,才能作用于微团内的 甘油三酯。辅脂酶是胰脂酶对脂肪消化不可缺少的蛋白质辅因子。胰磷脂酶 A2 催化 磷脂 2 位酯键水解,生成脂酸及溶血磷脂;胆固醇酯酶促进胆固醇酯水解生成游离胆 固醇及脂酸。脂肪及类脂的消化产物包括甘油一酯、脂酸、胆固醇及溶血磷脂等可与 胆汁酸盐乳化成更小的混合微团(mixed micelles)。这种微团体积更小,极性更大,

易于穿过小肠粘膜细胞表面的水屏障,为肠粘膜细胞吸收。 脂类消化产物主要在十二指肠下段及空肠上段吸收。中链脂酸(6~10C)及短链脂酸 (2~4C)构成的甘油三酯,经胆汁酸盐乳化后即可被吸收。在肠粘膜细胞内脂肪酶 的作用下,水解为脂肪酸及甘油,通过门静脉进入血循环。长链脂酸(12~26C)及 2-甘油一酯吸收入肠粘膜细胞后,在光面内质网脂酰 CoA 转移酶(acyl CoA transferase)的催化下,由 ATP 供给能量,2-甘油一酯加上 2 分子脂酰 CoA,再合成 甘油三酯。后者再与粗面内质网合成的载脂蛋白(apolipoprotein, apo)B48、C、 AI、AIV 等以及磷脂、胆固醇结合成乳糜微粒,经淋巴进入血循环。在肠粘膜细胞中 由甘油一酯合成脂肪的途径称为甘油一酯合成途径。 第三节甘油三酯代谢 一、甘油三酯的合成代谢 甘油三酯是机体储存能量的形式。机体摄入糖、脂肪等食物均可合成脂肪在脂肪组织 储存,以供禁食、饥饿时的能量需要。 (一)合成部位 肝、脂肪组织及小肠是合成甘油三酯的主要场所,以肝的合成能力最强。上述三种组 织、细胞均有合成甘油三酯的脂酰 CoA 转移酶。 脂肪组织是机体合成脂肪的另一重要组织。 它可利用从食物脂肪而来的乳糜微粒 (CM) 或 VLDL 中的脂酸合成脂肪,更主要以葡萄糖为原料合成脂肪。脂肪细胞可以大量储 存脂肪,是机体合成及储存脂肪的“仓库”。小肠粘膜细胞主要利用脂肪消化产物再 合成脂肪,以乳糜微粒形式经淋巴进入血循环。 (二)合成原料 合成甘油三酯所需的甘油及脂酸主要由葡萄糖代谢提供。食物脂肪消化吸收后以 CM 形式进入血循环,运送至脂肪组织或肝,其脂酸亦可用以合成脂肪。 (三)合成基本过程 1. 甘油一酯途径小肠粘膜细胞主要利用消化吸收的甘油一酯及脂酸再合成甘油三酯。 2.甘油二酯途径肝细胞及脂肪细胞主要按此途径合成甘油三酯。葡萄糖循糖酵解途 径生成 3-磷酸甘油, 在脂酰 CoA 转移酶的作用下, 依次加上 2 分子脂酰 CoA 生成磷脂 酸(phosphatidic acid)。后者在磷脂酸磷酸酶的作用下,水解脱去磷酸生成 1,2甘油二酯,然后在脂酰 CoA 转移酶的催化下,再加上 1 分子脂酰基即生成甘油三酯。 合成脂肪的三分子脂酸可为同一种脂酸, 亦可是三种不同的脂酸。 合成所需的 3-磷酸 甘油主要由糖代谢提供。肝、肾等组织含有甘油激酶,能利用游离甘油,使之磷酸化 生成 3-磷酸甘油。脂肪细胞缺乏甘油激酶因而不能利用甘油合成脂肪。

二、甘油三酯的分解代谢 (一)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酸(free fatty acid, FFA) 及甘油并释放入血以供其他组织氧化利用,该过程称为脂肪的动员。在脂肪动员中, 脂肪细胞内激素敏感性甘油三酯脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase, HSL)起决定性作用,它是脂肪分解的限速酶。 当禁食、饥饿或交感神经兴奋时,肾上腺素、去甲肾上腺素、胰高血糖素等分泌增加, 作用于脂肪细胞膜表面受体,激活腺苷酸环化酶,促进 cAMP 合成,激活依赖 cAMP 的 蛋白激酶,使胞液内 HSL 磷酸化而活化。后者使甘油三酯水解成甘油二酯及脂酸。这 步反应是脂肪分解的限速步骤,HSL 是限速酶,它受多种激素的调控,故称为激素敏 感性脂肪酶。能促进脂肪动员的激素称为脂解激素,如肾上腺素、胰高血糖素,ACTH 及 TSH 等。胰岛素、前列腺素 E2 及烟酸等抑制脂肪的动员,对抗脂解激素的作用。 脂解作用使储存在脂肪细胞中的脂肪分解成游离脂酸及甘油,然后释放入血。血浆白 蛋白具有结合游离脂酸的能力,每分子白蛋白可结合 10 分子 FFA。FFA 不溶于水,与 白蛋白结合后由血液运送至全身各组织,主要由心、肝、骨骼肌等摄取利用。甘油溶 于水,直接由血液运送至肝、肾、肠等组织。主要是在肝甘油激酶(glycerokinase) 作用下,转变为 3-磷酸甘油;然后脱氢生成磷酸二羟丙酮,循糖代谢途径进行分解或 转变为糖。脂肪细胞及骨骼肌等组织因甘油激酶活性很低,故不能很好利用甘油。 (二)脂酸的 β-氧化 脂酸是人及哺乳动物的主要能源物质。在 O2 供给充足的条件下,脂酸可在体内分解 成 CO2 及 H2O 并释出大量能量,以 ATP 形式供机体利用。除脑组织外,大多数组织均 能氧化脂酸,但以肝及肌肉最活跃。 1.脂酸的活化——脂酰 CoA 的生成脂酸进行氧化前必须活化,活化在线粒体外进行。 内质网及线粒体外膜上的脂酰 CoA 合成酶(acyl-CoA synthetase)在 ATP、CoASH、 Mg2+存在的条件下,催化脂酸活化,生成脂酰 CoA。 脂酸活化后不仅含有高能硫酯键,而且增加了水溶性,从而提高了脂酸的代谢活性。 反应过程中生成的焦磷酸(PPi)立即被细胞内的焦磷酸酶水解,阻止了逆向反应的 进行。故 1 分子脂酸活化,实际上消耗了 2 个高能磷酸键。 2.脂酰 CoA 进入线粒体脂酸的活化在胞液中进行,而催化脂酸氧化的酶系存在于线 粒体的基质内,因此活化的脂酰 CoA 必须进入线粒体内才能代谢。实验证明,长链脂 酰 CoA 不能直接透过线粒体内膜。它进入线粒体需肉碱[carnitine, L-(CH3)3N+CH2CH(OH)CH2COO-, L-β 羟- -三甲氨基丁酸]的转运。 线粒体外膜存在肉碱脂酰转移酶 I(carnitine acyl transferase I),它能催化长 链脂酰 CoA 与肉碱合成脂酰肉碱(acyl carnitine),后者即可在线粒体内膜的肉碱

-脂酰肉碱转位酶(carnitine-acylcarnitine translocase)的作用下,通过内膜进 入线粒体基质内。此转位酶实际上是线粒体内膜转运肉碱及脂酰肉碱的载体。它在转 运 1 分子脂酰肉碱进入线粒体基质内的同时, 1 分子肉碱转运出线粒体内膜外膜间 将 腔。进入线粒体内的脂酰肉碱,则在位于线粒体内膜内侧面的肉碱脂酰转移酶 II 的 作用下, 转变为脂酰 CoA 并释出肉碱。 脂酰 CoA 即可在线粒体基质中酶体系的作用下, 进行 β 氧化(图 7-1)。 肉碱脂酰转移酶 I 是脂酸 β 氧化的限速酶, 脂酰 CoA 进入线粒体是脂酸 β-氧化的主 要限速步骤。当饥饿、高脂低糖膳食或糖尿病时,机体不能利用糖,需脂酸供能,这 时肉碱脂酰转移酶 I 活性增加, 脂酸氧化增强。 相反, 饱食后, 脂肪合成及丙二酰 CoA 增加,后者抑制肉碱脂酰转移酶 I 活性,因而脂酸的氧化被抑制。 3.脂酸的 β-氧化 脂酰 CoA 进入线粒体基质后,在线粒体基质中疏松结合的脂酸 β-氧化多酶复合体的 催化下,从脂酰基的 β-碳原子开始,进行脱氢、加水、再脱氢及硫解等四步连续反 应, 脂酰基断裂生成 1 分子比原来少 2 个碳原子的脂酰 CoA 及 1 分子乙酰 CoA 图 7-2) ( 。 脂酸 β-氧化的过程如下: (1)脱氢:脂酰 CoA 在脂酰 CoA 脱氢酶的催化下,α、β 碳原子各脱下一氢原子, 生成反△2 烯酰 CoA。脱下的 2H 由 FAD 接受生成 FADH2。 (2)加水:反△2 烯酰 CoA 在△2 烯酰水化酶的催化下,加水生成 L(+)-β-羟脂酰 CoA。 (3)再脱氢:L(+)-β-羟脂酰 CoA 在 β-羟脂酰 CoA 脱氢酶的催化下,脱下 2H 生 成 β-酮脂酰 CoA,脱下的 2H 由 NAD+接受,生成 NADH 及 H+。 (4)硫解:β-酮脂酰 CoA 在 β-酮脂酰 CoA 硫解酶催化下,加 CoASH 使碳链断裂, 生成 1 分子乙酰 CoA 和少 2 个碳原子的脂酰 CoA。 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,直至最后生成丁酰 CoA,后者再进行一次 β-氧化,即完成脂酸 的 β-氧化。 脂酸经 β-氧化后生成大量的乙酰 CoA。乙酰 CoA 一部分在线粒体内通过三羧酸循环 彻底氧化,一部分在线粒体中缩合生成酮体,通过血液运送至肝外组织氧化利用。 4.脂酸氧化的能量生成脂酸氧化是体内能量的重要来源。以软脂酸为例,进行 7 次 β-氧化,生成 7 分子 FADH2、7 分子 NADH+H+及 8 分子乙酰 CoA。每分子 FADH2 通过 呼吸链氧化产生 2 分子 ATP,每分子 NADH+H+氧化产生 3 分子 ATP,每分子乙酰 CoA 通过三羧酸循环氧化产生 12 分子 ATP。因此 1 分子软脂酸彻底氧化共生成(7×2)+ (7×3)+(8×12)=131 个 ATP。减去脂酸活化时耗去的 2 个高能磷酸键,相当于 2 个 ATP, 净生成 129 分子 ATP 或 129×51.6=6656kJ/mol。 1mol 软脂酸在体外彻底氧化

成 CO2 及 H2O 时的自由能为 9791kJ。故其能量利用效率为:

(四)酮体的生成及利用 乙酰乙酸(acetoacetate)、β-羟丁酸(β-hydroxybutyrate)及丙酮(acetone) 三者统称酮体(ketone bodies)。酮体是脂酸在肝分解氧化时特有的中间代谢物, 这是因为肝具有活性较强的合成酮体的酶系,而又缺乏利用酮体的酶系。 1. 酮体的生成脂酸在线粒体中经 β-氧化生成的大量乙酰 CoA 是合成酮体的原料。 合 成在线粒体内酶的催化下,分三步进行。 (1)2 分子乙酰 CoA 在肝线粒体乙酰乙酰 CoA 硫解酶(thiolase)的作用下,缩合成 乙酰乙酰 CoA,并释出 1 分子 CoASH。 (2)乙酰乙酰 CoA 在羟甲基戊二酸单酰 CoA(HMG CoA)合成酶的催化下,再与 1 分 子乙酰 CoA 缩合生成羟甲基戊二酸单酰 CoA (3-hydroxy-3-methyl glutaryl CoA, HMG CoA),并释出 1 分子 CoASH。 (3)羟甲基戊二酸单酰 CoA 在 HMG CoA 裂解酶的作用下,裂解生成乙酰乙酸和乙酰 CoA。 乙酰乙酸在线粒体内膜 β-羟丁酸脱氢酶的催化下,被还原成 β-羟丁酸,所需的氢 由 NADH 提供, 还原的速度由 NADH/NAD+的比值决定。 部分乙酰乙酸可在酶催化下脱羧 而成丙酮。 肝线粒体内含有各种合成酮体的酶类,尤其是 HMG CoA 合成酶,因此生成酮体是肝特 有的功能。但是肝氧化酮体的酶活性很低,因此肝不能氧化酮体。肝产生的酮体,透 过细胞膜进入血液运输到肝外组织进一步分解氧化(图 7-3)。 2.酮体的利用肝外许多组织具有活性很强的利用酮体的酶。 (1)琥珀酰 CoA 转硫酶:心、肾、脑及骨骼肌的线粒体具有较高的琥珀酰 CoA 转硫 酶活性。在有琥珀酰 CoA 存在时,此酶能使乙酰乙酸活化,生成乙酰乙酰 CoA。 (2)乙酰乙酰 CoA 硫解酶:心、肾、脑及骨骼肌线粒体中还有乙酰乙酰 CoA 硫解酶, 使乙酰乙酰 CoA 硫解,生成 2 分子乙酰 CoA,后者即可进入三羧酸循环彻底氧化。 (3)乙酰乙酰硫激酶:肾、心和脑的线粒体中尚有乙酰乙酰硫激酶,可直接活化乙 酰乙酸生成乙酰乙酰 CoA,后者在硫解酶的作用下硫解为 2 分子乙酰 CoA。

β-羟基丁酸在 β-羟丁酸脱氢酶的催化下,脱氢生成乙酰乙酸;然后再转变成乙酰 CoA 而被氧化。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。 这是脂酸的碳原子转变成糖的一个途径。 总之,肝是生成酮体的器官,但不能利用酮体;肝外组织不能生成酮体,却可以利用 酮体。 3.酮体生成的生理意义酮体是脂酸在肝内正常的中间代谢产物,是肝输出能源的一 种形式。酮体溶于水,分子小,能通过血脑屏障及肌肉毛细血胞壁,是肌肉尤其是脑 组织的重要能源。脑组织不能氧化脂酸,却能利用酮体。长期饥饿、糖供应不足时酮 体可以代替葡萄糖成为脑组织及肌肉的主要能源。 正常情况下,血中仅含有少量酮体,为 0.03~0.5mmol/L(0.3~5mg/dl)。在饥饿、 高脂低糖膳食及糖尿病时, 脂酸动员加强, 酮体生成增加。 尤其在未控制糖尿病患者, 血液酮体的含量可高出正常情况的数十倍,这时丙酮约占酮体总量的一半。酮体生成 超过肝外组织利用的能力,引起血中酮体升高,可导致酮症酸中毒,并随尿排出,引 起酮尿。 4.酮体生成的调节 (1)饱食及饥饿的影响:饱食后,胰岛素分泌增加,脂解作用抑制、脂肪动员减 少,进入肝的脂酸减少,因而酮体生成减少。饥饿时,胰高血糖素等脂解激素分泌增 多, 脂酸动员加强, 血中游离脂酸浓度升高而使肝摄取游离脂酸增多, 有利于脂酸 β氧化及酮体生成。 (2)肝细胞糖原含量及代谢的影响:进入肝细胞的游离脂酸主要有两条去路,一是 在胞液中酯化合成甘油三酯及磷脂;一是进入线粒体内进行 β-氧化,生成乙酰 CoA 及酮体。饱食及糖供给充足时,肝糖原丰富,糖代谢旺盛,此时进入肝细胞的脂酸主 要与 3-磷酸甘油反应, 酯化生成甘油三酯及磷脂。 饥饿或糖供给不足时, 糖代谢减弱, 3-磷酸甘油及 ATP 不足,脂酸酯化减少,主要进入线粒体进行 β 氧化,酮体生成增 多。 (3)丙二酰 CoA 抑制脂酰 CoA 进入线粒体:饱食后糖代谢正常进行时所生成的乙酰 CoA 及柠檬酸能别构激活乙酰 CoA 羧化酶,促进丙二酰 CoA 的合成。后者能竞争性抑 制肉碱脂酰转移酶 I,从而阻止脂酰 CoA 进入线粒体内进行 β-氧化。 三、脂酸的合成代谢 (一)软脂酸的合成 1.合成部位脂酸合成酶系存在于肝、肾、脑、肺、乳腺及脂肪等组织,位于线粒体 外胞液中。肝是人体合成脂酸的主要场所。 2.合成原料乙酰 CoA 是合成脂酸的主要原料,主要来自葡萄糖。细胞内的乙酰 CoA

全部在线粒体内产生,而合成脂酸的酶系存在于胞液。线粒体内的乙酰 CoA 必须进入 胞液才能成为合成脂酸的原料。

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