生物化学笔记

第一章

导论

一、生物化学的概念：研究生命有机体化学组成和化学变化的科学，即研究生命活动化学本质的学科。 二、生物化学的主要研究内容： 1、 生物体的化学组成；

生物大分子：蛋白质、核酸、多糖等相对分子量较大的有机化合物。 2、 生物体的物质代谢、能量转换和代谢调节； 3、 生物体的信息代谢。 三、生物化学的发展简史：

1、 静态生物化学时期（1920年以前）

研究内容以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主。 2、 动态生物化学时期（1950年以前）

生物化学从单纯的组成分析深入到物质代谢途径及动态平衡、能量转化，光合作用、生物氧化、糖的分解和合成代谢、蛋白质合成、核酸的遗传功能、酶、维生素、激素、抗生素等的代谢，都基本搞清。 3、 机能生物化学时期（1950年以后）

蛋白质化学和和核酸化学成为研究重点。生物化学研究深入到生命的本质和奥秘：运动、神经、内分泌、生长、发育、繁殖等的分子机理。1953年，DNA双螺旋结构、近代实验技术和研究方法奠定了现代分子生物学的基础，从此，核酸成了生物化学研究的热点和重心。

附：重要的生化科学发现

1937年，英国生物化学家克雷布斯（Krebs）发现三羧酸循环,获1953年诺贝尔生理学奖。

1953年，沃森—克里克（Watson—Crick）确定DNA双螺旋结构，获1962年诺贝尔生理、医学奖。 1955年，英国生物化学家桑格尔（Sanger）确定牛胰岛素结构，获1958年诺贝尔化学奖。

1980年，桑格尔（Sanger）和吉尔伯特（Gilbet）设计出测定DNA序列得方法，获1980年诺贝尔化学奖。 四、应掌握内容

1、 基本的生物化学理论和知识

（1）生物大分子的结构、性质和功能（糖、脂、蛋白质、酶、维生素、核酸、激素、抗生素）。功能：生理功能、发育、免疫、进化、生物膜、遗传信息传递等。

（2）生物大分子在生物体内的代谢（分解、合成、转化过程、能量的转化）。

（3）遗传信息传递的化学基础及过程：DNA复制与修复、RNA生物合成、蛋白质生物合成、代谢调节 2、 生化分离分析的一些技术手段（实验生化和生化技术细讲）

第二章 蛋白质的结构与功能

蛋白质概论：蛋白质是所有生物中非常重要的结构分子和功能分子，几乎所有的生命现象和生物功能都是蛋白质作用的结果，因此，蛋白质是现代生物技术，尤其是基因工程，蛋白质工程、酶工程等研究的重点和归宿点。

一、蛋白质的生物学功能：

1、催化生物体内的化学反应，如酶；

2、调节机体内的代谢活动，如调节蛋白；

3、在生物体内运输各种小分子物质，如血红蛋白； 4、贮存营养物质成分，如酪蛋白； 5、执行机体运动功能，如肌动蛋白； 6、抵御异体物质的侵害，如抗体；

7、在氧化还原反应中传递电子和质子，如细胞色素。 二、 蛋白质的化学组成与分类

1、 元素组成：碳 50% 氧23% 氮16% 氢7% 硫 0-3% 微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼 凯氏定氮：蛋白质平均含氮16%，粗蛋白质含量=蛋白氮×6.25 2、 氨基酸组成

从化学结构上看，蛋白质是由21种L-型α氨基酸组成的长链分子。 3、 蛋白质分类 （1）、 按组成：

简单蛋白：完全由氨基酸组成

结合蛋白：除蛋白外还有非蛋白成分（辅基） （2）、 按分子外形的对称程度：

球状蛋白质：分子对称，外形接近球状，溶解度好，能结晶，大多数蛋白质属此类。

纤维状蛋白质：对称性差，分子类似细棒或纤维状。 （3）、 按功能分：酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。 4、 蛋白质在生物体内的分布

含量(干重)： 微生物 50-80%； 人 体 45%；一般细胞 50% 种类： 大肠杆菌 3000种；人体 10万种； 5、 蛋白质分子大小与分子量

蛋白质是由21种基本aa组成的多聚物，aa数目由几个到成百上千个，分子量从几千到几千万。一般情况下，少于50个aa的低分子量aa多聚物称为肽，寡肽或生物活性肽，有时也罕称多肽。多于50个aa的称为蛋白质。但有时也把含有一条肽链的蛋白质不严谨地称为多肽。此时，多肽一词着重于结构意义，而蛋白质原则强调了其功能意义。

蛋白质分子量= aa数目*110 110为氨基酸残基平均分子量 三、组成蛋白质的21（22）种氨基酸的结构和分类

氨基酸的共同结构特征：所有的氨基酸在α碳原子上都含有一个羧基和氨基（脯氨酸为亚氨基），并有一个氢原子和碳原子共价连接。各种氨基酸不同之处在于和α碳原子相连的侧链（R基）结构差异。

（一）氨基酸按其R基的极性分类（PH=7）

１、非极性R基氨基酸：丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸、甲硫氨酸；

２、极性氨基酸

不带电荷的极性R基（中性）氨基酸：甘氨酸、酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺。

带负电荷的R基（酸性）氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸

带正电荷的R基（碱性）氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸 其中：属于芳香族氨基酸的是：色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸

属于亚氨基酸的是：脯氨酸； 含硫氨基酸包括：半胱氨酸、蛋氨酸

无旋光性氨基酸：甘氨酸； 最近发现的氨基酸：硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸

注意：在识记时可以只记第一个字，如碱性氨基酸包括：赖精组；还必须记住该氨基酸的英文三字符缩写，如天冬氨酸 Asp。

（二）按氨基酸结构分类

1、脂肪族氨基酸：酸性氨基酸（2羧基1氨基：Glu、Asp），碱性氨基酸（2氨基1羧基：Arg、Lys），中性氨基酸（氨基羧基各一：很多）

2、芳香族氨基酸：含苯环：Phe、Tyr 3、杂环氨基酸： His（也是碱性氨基酸）、Pro、Trp

（三）按营养价值分类

1、必需氨基酸：人和哺乳动物不可缺少但又不能合成的氨基酸，只能从食物中补充，共有8种：Leu、Lys、Met、Phe、Ile、Trp、Thr、Val

2、半必需氨基酸：人和哺乳动物虽然能够合成，但数量远远达不到机体的需求，尤其是在胚胎发育以及婴幼儿期间，基本上也是由食物中补充，只有2种：Arg、His。有时也不分必需和半必需，统称必需氨基酸，这样就共有10种。记法：Tip MTV Hall

3、非必需氨基酸：人和哺乳动物能够合成，能满足机体需求的氨基酸，其余11种 从营养价值上看，必需氨基酸>半必需氨基酸>非必需氨基酸

四、除了蛋白质氨基酸以外，还有非编码氨基酸（没有密码子）和非蛋白质氨基酸（不参与蛋白质的组成）。 五、氨基酸的理化性质 １、两性解离及等电点

氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基，能与酸或碱类物质结合成盐，故它是一种两性电解质。在某一ＰＨ的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的ＰＨ称为该氨基酸的等电点。 ２、氨基酸的紫外吸收性质

芳香族氨基酸在280nm波长附近有最大的紫外吸收峰，由于大多数蛋白质含有这些氨基酸残基，氨基酸残基数与蛋白质含量成正比，故通过对280nm波长的紫外吸光度的测量可对蛋白质溶液进行定量分析。 ３、茚三酮反应

氨基酸的氨基与茚三酮水合物反应可生成蓝紫色化合物，此化合物最大吸收峰在570nm波长处。80℃，显色慢，产物稳定；100℃，显色快，产物不稳定。由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。 六、肽

两分子氨基酸可借助一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去１分子水缩合成最简单的二肽。二

肽中游离的氨基和羧基继续借脱水作用缩合连成多肽。

肽的种类（依据氨基酸残基数目划分，联系糖类的分类） 寡肽：2-10，无构象，谷胱甘肽是3肽

多肽：10-50，介于之间，胰高血糖素是29肽

蛋白质：50以上，有特定的构象，胰岛素是51肽

多肽链中的自由氨基末端称为Ｎ端，自由羧基末端称为Ｃ端，方向从Ｎ端指向Ｃ端。 人体内存在许多具有生物活性的肽，重要的有： 谷胱甘肽（GSH，氧化态为GSSG）：是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。GSH的巯基具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免于被氧化，使蛋白质或酶处于活性状态。 七、蛋白质的分子结构

１、维持蛋白质构象的作用力

（1）氢键：连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间形成的化学键。 （2）范德华力（分子间及基团间作用力）：原子之间的相互作用力。

（3）疏水相互作用：蛋白质中的疏水残基避开水分子而聚集在分子内部的趋向力。 （4）离子键（盐键）：是正电荷和负电荷之间的一种静电作用。 （5）共价健，主要的是二硫键。 （6）、静电相互作用

2、蛋白质的一级结构：即蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。 主要化学键：肽键，有些蛋白质还包含二硫键。

3、蛋白质的高级结构：包括二级、三级、四级结构。

１）蛋白质的二级结构：指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构以一级结构为基础。可分为：

α-螺旋：多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象。常为右手螺旋，每隔3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距为0.540nm。α-螺旋的每个肽键的Ｎ-Ｈ和第四个肽键的羧基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。

β-折叠：由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象。 β-转角：多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构。 无规卷曲：多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。

主要化学键：氢键。 2）超二级结构和结构域

超二级结构：由若干个相邻的二级结构单元（α-螺旋、β-折叠、β-转角及无规卷曲）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体。

结构域(domain)，又称motif(模块)：在二级结构及超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成几个相对、近似球形的三维实体。

3）蛋白质的三级结构：指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。 主要化学键：疏水键（最主要）、盐键、二硫键、氢键、范德华力。

4）蛋白质的四级结构：对蛋白质分子的二、三级结构而言，只涉及一条多肽链卷曲而成的蛋白质。在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条肽链，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接。这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，为四级结构。由一条肽链形成的蛋白质没有四级结构。 主要化学键：疏水键、氢键、离子键 八、蛋白质结构与功能关系

１、蛋白质一级结构是空间构象和特定生物学功能的基础。一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。

1）同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化

同源蛋白质：在不同的生物体内具有同一功能的蛋白质。通过比较同源蛋白质的氨基酸

序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化，亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。如细胞色素C在生物进化领域里的应用。

2）蛋白质一级结构的个体差异——分子病

分子病：基因突变引起某个功能蛋白的某个（些）氨基酸残基发生了遗传性替代从而导 致整个分子的三维结构发生改变，致使其功能部分或全部丧失。

Linus Pauling首先发现镰刀形红细胞贫血现是由于血红蛋白发生了遗传突变引起的，成人的血红蛋白 是由两条相同的a链和两条相同的β链组成a2β2，镰刀形红细胞中，血红蛋白β链第6位的aa残基由正 常的Glu变成了疏水性的Val。因此，当血红蛋白没有携带O2时就由正常的球形变成了刚性的棍棒形， 病人的红细胞变成镰刀形，容易发生溶血作用(血细胞溶解)导致病血，棍棒形的血红蛋白对O2的结合力比 正常的低。

3）一级结构的部分切除与蛋白质的激活

一些蛋白质、酶、多肽激素在刚合成时是以无活性的前体形式（酶原）存在，只有切除

部分多肽后才呈现生物活性，如血液凝固系统的血纤维蛋白原和凝血酶原，消化系统的蛋白 酶原、激素前体等。

尿素或盐酸胍可破坏次级键； β-巯基乙醇可破坏二硫键 ２、蛋白质空间结构是蛋白质特有性质和功能的结构基础。

肌红蛋白：只有三级结构的单链蛋白质，易与氧气结合，氧解离曲线呈直角双曲线。

血红蛋白：具有４个亚基组成的四级结构，可结合４分子氧。成人由两条α-肽链（141个氨基酸残基）和两条β-肽链（146个氨基酸残基）组成。在氧分压较低时，与氧气结合较难，氧解离曲线呈Ｓ状曲线。因为：第一个亚基与氧气结合以后，促进第二及第三个亚基与氧气的结合，当前三个亚基与氧气结合后，又大大促进第四个亚基与氧气结合，称正协同效应。结合氧后由紧张态变为松弛态。 九、蛋白质的理化性质

１、蛋白质的两性电离：蛋白质两端的氨基和羧基及侧链中的某些基团，在一定的溶液ＰＨ条件下可解离成带负电荷或正电荷的基团。

２、蛋白质的胶体性质与沉淀：维持蛋白质胶体稳定的主要因素电荷和水化膜。 常见的蛋白质沉淀方法：

a.有机溶剂沉淀，破坏水化膜。常用丙酮、乙醇等。

b.盐析，将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，破坏在水溶液中的稳定因素电荷而沉淀。 ３、蛋白质变性：在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失。主要为二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构的改变。变性后，其溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，生物活性丧失，易被蛋白酶水解。常见的导致变性的因素有：加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂、超声波、紫外线、震荡等。

４、蛋白质的紫外吸收：由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm处有特征性吸收峰，可用蛋白质定量测定。 ５、蛋白质的呈色反应

a.茚三酮反应：经水解后产生的氨基酸可发生此反应。

b. 双缩脲反应：蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸酮共热，呈现紫色或红色。氨基酸不出现此反应。蛋白质水解加强，氨基酸浓度升高，双缩脲呈色深度下降，可检测蛋白质水解程度。

6、水解反应：肽可以被酸、碱、酶所水解，其优劣性如下： <1>酸水解：浓酸（6N以上，N＝M/价），高温（110℃以上），长时（24-36小时），污染，Trp遭到破坏，不消旋，水解彻底；

<2>碱水解：浓碱（6N以上），高温（100℃以上），6小时，污染，含-OH和-SH的氨基酸均遭到破坏，Ser、Thr、Tyr、Cys，消旋，水解彻底；

<3>酶水解：胰酶等，常温常压，常PH，不消旋、不破坏、不彻底。 十、蛋白质的分离和纯化 １、沉淀；

２、电泳：蛋白质在高于或低于其等电点的溶液中是带电的，在电场中能向电场的正极或负极移动。根据支撑物不同，有薄膜电泳、凝胶电泳等。

３、透析：利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。 ４、层析；

a.离子交换层析，利用蛋白质的两性游离性质，在某一特定ＰＨ时，各蛋白质的电荷量及性质不同，故可以通过离子交换层析得以分离。如阴离子交换层析，含负电量小的蛋白质首先被洗脱下来。

b.分子筛，又称凝胶过滤。小分子蛋白质进入孔内，滞留时间长，大分子蛋白质不能时入孔内而径直流出。

５、超速离心：既可以用来分离纯化蛋白质也可以用作测定蛋白质的分子量。不同蛋白质其密度与形态各不相同而分开。 十一、、多肽链中氨基酸序列分析

a.分析纯化蛋白质的氨基酸残基组成

（蛋白质水解为个别氨基酸，测各氨基酸的量及在蛋白质中的百分组成） ↓

测定肽链头、尾的氨基酸残基 二硝基氟苯法（DNP法）

头端 尾端 羧肽酶Ａ、Ｂ、Ｃ法等 丹酰氯法 ↓

水解肽链，分别分析

胰凝乳蛋白酶（糜蛋白酶）法：水解芳香族氨基酸的羧基侧肽键 胰蛋白酶法：水解赖氨酸、精氨酸的羧基侧肽键 溴化脯法：水解蛋氨酸羧基侧的肽键 ↓

Edman降解法测定各肽段的氨基酸顺序

（氨基末端氨基酸的游离α-氨基与异硫氰酸苯酯反应形成衍生物，用层析法鉴定氨基酸种类） b.通过核酸推演氨基酸序列。

第三章 核酸的结构与功能

一、核酸的生物学功能：核酸是遗传物质；参与遗传信息的表达；少量RNA还有催化功能。

二、核酸的化学组成：核酸是一种线形多聚核苷酸，基本组成结构单位是核苷酸，而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。 两类核酸：脱氧核糖核酸（DNA），存在于细胞核和线粒体内。

核糖核酸（RNA），存在于细胞质和细胞核内。

磷酸 核糖 核酸→核苷酸→{ 戊糖 → { 核苷 →{ 脱氧核糖 嘌呤碱 含氮碱————————→{ 嘧啶碱 核酸的降解产物： １、碱基：

嘧啶环 尿嘧啶（仅RNA） 胞嘧啶 胸腺嘧啶（仅DNA）

嘌呤环 腺嘌呤 鸟嘌呤

嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260nm左右的紫外光有较强吸收，这一重要的理化性质被用于对核酸、核苷酸、核苷及碱基进行定性定量分析。

２、戊糖：DNA分子中核苷酸的戊糖是β-D-2-脱氧核糖，RNA中为β-D-核糖。 ３、磷酸：生物体内多数核苷酸的磷酸基团位于戊糖的第五位碳原子上。

4、核苷：戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的糖苷。在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1上的 β-羟基与嘧啶碱N1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为N-C糖苷键。

5、核苷酸：核苷酸是由核苷中的戊糖羟基与磷酸脱水缩合后生成的酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。

由于核苷酸的核糖有3个自由羟基，脱氧核苷的戊糖上有2个，它们与磷酸基缩合会生成2′-、3′-和5′-核苷酸或是3′-和5′-脱氧核苷酸。最常见的为5′-核苷酸（5′ 常被省略）。5′-核苷酸又可按其在5′位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

生物体中还有两种常见的3′,5′-环核苷酸：cAMP、cGMP，有放大或缩小激素信号的作用，称之为“第二信使”。

辅酶类核苷酸，一些核苷酸或其衍生物还是重要的辅酶或辅基的组成成分，如NAD（辅酶）、NADP（辅酶）、CoASH（辅酶A）、FMN（黄素单核苷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）。 三、核酸的一级结构

核酸的一级结构：核酸中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸之间通过3′，5′-磷酸二酯键连接。

四、DNA的高级空间结构与功能 １、DNA的二级结构

DNA双螺旋结构是核酸的二级结构。双螺旋的骨架由戊糖和磷酸基构成，两股链之间的碱基互补配对，是遗传信息传递者，DNA半保留复制的基础，结构要点（B型双螺旋）：

a.两条反向平行的多核苷酸链围绕一个“中心轴”形成右手双螺旋结构，螺旋表面有一条大沟和小沟；

b.磷酸和脱氧核糖在外侧，通过3′，5 ′ －磷酸二酯键相连形成DNA的骨架，与中心轴平行。碱基位于内侧，与中心轴垂直；

c. 两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个氢键，G与C为三个氢键）；

d. 螺旋的稳定因素为碱基堆集力和氢键；

e. 螺旋的直径为2nm，螺距为3.4nm，相邻碱基对的距离为0.34nm，相邻两个核苷酸的夹角为36度。 ２、DNA的三级结构

三级结构是在双螺旋基础上进一步扭曲形成超螺旋，使体积压缩。在真核生物细胞核内，DNA三级结构与一组组蛋白共同组成核小体。在核小体的基础上，DNA链经反复折叠形成染色体。 ３、功能

DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。

DNA中的核糖和磷酸构成的分子骨架是没有差别的，不同区段的DNA分子只是碱基的排列顺序不同。

五、RNA的空间结构与功能

DNA是遗传信息的载体，而遗传作用是由蛋白质功能来体现的，在两者之间RNA起着中介作用。其种类繁多，分子较小，一般以单链存在，可有局部二级结构，各类RNA在遗传信息表达为氨基酸序列过程中发挥不同作用。如：

名 称 功 能 核糖体RNA (rRNA) 核蛋白体组成成分 信使RNA (mRNA) 蛋白质合成模板 转运RNA (tRNA) 转运氨基酸

不均一核RNA (hnRNA) 成熟mRNA的前体

小核RNA (snRNA) 参与hnRNA的剪接、转运 小核仁RNA (snoRNA) rRNA的加工和修饰 １、信使RNA（半衰期最短）

１）hnRNA为mRNA的初级产物，经过剪接切除内含子，拼接外显子，成为成熟的mRNA并移位到细胞质

２）大多数的真核mRNA在转录后５′末端加上一个７-甲基鸟嘌呤及三磷酸鸟苷帽子，帽子结构在mRNA作为模板翻译成蛋白质的过程中具有促进核蛋白体与mRNA的结合，加速翻译起始速度的作用，同时可以增强mRNA的稳定性。３′末端多了一个多聚腺苷酸尾巴，可能与mRNA从核内向胞质的转位及mRNA的稳定性有关。

３）功能是把核内DNA的碱基顺序，按照碱基互补的原则，抄录并转送至胞质，以决定蛋白质合成的氨基酸排列顺序。mRNA分子上每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸，为三联体密码。 ２、转运RNA（分子量最小）

１）tRNA分子中含有10％～20％稀有碱基，包括双氢尿嘧啶，假尿嘧啶和甲基化的嘌呤等。

２）二级结构为三叶草形，位于左右两侧的环状结构分别称为DHU环和TψC环，位于下方的环叫作反密码环。反密码环中间的3个碱基为反密码子，与mRNA上相应的三联体密码子形成碱基互补。所有tRNA3′末端均有相同的CCA-OH结构。 ３）三级结构为倒L型。

４）功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的戴本并将其转呈给mRNA。 ３、核糖体RNA（含量最多）

１）原核生物小亚基的rRNA为16S，大亚基为5S、23S；真核生物小亚基的rRNA为18S，大亚基为5S、5.8S、28S。真核生物的18SrRNA的二级结构呈花状。

２）rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，它是蛋白质合成机器－－核蛋白体的组成成分，参与蛋白质的合成。

４、核酶：某些RNA 分子本身具有自我催化能，可以完成rRNA的剪接。这种具有催化作用的RNA称为核酶。

六、核酸的理化性质 １、DNA的变性

在某些理化因素作用下，如加热，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，变成单链，即为变性。监测是否发生变性的一个最常用的指标是DNA在紫外区260nm波长处的吸光值变化。解链过程中，吸光值增加，并与解链程度有一定的比例关系，称为DNA的增色效应。紫外光吸收值达到最大值的50％时的温度称为DNA的解链温度（Tm），一种DNA分子的Tm值大小与其所含碱基中的

G＋C比例相关，G＋C比例越高，Tm值越高。

DNA双螺旋在4＜pH＜11时最稳定。pH＜4则发生酸变性，pH＞11则发生碱变性，变性的原因都是pH不适宜而碱基之间的氢键发生断裂。 ２、DNA的复性和杂交

变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性，其过程为退火，产生减色效应。不同来源的核酸变性后，合并一起复性，只要这些核苷酸序列可以形成碱基互补配对，就会形成杂化双链，这一过程为杂交。杂交可发生于DNA－DNA之间，RNA－RNA之间以及RNA－DNA之间。

3、与蛋白质相似,核酸分子中既含有酸性基团(磷酸基)也含有碱性基团(氨基),因而核酸也具有两性性质。

由于核酸分子中的磷酸是一个中等强度的酸,而碱基(氨基)是一个弱碱,所以核酸的等电点比较低.如DNA的等电点为4～4.5,RNA的等电点为2～2.5。RNA的等电点比DNA低的原因,是RNA分子中核糖基2′-OH通过氢键促进了磷酸基上质子的解离.DNA没有这种作用。

七、核酸酶（注意与核酶区别）

指所有可以水解核酸的酶，在细胞内催化核酸的降解。可分为DNA酶和RNA酶；外切酶和内切酶；其中一部分具有严格的序列依赖性，称为性内切酶。

第四章 酶

一、 酶的概念：由活细胞产生的,以蛋白质为主要成分的生物催化剂。

酶与一般催化剂相比的异同：

相同特点：1、只催化热力学上允许的化学反应（△G<0）；2、降低活化能，但不改变化学反应的平衡点；3、加快化学反应速度，但催化剂本身反应前后不发生改变。

特殊之处：1.催化具有高效性；2.高度的专一性(只能催化一种底物或一 定结构的底物)；3.易失活；4.催化活性受到调节和控制；5.催化活性与辅助因子有关(全酶=酶蛋白＋辅助因子)。

二、酶的组成

1、 按组成成分来分：

1）单纯酶：仅由氨基酸残基构成的酶。

2）结合酶：除了蛋白质组分外，还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质。结合酶的全酶=酶蛋白＋辅助因子

a.酶蛋白：决定反应的特异性；

b.、辅助因子：决定反应的种类与性质；可以为金属离子或小分子有机化合物。辅助因子可分为辅酶：与酶蛋白结合疏松，可以用透析或超滤方法除去； 辅基：与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤方法除去。

酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶，只有全酶才有催化作用。 2、按酶蛋白的亚基组成及结构特点分类 1） 单体酶

由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子

牛胰RNase 124a.a 单链；胰凝乳蛋白酶 三条肽链 单体酶种类较少，一般多催化水解反应。 2） 寡聚酶

由两个或两个以上亚基组成的酶，亚基可以相同或不同，一般是偶数，亚基间以非共价键结合。 寡聚酶中亚基的聚合，有的与酶的专一性有关，有的与酶活性中心形成有关，有的与酶的调节性能有关。大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶。

3） 多酶复合体

由两个或两个以上的酶，靠非共价键结合而成，其中每一个酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分。如脂肪酸合成酶复合体。

例如：大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成

①丙酮酸脱氢酶（E1） 以二聚体存在2×9600 ②二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） 70000

③二氢硫辛酸脱氢酶（E3） 以二聚体存在2×56000

复合体：12个E1二聚体 24×96000； 24个E2单体 24×70000； 6个E3二聚体 12×56000 。 总分子量560万

4） 多酶融合体

一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，这往往是基因融合的产物。 例如：天冬氨酸激酶I---高丝氨酸脱氢酶I融合体（双头酶）

该酶是四聚体α4，每条肽链含两个活性区域：N-端区域是Asp激酶，C端区域是高Ser脱氢酶

三、酶的分类和命名 1、 习惯命名： 1）（绝大多数酶）依据底物来命名。

如：催化蛋白质水解的酶称蛋白酶。催化淀粉水解的酶称淀粉酶。 2）依据催化反应的性质命名。如：水解酶、转氨酶 3）结合上述两个原则命名，琥珀酸脱氢酶。

4）有时加上酶的来源。如：胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶 习惯命名较简单，但缺乏系统性。 2、 国际系统命名

系统名称应明确标明酶的底物及催化反应的性质。 如：谷丙转氨酶（习惯名），系统名： 丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶

反应：丙氨酸+α--酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸 3、 国际系统分类法及编号（EC编号）

原则：将所有酶促反应按性质分为六类，分别用1、2、3、4、5、6表示。

再根据底物中被作用的基团或键的特点，将每一大类分为若干个亚类，编号用1、2、3„„，每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号1、2、3„„表示。 每一个酶的编号由4个数字组成，中间以“·”隔开。第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类，第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚中的编号。 1、 氧化还原酶类

催化氧化还原反应： A·2H+B A+B·2H 乳酸：NAD+氧化还原酶（EC1.1.1.27）， 习惯名：乳酸脱氢酶 2、 转移酶类：AR+C=A+BR

Ala：酮戊二酸氨基移换酶（EC2.6.1.2）， 习惯名： 谷丙转氨酶 3、 水解酶类：AB+H2O AOH+BH 催化水解反应，包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。 4、 裂合酶类（裂解酶）：X-A---B-Y A=B+X-Y 催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应 二磷酸酮糖裂合酶（EC4.1.2.7）， 习惯名：醛缩酶

5、 异构酶：A B 催化同分异构体相互转化，如葡萄糖异构酶 6、 合成酶（连接酶）：A+B+ATP AB+ADP+Pi 催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。

EC编号举例：乙醇脱氢酶的分类编号是 EC1.1.1.1 ，乳酸脱氢酶EC1.1.1.27 ， 苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37 第一个数字表示反应大类： 氧化还原反应 第二个数字表示反应基团：醇基

第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+

第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。

前面三个编号表明这个酶的特性：反应性质、底物性质（键的类型）及电子或基团的受体，第四个编号用于区分不同的底物。

四、酶的活性中心

酶的活性中心：酶分子中直接和底物结合，并与酶催化作用直接相关的部位。活性中心包括结合部位和催化部位。前者由参与底物结合的基团构成；后者由催化反应的基团组成。

五、酶反应动力学

酶促反应的速度取决于底物浓度、酶浓度、PH、温度、激活剂和抑制剂等。 １、底物浓度

１）在底物浓度较低时，反应速度随底物浓度的增加而上升，加大底物浓度，反应速度趋缓，底物浓度进一步增高，反应速度不再随底物浓度增大而加快，达最大反应速度，此时酶的活性中心被底物饱合。 ２）米氏方程式

V＝Vmax［S］／Km＋［S］

a.米氏常数Km值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。 b.Km值愈小，酶与底物的亲和力愈大。

c.Km值是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、酶所催化的底物和反应环境如温度、PH、离子强度有关，与酶的浓度无关。

d.Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。 ２、酶浓度

在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶浓度，使酶被底物饱和时，反应速度与酶的浓度成正比关系。

３、温度

温度对酶促反应速度具有双重影响。升高温度一方面可加快酶促反应速度，同时也增加酶的变性。酶促反应最快时的环境温度称为酶促反应的最适温度。酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不使酶破坏。酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。 ４、PH

酶活性受其反应环境的PH影响，且不同的酶对PH有不同要求，酶活性最大的某一PH值为酶的最适PH值，如胃蛋白酶的最适PH约为1.8，肝精氨酸酶最适PH为9.8，但多数酶的最适PH接近中性。 最适PH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液的种类与浓度、以及酶的纯度等因素影响。 ５、激活剂

使酶由无活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂，大多为金属离子，也有许多有机化合物激活剂。分为必需激活剂和非必需激活剂。 ６、抑制剂

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。大多与酶的活性中心内、外必需基团相结合，从而抑制酶的催化活性。可分为：

１）不可逆性抑制剂：以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合，使酶失活。此种抑制剂不能用透析、超滤等方法去除。又可分为：

a.专一性抑制剂：如农药敌百虫、敌敌畏等有机磷化合物能特民地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使酶失活，解磷定可解除有机磷化合物对羟基酶的抑制作用。

b.非专一性抑制剂：如低浓度的重金属离子如汞离子、银离子可与酶分子的巯基结合，使酶失活，二巯基丙醇可解毒。化学毒气路易士气是一种含砷的化合物，能抑制体内的巯基酶而使人畜中毒。

２）可逆性抑制剂：通常以非共价键与酶和（或）酶－底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失。采用透析或超滤的方法可将抑制剂除去，使酶恢复活性。可分为：

a.竞争性抑制剂：与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶与底物结合形成中间产物。如丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用；磺胺类药物由于化学结构与对氨基苯甲酸相似，是二氢叶酸合成酶的竞争抑制剂，抑制二氢叶酸的合成；许多抗代谢的抗癌药物，如氨甲蝶呤（MTX）、5-氟尿嘧啶（５-FU）、6-巯基嘌呤（6-MP）等，几乎都是酶的竞争性抑制剂，分别抑制四氢叶酸、脱氧胸苷酸及嘌呤核苷酸的合成。动力学参数：Vmax不变，Km值增大

b.非竞争性抑制剂：与酶活性中心外的必需基团结合，不影响酶与底物的结合，酶和底物的结合也不影响与抑制剂的结合。动力学参数：Vmax降低，Km值不变。 c.反竞争性抑制剂：仅与酶和底物形成的中间产物结合，使中间产物的量下降。动力学参数：Vmax、 Km均降低。

六、酶活性的调节

１、酶原的激活

有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，必须在一定条件下，这些酶的前体水解一个或几个特定的肽键，致使构象发生改变，表现出酶的活性。酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。生理意义是避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。 ２、变构酶

体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心外的某一部位可逆地结合，使酶发生变构并改变其催化活性，有变构激活与变构抑制。 ３、酶的共价修饰调节

酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，这一过程称为酶的共价修饰。在共价修饰过程中，酶发生无活性与有活性两种形式的互变。酶的共价修饰包括磷酸化与脱磷酸化、乙酰化与脱乙酰化、甲基化与脱甲基化、腺苷化与脱腺苷化等，其中以磷酸化修饰最为常见。

七、同工酶

同工酶是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。同工酶是由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA翻译的不同多肽链组成的蛋白质。翻译后经修饰生成的多分子形式不在同工酶之列。同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中。

如乳酸脱氢酶是四聚体酶。亚基有两型：骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）。两型亚基以不同比例组成五种同工酶，如LDH1（HHHH)、LDH2(HHHM）等。它们具有不同的电泳速度，对同一底物表现不同的Km值。单个亚基无酶的催化活性。心肌、肾以LDH1为主，肝、骨骼肌以LDH5为主。 肌酸激酶是二聚体，亚基有M型（肌型）和B型（脑型）两种。脑中含CK1（BB型）；骨骼肌中含CK3（MM型）；CK2（MB型）仅见于心肌。

七、维生素

维生素：维持肌体正常生命活动不可缺少的一类小分子有机化合物。 1、脂溶性维生素

１）维生素A。作用：与眼视觉有关，合成视紫红质的原料；维持上皮组织结构完整；促进生长发育。

缺乏可引起夜盲症、干眼病等。

２）维生素D。作用：调节钙磷代谢，促进钙磷吸收。缺乏儿童引起佝偻病，成人引起软骨病。 ３）维生素E。作用：体内最重要的抗氧化剂，保护生物膜的结构与功能；促进血红素代谢；动物实验发现与性器官的成熟与胚胎发育有关。

４）维生素K。作用：与肝脏合成凝血因子Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ有关。缺乏时可引起凝血时间延长，血块回缩不良。

2、水溶性维生素

１）维生素B1 。又名硫胺素，体内的活性型为焦磷酸硫胺素（TPP）， TPP是α-酮酸氧化脱羧酶和转酮醇酶的辅酶，并可抑制胆碱酯酶的活性，缺乏时可引起脚气病和（或）末梢神经炎。 ２）维生素B2。又名核黄素，体内的活性型为黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。FMN和FAD是体内氧化还原酶的辅基，缺乏时可引起口角炎、唇炎、阴囊炎、眼睑炎等症。

３）维生素PP。包括尼克酸及尼克酰胺，肝内能将色氨酸转变成维生素PP，体内的活性型包括尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP＋）。 多种不需氧脱氢酶的辅酶，缺乏时称为癞皮症，主要表现为皮炎、腹泻及痴呆。

４）维生素B6。包括吡哆醇、吡哆醛及吡哆胺，体内活性型为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是氨基酸代谢中的转氨酶及脱羧酶的辅酶，也是δ-氨基γ-酮戊酸（ALA）合成酶的辅酶。 ５）泛酸。又称遍多酸，在体内的活性型为辅酶A及酰基载体蛋白（ACP）。 在体内辅酶A及酰基载体蛋白（ACP）构成酰基转移酶的辅酶。

６）生物素。生物素是体内多种羧化酶的辅酶，如丙酮酸羧化酶，参与二氧化碳的羧化过程。

７）叶酸。以四氢叶酸的形式参与一碳基团的转移，一碳单位在体内参加多种物质的合成，如嘌呤、胸腺嘧啶核苷酸等。叶酸缺乏时，DNA合成受抑制，骨髓幼红细胞DNA合成减少，造成巨幼红细胞贫血。 ８）维生素B12。又名钴胺素，唯一含金属元素的维生素。参与同型半工半胱氨酸甲基化生成蛋氨酸的反应，催化这一反应的蛋氨酸合成酶（又称甲基转移酶）的辅基是维生素B12，它参与甲基的转移。一方面不利于蛋氨酸的生成，同时也影响四氢叶酸的再生，最终影响嘌呤、嘧啶的合成，而导致核酸合成障碍，产生巨幼红细胞性贫血。

９）维生素C。促进胶原蛋白的合成；是催化胆固醇转变成7-α羟胆固醇反应的7-α羟化酶的辅酶；参与芳香族氨基酸的代谢；增加铁的吸收；参与体内氧化还原反应，保护巯基等作用。缺乏出现坏血病。

第五章 糖 代 谢

新陈代谢（物质代谢）是指生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。包括同化作用和异化作用。特点：1、温和条件下由酶催化完成；2、反应协调而有顺序性；3、反应分步进行并伴有能量变化，有中间产物。

糖代谢是生物体广泛存在的最基本代谢 。糖代谢为生物提供重要的碳源和能源。生物所需的能量，主要由糖代谢提供。糖代谢包括糖的分解代谢和合成代谢，分解代谢包括糖的有氧氧化分解（糖酵解、丙酮酸氧化脱羧、三羧酸循环）和磷酸戊糖途径；合成代谢包括糖异生和光合作用。

注：代谢章节的特点是易懂难记，但对于任何一种代谢过程无非学习以下几个方面知识：1、每步中间反应的反应物和产物是什么；2、催化的酶是什么；3、物质和能量变化情况；4、代谢如何进行调节；（5、生物学意义）。

一、糖酵解

糖酵解（EMP途径）：葡萄糖经过一系列中间反应后生成丙酮酸的过程。糖酵解在细胞质中进行。 １、过程： 1）、 葡萄糖磷酸化形成G-6-P；此反应不可逆，催化此反应的激酶有，已糖激酶和葡萄糖激酶。 激酶：催化ATP分子的磷酸基（r-磷酰基）转移到底物上的酶称激酶，一般需要Mg2+或Mn2+作为辅因子，底物诱导的裂缝关闭现象似乎是激酶的共同特征。

2）、 G-6-P异构化为F-6-P；此反应可逆，反应方向由底物与产物的含量水平控制。由磷酸葡萄糖异构酶催化，将葡萄糖的羰基C由C1移至C2 ，为C1位磷酸化作准备，同时保证C2上有羰基存在，这对分子的β断裂，形成三碳物是必需的。

3）、 F-6-P磷酸化，生成F-1.6-P；此反应在体内不可逆，调节位点，由磷酸果糖激酶催化。磷酸果糖激酶既是酵解途径的限速酶，又是酵解途径的第二个调节酶

4）、 F-1.6-P裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP）；该反应可逆，由醛缩酶催化。同时在生理环境中，3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，驱动反应向右进行。

5）、 磷酸二羟丙酮（DHAP）异构化成3-磷酸甘油醛；由磷酸丙糖异构酶催化。已糖转化成3-磷酸甘油醛后，C原子编号变化：F-1.6-P的C1-P、C6-P都变成了3-磷酸甘油醛的C3-P

6）、 3-磷酸甘油醛氧化成1.3—二磷酸甘油酸；由磷酸甘油醛脱氢酶催化。此反应可逆，既是氧化反应，又是磷酸化反应，氧化反应的能量驱动磷酸化反应的进行。碘乙酸可与酶的-SH结合，抑制此酶活性，砷酸能与磷酸底物竞争，使氧化作用与磷酸化作用解偶连（生成3-磷酸甘油酸）。

7）、 1．3—二磷酸甘油酸转化成3—磷酸甘油酸和ATP；此反应可逆，由磷酸甘油酸激酶催化。这

是酵解过程中的第一次底物水平磷酸化反应，也是酵解过程中第一次产生ATP的反应。一分子Glc产生二分子三碳糖，生2ATP。这样可抵消Glc在两次磷酸化时消耗的2ATP。

8）、 3—磷酸甘油酸转化成2—磷酸甘油酸；此反应可逆，磷酸甘油酸变位酶催化，磷酰基从C3移至C2。

9）、 2—磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸；此反应可逆，烯醇化酶催化。2—磷酸甘油酸中磷脂键是一个低能键（△G= -17.6Kj /mol）而磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键（△G= -62.1Kj /mol），因此，这一步反应显著提高了磷酰基的转移势能。

10）、 磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸；此反应不可逆，调节位点。由丙酮酸激酶催化，丙酮酸激酶是酵解途径的第三个调节酶，这是酵解途径中的第二次底物水平磷酸化反应，磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP，生成ATP和丙酮酸

EMP总反应式：

1葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+ → 2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O 2、 糖酵解的能量变化

无氧情况下：净产生2ATP（2分子NADH将2分子丙酮酸还原成乳酸）。 有氧条件下：NADH可通过呼吸链间接地被氧化，生成更多的ATP。 1分子NADH→3ATP（或2.5ATP） 1分子FADH2 →2ATP（或1.5 ATP）

因此，净产生8ATP（酵解2ATP，2分子NADH进入呼吸氧化，共生成6ATP）。 但在肌肉系统组织和神经系统组织：一个Glc酵解，净产生6ATP（２+２*２）。 ★甘油磷酸穿梭：

2分子NADH进入线粒体，经甘油磷酸穿梭系统，胞质中磷酸二羟丙酮被还原成3—磷酸甘油，进入线粒体重新氧化成磷酸二羟丙酮，但在线粒体中的3—磷酸甘油脱氢酶的辅基是FAD，因此只产生4分子ATP。

①：胞液中磷酸甘油脱氢酶。

②：线粒体磷酸甘油脱氢酶。 ★苹果酸穿梭机制：

胞液中的NADH可经苹果酸脱氢酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸—2—酮戊二酸载休转运，进入线粒体内，由线粒体内的苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸。

而草酰乙酸经天冬氨酸转氨酶作用，消耗Glu而形成Asp。Asp经线粒体上的载体转运回胞液。在胞液中，Asp经胞液中的Asp转氨酶作用，再产生草酰乙酸。

经苹果酸穿梭，胞液中NADH进入呼吸链氧化，产生3个ATP。

糖酵解过程中包含两个底物水平磷酸化：一为1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸；二为磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸。 ２、调节

１）６－磷酸果糖激酶-1 变构抑制剂：ATP、柠檬酸

变构激活剂：AMP、ADP、1，6-双磷酸果糖（产物反馈激，比较少见）和2，6-双磷酸果糖（最强的激活剂）。

２）丙酮酸激酶

变构抑制剂：ATP 、肝内的丙氨酸 变构激活剂：1，6-双磷酸果糖 ３）葡萄糖激酶

变构抑制剂：长链脂酰辅酶A

注：此项无需死记硬背，理解基础上记忆是很容易的，如知道糖酵解是产生能量的，那么有ATP等能量形式存在，则可抑制该反应，以利节能，上述的柠檬酸经三羧酸循环也是可以产生能量的，因此也起抑制作用；产物一般来说是反馈抑制的；但也有特殊，如上述的1，6-双磷酸果糖。特殊的需要记忆，只属少数。以下类同。关于共价修饰的调节，只需记住几个特殊的即可，下面章节提及。

3、丙酮酸的去路 1） 进入三羧酸循环 2） 乳酸的生成

在厌氧酵解时（乳酸菌、剧烈运动的肌肉），丙酮酸接受了3—磷酸甘油醛脱氢酶生成的NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下，生成乳酸。

总反应： Glc + 2ADP + 2Pi → 2乳酸 + 2ATP + 2H2O 3） 乙醇的生成

酵母或其它微生物中，经糖酵解产生的丙酮酸，可以经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，在醇脱氢酶催化下，乙醛被NADH还原成乙醇。

总反应：Glc+2pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H20

在厌氧条件下能产生乙醇的微生物，如果有氧存在时，则会通过乙醛的氧化生成乙酸，制醋。

4） 丙酮酸进行糖异生

4、 其它单糖进入糖酵解途径：除葡萄糖外，其它单糖也可进行酵解，通过形成糖酵解的某一中间产物。各种单糖进入糖酵解的途径，如糖原降解产物G—1—P异构成G—6—P。 5、糖酵解的生理意义

１）葡萄糖分解代谢的共同途径；

２）对于厌氧生物、缺氧或某些病理的组织来说，是糖分解和获得能量的主要方式；

３）糖酵解形成的很多中间产物，可作为合成其他物质的原料，与其他代谢途径联系起来。

6、乳酸循环：葡萄糖在肌肉组织中经糖的无氧酵解产生的乳酸，可经血循环转运至肝脏，再经糖的异生作用生成自由葡萄糖后转运至肌肉组织加以利用，这一循环过程就称为乳酸循环（Cori循环）。Cori循环是一个耗能过程：2分子乳酸生成1分子Glc，消耗6个ATP。

乳酸循环是由于肝内糖异生活跃，又有葡萄糖-6-磷酸酶可水解6-磷酸葡萄糖，释出葡萄糖。肌肉除糖异生活性低外，又没有葡萄糖-6-磷酸酶。

乳酸循环生理意义：避免损失乳酸以及防止因乳酸堆积引起酸中毒。

二、糖有氧氧化

葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。

①糖酵解产生丙酮酸（2丙酮酸、 2ATP、2NADH） ②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 2×（CO2、NADH） ③三羧酸循环 2×（2CO2、ATP、3NADH、FADH2） ④呼吸链氧化磷酸化 （NADH-----ATP）

三羧酸循环：乙酰CoA经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸循环、Krebs循环。

原核生物：①~④阶段在胞质中

真核生物：①在胞质中，②~④在线粒体中

1、丙酮酸脱羧生成乙酰CoA。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行，这是连接糖酵解与TCA的中心环节。

1） 丙酮酸脱氢酶系：丙酮酸脱氢酶系是一个十分庞大的多酶体系，位于线粒体膜上，电镜下可见。 E.coli丙酮酸脱氢酶复合体：

分子量：4.5×106，直径45nm，比核糖体稍大。

酶 辅酶 每个复合物亚基数 丙酮酸脱羧酶（E1） TPP 24 二氢硫辛酸转乙酰酶（E2） 硫辛酸 24 二氢硫辛酸脱氢酶（E3） FAD、NAD+ 12

此外，还需要CoA、Mg2+作为辅因子。这些肽链以非共价键结合在一起，在碱性条件下，复合体可以解离成相应的亚单位，在中性时又可以重组为复合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结合在复合体上，活性中间物可以从一个酶活性位置转到另一个酶活性位置，因此，多酶复合体有利于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。

2） 反应步骤：

（1）丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP

（2）二氢硫辛酸乙酰转移酶（E2）使羟乙基氧化成乙酰基 （3）E2将乙酰基转给CoA，生成乙酰-CoA （4）E3氧化E2上的还原型二氢硫辛酸 （5）E3还原NAD+生成NADH

3） 丙酮酸脱氢酶系的活性调节：从丙酮酸到乙酰CoA是代谢途径的分支点，此反应体系受到严密的调节控制，此酶系受两种机制调节。 （1）可逆磷酸化的共价调节： 丙酮酸脱氢酶激酶（EA）（可被ATP激活） 丙酮酸脱氢酶磷酸酶（EB）

磷酸化的丙酮酸脱氢酶（无活性） 去磷酸化的丙酮酸脱氢酶（有活性）

（2）别构调节：ATP、CoA、NADH是别构抑制剂。ATP抑制E1；CoA抑制E2；NADH抑制E3。 4） 能量变化：1分子丙酮酸生成1分子乙酰CoA，产生1分子NADH（3ATP）。

2、 三羧酸循环（TCA）的过程

TCA循环：每轮循环有2个C原子以乙酰CoA形式进入，有2个C原子完全氧化成CO2放出，分别发生4次氧化脱氢，共释放12ATP。

1） 反应步骤 （1）、 乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸

柠檬酸合酶，TCA中第一个调节酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA、和长链脂肪酰CoA的抑制；受乙酰CoA、草酸乙酸激活。氟乙酰CoA可与草酰乙酸生成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，据此，可以合成杀虫剂、灭鼠药。 （2）、 柠檬酸→异柠檬酸

由顺鸟头酸酶催化 （3）、 异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸和NADH

异柠檬酸脱氢酶，这是三羧酸循环中第一次氧化脱羧反应， TCA中第二个调节酶：Mg2+（Mn2+ ）、NAD+和ADP可活化此酶，NADH和ATP可抑制此酶活性。细胞在高能状态：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高时，酶活性被抑制。线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。 （4）、 α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH

α-酮戊二酸脱氢酶系，TCA循环中的第三个调节酶：受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GTP抑制，α-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系相似（先脱羧，后脱氢） （5）、 琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP 琥珀酰CoA合成酶（琥珀酸硫激酶），这是TCA中唯一的底物水平磷酸化反应，直接生成GTP。在高等植物和细菌中，硫酯键水解释放出的自由能，可直接合成ATP。在哺乳动物中，先合成GTP，然后在核苷二磷酸激酶的作用下，GTP转化成ATP。

（6）、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）和FADH

琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一嵌入线粒体内膜的酶。丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂，可

阻断三羧酸循环。

（7）、 延胡索酸水化生成L-苹果酸

延胡索酸酶具有立体异构特性，OH只加入延胡索酸双键的一侧，因此只形成L-型苹果酸。 （8）、 L-苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADH

L-苹果酸脱氢酶，平衡有利于逆反应，但生理条件下，反应产物草酰乙酸不断合成柠檬酸，其在细

胞中浓度极低，少于10-6mol/L，使反应向右进行。

2） TCA循环小结 （1）、总反应式：

丙酮酸 + 4NAD+ + FAD + GDP → 4NADH + FADH2 + GTP + 3CO2 + H2O 乙酰CoA + 3NAD+ + FAD + GDP → 3NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + H2O

（2）、 一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。 3个NADH、1个FADH2进入呼吸链

（3）、 三羧酸循环中碳骨架的不对称反应

同位素标记表明，乙酰CoA上的两个C原子在第一轮TCA上并没有被氧化。

被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。在第三轮TCA中，两次脱羧，可除去最初甲基碳的50%，以后每循环一次，脱去余下甲基碳的50%

3） 一分子Glc彻底氧化产生的ATP数量(按NADH的P/O=3,FADH2的为2来计算) （在肝脏中）

反应 酶 ATP消耗 产生ATP方式 ATP数量 合计 糖 酵 解 已糖激酶 1 -1 8 磷酸果糖激酶 1 -1

磷酸甘油醛脱氢酶 NADH呼吸链氧化磷酸化 2×3 磷酸甘油酸激酶 底物水平磷酸化 2×1 丙酮酸激酶 底物水平磷酸化 2×1

TCA 丙酮酸脱氢酶复合物 NADH 2×3 30 异柠檬酸脱氢酶 NADH 2×3

α-酮戊二酸脱氢酶复合物 NADH 2×3 琥珀酸脱氢酶 FADH2 2×2 苹果酸脱氢酶 NADH 2×3

琥珀酰CoA合成酶 底物水平磷酸化 2×1

净产生：38ATP

在骨骼肌、脑细胞中，净产生：36ATP 甘油磷酸穿梭，1个NADH生成2个ATP 苹果酸穿梭，1个NADH生成3个ATP

（1）、 磷酸甘油穿梭机制：

磷酸二羟丙酮+NADH+H+→3-磷酸甘油+NAD+ 3-磷酸甘油进入线粒体，将2H交给FAD而生成FADH2，FADH2可传递给辅酶Q，进入呼吸链，产生2ATP

（3-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是FAD）。

（2）、 苹果酸穿梭机制：

胞液中NADH可经苹果酸酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸，再通过苹果酸-α-酮戊二酸载体转运，进入线粒体，由线粒体内苹果酸脱氢酶催化，生成NADH和草酰乙酸，NADH进入呼吸链氧化，生成3ATP。（苹果酸脱氢酶的辅酶是NAD+）

1分子Glc在肝、心中完全氧化，产生38ATP，在骨骼肌、神经系统组织中，产生36ATP。

4） 三羧酸循环的代谢调节 （1）、 柠檬酸合酶（限速酶）：受ATP、NADH、琥珀酰CoA及脂酰CoA抑制。 受乙酰CoA、草酰乙酸激活

（2）、 异柠檬酸脱氢酶：NADH、ATP可抑制此酶，ADP可活化此酶，当缺乏ADP时就失去活性。 （3）、 α-酮戊二酸脱氢酶：受NADH和琥珀酰CoA抑制。

5） TCA的生物学意义

（1） 氧化提供能量。线粒体外的NADH，可通过3-磷酸甘油穿梭和苹果酸穿梭机制，运到线粒体内，经呼吸链再氧化，这两种机制在不同组织的细胞中起作用。

（2） TCA是生物体内其它有机物氧化的主要途径，如脂肪、氨基酸、糖

（3） TCA是物质代谢的枢纽。一方面，TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底氧化分解的共同途径；另一方面，循环中生成的草酰乙酸、α-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料，因而TCA将各种有机物的代谢联系起来。TCA是联系体内三大物质代谢的中心环节，为合成其它物质提供C架。

6） TCA的回补反应

三羧酸循环中间物的的回补：在TCA循环中，有些中间产物是合成其它物质的前体，如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，Glu、Asp可以从α-酮戊二酸和草酰乙酸衍生而成，一旦草酰乙酸浓度下降，则会影响TCA循环，因此这些中间产物必须不断补充，以维持TCA循环。

产生草酰乙酸的途径有三个： （1）、 丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸

丙酮酸羧化酶是一个调节酶，乙酰CoA可以增加其活性。需要生物素为辅酶 （2）、 磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸

在脑、心脏中存在这个反应。 （3）、 Asp、Glu转氨可生成草酰乙酸和α-酮戊二酸

Ile、Val、Thr、Met也会形成琥珀酰CoA，最后生成草酰乙酸

附： 葡萄糖有氧氧化生成的ATP 反 应 辅酶 ATP

第一阶段 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 -1 6-磷酸果糖 1，6双磷酸果糖 -1

2*3-磷酸甘油醛 2*1,3-二磷酸甘油酸 NAD+ 2*3或2*2(详见) 2*1,3-二磷酸甘油酸 2*3-磷酸甘油酸 2*1 2*磷酸烯醇式丙酮酸 2*丙酮酸 2*1

第二阶段 2*丙酮酸 2*乙酰CoA NAD+ 2*3

第三阶段 2*异柠檬酸 2*α-酮戊二酸 NAD+ 2*3 2*α-酮戊二酸 2*琥珀酰CoA NAD+ 2*3 2*琥珀酰CoA 2*琥珀酸 2*1 2*琥珀酸 2*延胡索酸 FAD 2*2 2*苹果酸 2*草酰乙酸 NAD+ 2*3 净生成 38或36个ATP

3、磷酸戊糖途径

也称磷酸己糖支路，发生在胞质中。细胞内Glc的氧化分解，除通过糖酵解，三羧酸循环和发酵外，还能直接氧化分解。即反应开始，在G-6-P上的C2原子上直接氧化，通过一系列转化被分解，此为磷酸戊糖途径。

两个事实：

①用碘乙酸和氟化物抑制糖酵解（磷酸甘油醛脱氢酶）发现Glc的消耗并不因此而受影响，证明葡萄糖还有其它的分解途径

②用14C分别标记Glc的C1和C6，然后分别测定14CO2生成量，发现C1标记的Glc比C6标记的Glc更快、更多地生成14CO2 ，如果糖酵解是唯一的代谢途径，那么14C1和14C2生成14CO2的速度应该相同。

1）、 反应过程

Glc经磷酸戊糖途径氧化分解可分为两个阶段。 第一阶段：6-磷酸葡萄糖氧化脱羧生成5-磷酸核糖

第二阶段：磷酸戊糖分子重排，产生不同碳链长度的磷酸单糖

（1） 6-磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成5-磷酸核酮糖

在此氧化脱羧阶段中，Glc经两次脱氢，一次脱羧，生成5-磷酸核酮糖及NADPH。6-磷酸葡萄糖脱

氢酶是磷酸戊糖途径的酶，NADPH反馈抑制此酶活性。

（2） 磷酸戊糖异构生成5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖

（表异构酶）5-磷酸木酮糖产率：2/3； （异构酶） 5-磷酸核糖产率：1/3

（3） 磷酸戊糖通过转酮、转醛反应生成酵解途径的中间产物（F-6-P，3-磷酸甘油醛）

a. 转酮反应：5-磷酸木酮糖将自身的二碳单位（羟乙酰基）转到5-磷酸核糖的C1上，生成3-磷酸

甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖。

转酮酶需TPP为辅酶，作用机理与丙酮酸脱氢酶中的TPP类似。

b. 转醛反应：转醛酶将7-磷酸庚酮糖上的三碳单位（二羟丙酮基）转到3-磷酸甘油醛的C1上，生

成4-磷酸赤鲜糖和6-磷酸果糖。

（4）转酮反应（转酮酶）

4-磷酸赤鲜糖接受另一分子5-磷酸木酮糖上的二碳单位（羟乙酰基），生成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油

醛

磷酸戊糖分子重排的总结果是：

2个5-磷酸木酮糖 + 1个5-磷酸核糖 → 2个（F-6-P） + 1个3磷酸甘油醛 由于5-磷酸木酮糖可以由5-磷酸核糖经差向酶转化而来，所以上式可写成： 3个5-磷酸核糖 → 2个（F-6-P） + 1个3磷酸甘油醛。

因此，在细胞中若形成过量的磷酸戊糖可以经磷酸戊糖途径转化为6-磷酸果糖及3-磷酸甘油醛，与糖酵解途径相连。

2） 磷酸戊糖途径小结

1、 通过此途径，可将G-6-P彻底氧化

G-6-P + 12NADP+ + 6H2O → 12NADPH + 12H+ + 6CO2 相当于（36-1）个ATP

3） 磷酸戊糖途径的调节

6-磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应。其活性主要受NADP+/NADPH比例的调节。机体内，NAD+/NADH为700，而NADP+/NADPH仅为0.014，这就使NADPH可以进行有效地反馈抑制调节6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。只有NADPH被生物合成消耗后，才能解除抑制。

非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物的浓度。5-磷酸核糖过多时可以转化为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛进行酵解。

4） 磷酸戊糖途径与糖酵解途径的协调调节

G-6-P的流向取决于对NADPH、磷酸戊糖及ATP的需要。

（1）需要核糖-5-P（用于合成嘌呤核苷酸）的量比NADPH的量大得多时，大多数G-6-P转变成5-磷酸核糖。还可由转酮酶、转醛酶催化，将2分子F-6-P和一分子甘油醛-3-P转变成3分子核糖-5-P。 G-6-P + 2NADP+ +H2O → 核糖-5-P + 2NADPH + 2H+ 2 果糖-6-P + 甘油醛-3-P → 3 核糖-5-P （2）对NADPH和5-磷酸核糖的需要量平衡时，代谢就通过氧化阶段由G-6-P氧化脱羧，生成2个NADPH和1个核糖-5-P

反应：G-6-P + 2NADP+ + H2O→核糖-5-P + 2NADP + 2H+ +CO2

（3）需要NADPH的量比5-磷酸核糖的量多得多时，G-6-P就完全氧化成CO2

反应式：6（G-6-P）+ 12NADP+ + 6H2O→6（5-磷酸核糖）+ 12NADPH+ 12H+ + 6CO2 生成的5-磷酸核糖通过非氧化重组及Glc异生作用，再合成G-P-6。 G-6-P + 12NADP+ + 6H2O → 12NADPH + 12H+ + 6CO2 (4)需要 NADPH和 ATP更多时，G-6-P转化成丙酮酸 磷酸戊糖途径→3-磷酸甘油醛+6-磷酸果糖→糖酵解 3(G-6-P)+ 6NADP+ + 5NAD+ +5Pi + 8ADP→

5丙酮酸 + 6NADPH + 5NADH2 + 8ATP + 2H2O + 8H+ +3CO2

5） 磷酸戊糖途径的生理意义

（1） 产生大量的NADPH，为细胞的各种合成反应提供主要的还原力。

NADPH作为主要的供氢体，为脂肪酸、固醇、四氢叶酸等的合成，非光合细胞中盐、亚盐的还原，及氨的同化等所必需。哺乳动物的脂肪细胞和红细胞中占50%，肝中占10﹪。

（2） 中间产物为许多化合物的合成提供原料。产生的磷酸戊糖参加核酸代谢。4-磷酸赤藓糖与糖酵

解中的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）可合成莽草酸，经莽草酸途径可合成芳香族a.a。

（3） 是植物光合作用中CO2合成Glc的部分途径。

注：NADPH主要用于还原反应，其电子通常不经电子传递链传递，一般不用于ATP合成。如NADPH用于供能，需通过两个偶联反应，进行穿梭转运，将氢转移至线粒体NAD+上。胞液内：α-酮戊二酸+CO2+NADPH+H+=异柠檬酸+NADP+ 异柠檬酸能自由通过线粒体膜，传递氢。线粒体内：异柠檬酸+NAD+=α-酮戊二酸+CO2+NADH+H+ 一分子Glc经磷酸戊糖途径，完全氧化，产生12分子NADPH，可生成（36-1）=35ATP 。

4、糖的异生作用

糖异生是指从非糖物质合成Glc的过程。植物利用光、CO2和H2O合成糖。动物可以将丙酮酸、甘油、乳酸及某些氨基酸等非糖物质转化成糖。

1） 糖异生的证据及生理意义

证据：大鼠禁食24h，肝糖原由7%降至1%。再喂乳酸、丙酮酸或TCA中间产物，肝糖原会增加。 意义：糖异生是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞及大脑是以Glc为主要能量，成人每天需160克Glc，而其中120克Glc用于脑代谢。

糖异生主要在肝脏中进行，肾上腺皮质中也有，脑和肌肉细胞中很少。因此，在血中葡萄糖浓度降低时首先是脑受到伤害。

2） 糖异生途径

糖异生起源于细胞线粒体内。由丙酮酸生成Glc是糖异生的主要途径。从丙酮酸到葡萄糖的糖异生途径不是糖酵解的简单逆转，因为在糖酵解中有3步是不可逆步骤，糖异生时必须饶过这3步：①Glc到G-6-P ，②F-6-P到F-1.6-P ③PEP到丙酮酸

（1）丙酮酸被羧化成草酰乙酸（线粒体内） 丙酮酸 + CO2 + ATP → 草酰乙酸 + ADP

丙酮酸羟化酶需要生物素为辅酶。人和哺乳动物的丙酮酸羧化酶主要存在于肝脏和肾的线粒体内，所以细胞液中的丙酮酸要经过运载载体进入线粒体后才能羧化成草酰乙酸。

丙酮酸羧化酶还催化三羧酸循环的回补反应，所以，草酰乙酸既是糖异生的中间物，又是三羧酸循环的中间物，丙酮酸羧化酶联系着三羧酸循环和糖异生作用

丙酮酸羧化酶是别构酶，受乙酰CoA和高比值ATP/ADP的激活。若细胞内ATP含量高，则三羧酸循环的速度降低，糖异生作用加强。

（2）草酰乙酸被还原成苹果酸（线粒体内），苹果酸脱氢酶。

该反应的逆反应就是TCA。生成的苹果酸从线粒体内运到线粒体外。 （3）苹果酸被重新氧化成草酰乙酸（线粒体外），苹果酸脱氢酶。 （4）草酰乙酸生成磷酸烯醇式丙酮酸，丙酮酸羧化激酶。

（5） 磷酸烯醇式丙酮酸沿糖酵解的逆方向生成1.6—二磷酸果糖。 （6）、 F-1.6-P → F-6-P ，果糖二磷酸酶。

这是糖异生的关键反应，果糖二磷酸酶被AMP、2.6—二磷酸果糖强烈抑制，但被ATP、柠檬酸和3—磷酸甘油酸激活。

（7）6-磷酸果糖异构化为6-磷酸葡萄糖，磷酸葡萄糖异构酶。 （8） 6-磷酸葡萄糖生成葡萄糖，葡萄糖－6－磷酸酶。 糖异生总反应：

2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H++4H20→Glc+2NAD++4ADP+2GDP+6Pi.

从2分子丙酮酸形成Glc共消耗6个ATP，2个NADH。在糖异生中，有三步反应与糖酵解途径不同：丙酮酸→磷酸烯醇式丙酮酸；1.6—二磷酸果糖→F—6—P；G—6—P→Glc

3） 糖异生途径的前体

凡是能生成丙酮酸或成草酰乙酸的物质都可以变成葡萄糖，如TCA中全部的中间产物，大多数氨基酸。植物微生物经过乙醛酸循环，可将乙酰CoA转化成草酰乙酸，因此可以将脂肪酸转变成糖。动物体中不存在乙醛酸循环，因此不能将乙酰CoA转变成糖。 非生糖氨基酸：Ile、Leu、Tyr、Trp

反刍动物胃、肠道细菌分解纤维素，产生乙酸、丙酸、丁酸等，其中奇数碳脂肪酸可转变成琥珀酰CoA，进入TCA，生糖。

4） 糖异生和糖酵解的代谢协调

糖异生和糖酵解在细胞中是两个相反的代谢途径，同时，又是协调的。 ①高浓度G—6—P抑制已糖激酶，活化G—6—P酶，抑制酵解，促进异生。 ②酵解和异生的控制点是F—6—P与F—1.6—2P的转化。

糖异生的关键酶是F—1.6—2P酶，而糖酵解的关键酶是磷酸果糖激酶。 ATP促进酵解，柠檬酸促进糖异生。

F-2.6-P是强效应物，促进酵解，减弱异生。

③丙酮酸到PEP的转化在糖异生中是由丙酮酸羧化酶调节，在酵解中被丙酮酸激酶调节。

乙酰CoA激活丙酮酸羧化酶的活性，抑制丙酮酸脱氢酶的活性，因此乙酰CoA过量时，可促进Glc 生成。 ④酵解与异生途径，一个途径开放，另一途径就关闭，可避免无效循环。

无效循环：由不同酶催化的两个相反代谢，反应条件不一样，一个方向需ATP参加，另一方向则进行水解，结果使ATP水解，消耗能量，反应物无变化。

酵解和异生中有三个点可能产生无效循环，这种无效循环只能产生热量供自身需要。 ⑤激素对酵解和异生的

肾上腺素、胰高血糖素和糖皮质激素促进异生，胰岛素加强酵解。

5）糖异生的生理意义

（１）空腹或饥饿时依赖氨基酸、甘油等异生成糖，以维持血糖水平恒定。 （２）回收乳酸分子中的能量。 （３）调节酸碱平衡。 （4）协助氨基酸代谢。

5、其他糖类的合成

与核苷酸聚合形成核酸不同，葡萄糖只有在活化后形成了糖核苷酸（NDPG）才能合成寡糖和多糖。这与氨基酸活化后形成肽链有些类似。葡萄糖的活化形式： 尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）、腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）、鸟苷二磷酸葡萄糖（GDPG）

1）蔗糖的合成

蔗糖的生物合成的途径有以下两条：

1、蔗糖合成酶催化UDPG和果糖合成蔗糖；（非光合组织）

2、磷酸 蔗糖合成酶催化UDPG和6－磷酸葡萄糖合成磷酸蔗糖，再在磷酸蔗糖磷酸酶作用下生成蔗糖；（蔗糖合成的主要途径，光合组织）

2）淀粉的合成

（1）直链淀粉由以下三个酶合成: a. 淀粉磷酸酶，催化1－磷酸葡萄糖＋引物（nG）形成 淀粉 ［ （n+1）G ］＋磷酸 （n

≥3）

b. D酶（糖苷转移酶），将麦芽糖的残余段加成到其他α－1，4糖苷键的多糖上，形成引物。 c. 淀粉合成酶，淀粉合成的主要途径，以ADPG为主要原料催化ADPG＋引物（nG）形成淀粉

［ （n+1） ］G＋ADP

（2）支链淀粉在淀粉合成酶和1，4－α－葡聚糖分支酶（Q酶）共同作用下合成

3） 糖原的合成与分解

糖原是葡萄糖的储存形式，又被称为动物淀粉，主要发生在肝脏、骨骼肌中。 糖原合成的反应过程可分为三个阶段：

（1）活化：.由己糖激酶(葡萄糖激酶)催化葡萄糖生成UDPG(uridine diphosphate glucose)，是一耗能过程。

a.磷酸化：己糖激酶(葡萄糖激酶)催化G + ATP 形成G-6-P + ADP b.异构：磷酸葡萄糖变位酶催化G-6-P转变为G-1-P

c. 转形：UDPG焦磷酸化酶催化G-1-P + UTP形成UDPG + PPi （2）缩合：糖原合酶催化UDPG + (G)n形成(G)n+1 + UDP

（3）分支：当直链长度达12个葡萄糖残基以上时，在分支酶(branching enzyme)的催化下，将距末端6～7个葡萄糖残基组成的寡糖链由α-1,4-糖苷键转变为α-1,6-糖苷键，使糖原出现分支。

糖原合成的特点：1．必须以原有糖原分子作为引物； 2．合成反应在糖原的非还原端进行；

3．合成为一耗能过程，每增加一个葡萄糖残基，需消耗2个高能磷酸键（2分子ATP）； 4．其关键酶是糖原合酶(glycogen synthase)，为一共价修饰酶； 5．需UTP参与（ 以UDP为载体）。

糖原的分解： （1）水解

a.磷酸解：由糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)催化对α-1,4-糖苷键磷酸解，生成G-1-P。 (G)n + P i (G)n-1 + G-1-P

b. 转寡糖链：当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到直链的非还原端，使分支点暴露。

c. 脱支：由α-1,6-葡萄糖苷酶催化。将α-1,6-糖苷键水解，生成一分子自由葡萄糖。 (G)n + H2O (G)n-1 + G (2)异构： 磷酸葡萄糖变位酶催化G-1-P生成G-6-P

（3）脱磷酸：由葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase)催化，生成自由葡萄糖。该酶只存在于肝及肾中。

G-6-P + H2O G + Pi 糖原分解代谢的特点：

1．水解反应在糖原的非还原端进行； 2．是一非耗能过程；

3．关键酶是糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)，为一共价修饰酶，其辅酶是磷酸吡哆醛。

第六章 生物氧化

一、生物能学的几个概念

（一） 化学反应中的自由能变化及其意义 1、 化学反应中的自由能

自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G表示。

在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。 自由能的变化：△G = G 产物 — G反应物 = △H －T△S

△G 代表体系的自由能变化，△H代表体系的焓变化，T代表体系的绝对温度，△S代表体系的熵变化。

焓与熵都是体系的状态函数。

焓代表体系的内能与压力P*体积V之和：H = U + P*V dH = dU + P*dV + V*dP

熵代表体系中能量的分散程度，也就是体系的无序程度：△S = dQ／T ，△S = △S体系+△S环境 ，只有△S≥0，过程才能自发进行。

2、 △G是判断一个过程能否自发进行的根据 △G<0，反应能自发进行，能做有用功。 △G>0，反应不能自发进行，必须供给能量。 △G=0，反应处于平衡状态。

一个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化（△H），不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能的变化才是唯一准确的指标。

△G<0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也为力。

当△G为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。 （二） 标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系 aA+bB → cC+dD

标准自由内能变化：在规定的标准条件下的自由能变化，用△G°表示。 标准条件：25℃，参加反应的物质的浓度都是1mol∕L（气体则是1大气压）。若同时定义pH =7.0，则标准自由能变化用△G°′表示。

对于一个溶液中的化学反应： aA ＋ bB → cC ＋ dD 当反应达到平衡时，△G = 0

K′是化学反应的平衡常数，因此，△G°′ 也是一个常数。

常见物质的标准生成自由能△G°′已经列在各种化学手册中，可以根据△G°′= -RT lnK的公式求出平衡常数K′。

P15 举例说明如何用K′求出△G °′ 和△G

从例子可以看出△G °′和△G实际上是两个不同条件下的自由能变化值。

（1） △G°′是标准条件下的自由能变化，既反应物A、B、C、D的起始浓度都为1mol/L，温度为25℃，pH=7.0时的△G。每一个化学反应都有其特定的标准自由能变化（既△G °′），是一个固定值，

△G是任意给定条件下的自由能变化，它是反应物A、B、C、D的起始浓度、温度、pH的状态函数，在一个自发进行的化学反应中，自由能总是在降低，△G总是负值，随着反应向平衡点的趋近，△G的绝对值逐渐缩小，直到为0。

（2） 从△G°′= -RT lnK′，可以求出K′及△G °′，根据△G °′、△G 与K′可以判断任何条件下反应进行的方向及程度。

（三） 自由能变化的可加和性。

在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。 例如：Glc+ATP→G—6—P+ADP（总反应）

第一步，Glc+Pi→G—6—P+H2O,此反应不能自发进行。 第二步，ATP+H2O→ADP+Pi

总反应：Glc+ATP→G—6—P+ADP.

因此，一个热力学上不能进行的反应，可与其它反应偶联，驱动整个反应进行。此类反应在生物体内

是很普遍的。

二、 高能磷酸化合物

高能化合物：水解时释放20.1kj/mol及以上自由能的化合物。

高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放20.1kj/mol以上能量的磷酸化合物。 （一） 高能化合物的类型 1、 磷氧键型。 （1）、 酰基磷酸化合物。

3—磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。 （2）、 焦磷酸化合物。 无机焦磷酸，ATP，ADP （3）、 烯醇式磷酸化合物。 磷酸烯醇式丙酮酸。 2、 氮磷键型。

磷酸肌酸，磷酸精氨酸。 3、 硫酯键型。

3’一磷酸腺苷一5’一磷酰硫酸，酰基辅酶A。 4、 甲硫键型。 S一腺苷甲硫氨酸。

（二） ATP的特殊的作用。

1、 是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂。 2、 在磷酸基转移中的作用 。

Glc进入血液中，唯一出路是磷酸化。G-6-P是Glc的一种活化形式。已糖激酶催化：Glc+ATP→G-6-P+ADP。

3一磷酸甘油是甘油的活化形式，能参与脂肪合成。甘油激酶：甘油+ATP→3一磷酸甘油+ADP。 （三） 磷酸肌酸、磷酸精氨酸的储能作用

磷酸肌酸是易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的能起暂时储能作用的物质。 磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质

三、 生物氧化、氧化电子传递链和氧化磷酸化作用 （一） 生物氧化的概念和特点。

糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量，这个过程称生物氧化。

生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸。 特点：反应条件温和，多步反应，逐步放能。

生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。

真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。 生物氧化的三阶段：

第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位——单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放化学能。

第二阶段：构造单位经糖酵解、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢物物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的能量。

第三阶段：丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量。

在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子经过一个氧化的电子传递过程（氧化电子传递链）最终传给O2，并生成ATP，以这种方式生成ATP的作用称为氧化磷酸化作用，它是一种很重要的将生物氧化和能量生成相偶连的机制。

生物氧化的终产物是CO2和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成。

（二） 氧化电子传递过程

生物氧化过程中形成的还原型辅酶（NADH和FADH2），通过电子传递途径，使其重新氧化，此过程称为电子传递过程。

在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以负质子（H — ）形式脱下，其电子经一系列的电子传递体（电子传递链）转移，最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。

（三） 氧化电子传递链

由NADH到O2的氧化电子传递链主要包括FMN、辅酶Q（CoQ）、细胞色素b、c1、c、a,a3及一些铁硫蛋白。

氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。

电子载体的标准势能△G °′是逐步下降的，电子沿着电势升高的方向流动。其中有三个部位的势能落差△G较大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=7.3Kal/mol.）。这三个部位正好是氧化磷酸化部位。

细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2、H2O，其中CO2主要是在三羧酸循环中产生，水是在电子传递过程的最后阶段产生。

（四） 电子传递链的酶和电子载体

呼吸链中的电子载体都是和蛋白质结合存在（包括NAD+、FMN、铁硫中心、细胞色素）。这些蛋白质大都是水不溶性的，嵌在线粒体的内膜上。

NAD+是许多脱氢酶的辅酶，FMN是NADH脱氢酶的辅酶。 1、 NAD+和NADP+

脱氢酶分别与NAD+或NADP+结合，催化底物脱氢，这类酶称为与NAD（P）相关的脱氢酶，

多数脱氢酶以NAD+为辅酶，少数以NADP+为辅酶（如G-6-P脱氢酶）少数酶能以NAD+或NADP+两种辅酶（Glu脱氢酶）。

2、 NADH脱氢酶以及其它黄素蛋白酶类 NADH脱氢酶含FMN辅基，铁-硫中心。

铁硫中心铁的价态变化（Fe3+→Fe2+）可以将电子从FMN辅基上转移到呼吸链下一成员辅酶Q上。 含有核黄素辅基的酶还包括琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等。 3、 辅酶Q（泛醌）

电子传递链上唯一的非蛋白质成分。

辅酶Q在线粒体中有两种存在形式：膜结合型、游离型。 辅酶Q不仅可以接受FMN上的氢（NADH脱氢酶），还可以接受线粒体FADH2上的氢（如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其它黄素酶类）。

4、 细胞色素类。

细胞色素类是含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素。 细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。

线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素：b、c、c1、.a、a3. 细胞色素b有两种存在形式：b562、b566

细胞色素c是唯一可溶性的细胞色素，同源性很强，可作为生物系统发生关系的一个指标。

细胞色素a、a3是以复合物的形式存在，又称细胞色素氧化酶，将电子从细胞色素c传到分子O2 。

（五） 电子传递抑制剂

阻断呼吸链中某一部位的电子传递。 1、 鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 都可阻断电子由NADH向CoQ传递。 2、 抗霉素A

抑制电子从细胞色素b向细胞色素c1传递 3、 氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等。 阻断电子从细胞色素aa3 向O2传递

（六） 氧化磷酸化作用

氧化磷酸化作用：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。

底物水平磷酸化作用：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。

1、 方程式：

NADH + 3ADP + 3Pi + 1/2O2 → NAD+ + 3H2O + 3ATP

三个ATP的形成获取了呼吸链中电子由NADH传递至氧所产生的全部自由能的42%。（21.9/52.7×100%）。

2、 几个概念： （1）、 P/O比

一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP的分子数。NADH→3ATP（或2.5），FADH2→2ATP（或1.5） （2）、 ATP生成部位：

三个部位由三个酶复合体催化：

部位Ⅰ：NADP与CoQ之间，NADH脱氢酶。（1个ATP） 部位Ⅱ：CoQ与CytC之间，细胞色素还原酶。（1个或0.5ATP） 部位Ⅲ：Cyta与O2之间，细胞色素氧化酶。（1个ATP） （3）、 呼吸控制

ADP作为关键物质，对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。

（4）、 解偶联剂，（2.4—硝基苯酚）

电子传递过程和ATP形成过程相分离，电子传递仍可进行，但不能形成ATP。 （5）、 氧化磷酸化抑制剂： 抑制O2的利用和ATP的形成。

（七） 氧化磷酸化的偶联机理

1、 化学渗透假说：这一学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。

四、能荷

为了从量上表示细胞内ATP-ADP-AMP的存在状况，Atkinson(1968)提出了能荷的概念。 腺苷酸库：细胞中存在的三种腺苷酸，即ATP、ADP、AMP。 能荷：总的腺苷酸系统中（即ATP、ADP和AMP浓度之和）所负荷的高能磷酸基。一般情况细胞的能荷为0.8。

能荷＝［ATP］+0.5［ADP］/ ［ATP］+［ADP］

+［AMP］

在一定条件下，能荷可以作为细胞产能和需能代谢过程变构调节的信号。即高能荷时，抑制生物体内ATP的生成，促进ATP的利用；低能荷值时，促进生物体内ATP的生成，抑制ATP的利用。

五、其他末端氧化酶系统

1、多酚氧化酶系统：存在于微粒体中，是含铜的末端氧化酶，也称儿茶酚氧化酶。催化多酚类（对苯二酚、邻苯二酚、邻苯三酚的氧化）。植物体切伤后的褐变是多酚氧化酶作用的结果。是否破坏多酚氧化酶是制作绿茶红茶的分水岭。

2、黄素蛋白氧化酶系统：黄素蛋白氧化酶存在于微体中，脱下来的氢直接交给O2生成H2O2。 乙醇氧化成乙醛就是由这种酶催化。

3、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶：超氧化物歧化酶（SOD）是生物体中最重要的清除活性氧的酶之一。它们在清除活性氧时形成H2O2。H2O2的清除由过氧化氢酶（CAT）完成。

4、植物抗氰氧化酶系统：抗氰氧化酶是一种非血红蛋白，它不受氰化物的抑制。拥有该末端氧化酶系统的生物其电子传递可以不经过细胞色素氧化酶系统，而是通过抗氰氧化系统传给氧。抗氰呼吸是一个放热反应。

第七章 脂类物质的代谢

脂类：生物体内不溶于水而易溶于有机溶剂的一类有机化合物。脂类包括：1、单纯脂 （酰基甘油酯，蜡）；2、复合脂（磷脂，糖脂，硫脂）；3、非皂化脂（萜类，甾醇类）。

脂类的生理功能：

a. 生物膜的骨架成分 磷脂、糖脂 b. 能量贮存形式 甘油三酯 c. 参与信号识别、免疫 糖脂

d. 激素、维生素的前体 固醇类激素，维生素D、A、K、E e. 生物体表保温防护

脂肪贮存量大，热值高，脂肪的热值：1g脂肪产生的热量，是等量蛋白质或糖的2－3 倍。

一、脂肪的分解代谢

1、 甘油三酯的水解

甘油三酯的水解由脂肪酶催化。组织中有三种脂肪酶，逐步将甘油三酯水解成甘油二酯、 甘油单酯、甘油和脂肪酸。这三种酶是：脂肪酶（激素敏感性甘油三酯脂肪酶，是限速酶）

甘油二酯脂肪酶，甘油单酯脂肪酶。

肾上腺素、胰高血糖素、肾上腺皮质激素都可以激活腺苷酸环化酶，使cAMP浓度升

高，促使依赖cAMP的蛋白激酶活化，后者使无活性的脂肪酶磷酸化，转变成有活性的脂肪酶，加速脂解作用。胰岛素、前列腺素E1作用相反，可抗脂解。油料种子萌发早期，脂肪酶活性急剧增高，脂肪迅速水解。

2、 甘油的代谢

在脂肪细胞中，没有甘油激酶，无法利用脂解产生的甘油。甘油进入血液，转运至肝脏

后才能被甘油激酶磷酸化为3-磷酸甘油，再经磷酸甘油脱氢酶氧化成磷酸二羟丙酮，进入糖酵解途径或糖异生途径。

3、 脂肪酸的氧化

1） 饱和偶数碳脂肪酸的β氧化

（1） β氧化学说：早在1904年，Franz 和Knoop就提出了脂肪酸β氧化学说。用苯基标记含奇数碳原子的脂肪酸，饲喂动物，尿中是苯甲酸衍生物马尿酸。用苯基标记含隅数碳原子的脂肪酸，饲喂动物，尿中是苯乙酸衍生物苯乙尿酸。

结论：脂肪酸的氧化是从羧基端β-碳原子开始，每次分解出一个二碳片断。

产生的终产物苯甲酸、苯乙酸对动物有毒害，在肝脏中分别与Gly反应，生成马尿酸和 苯乙尿酸，排出体外。

β－氧化发生在肝及其它细胞的线粒体内。

2） 脂肪酸的β氧化过程

脂肪酸进入细胞后，首先被活化成酯酰CoA，然后再入线粒体内氧化。 （1）、 脂肪酸的活化（细胞质）

RCOO- + ATP + CoA-SH → RCO-S-CoA + AMP + Ppi

生成一个高能硫脂键，需消耗两个高能磷酸键，反应平衡常数为1，由于PPi水解，反 应不可逆。

细胞中有两种活化脂肪酸的酶：

内质网脂酰CoA合成酶，活化12C以上的长链脂肪酸 线粒体脂酰CoA合成酶，活化4~10C的中、短链脂肪酸 （2）、 脂肪酸向线粒体的转运

中、短链脂肪酸（4-10C）可直接进入线粒体，并在线粒体内活化生成脂酰CoA。长链

脂肪酸先在胞质中生成脂酰CoA，经肉碱转运至线粒体内。肉(毒)碱：L-β羟基-r-三甲基铵基丁酸。脂酰CoA以脂酰肉碱形式转运到线粒体内。

线粒体内膜外侧（胞质侧）：肉碱脂酰转移酶Ⅰ催化，脂酰CoA将脂酰基转移给肉碱的 β羟基，生成脂酰肉碱。

线粒体内膜：线粒体内膜的移位酶将脂酰肉碱移入线粒体内，并将肉碱移出线粒体。 线粒体内（膜内侧）：肉碱脂酰转移酶Ⅱ催化，使脂酰基又转移给CoA，生成脂酰CoA 和游离的肉碱。

（3）、脂酰CoA进入线粒体后，在基质中进行β氧化作用，包括4个循环的步骤。

a.脂酰CoA脱氢生成β-反式烯脂酰CoA。线粒体基质中，已发现三种脂酰CoA脱氢酶， 均以FAD为辅基，分别催化链长为C4-C6，C6-C14，C6-C18的脂酰CoA脱氢。

b. (△2反式)烯脂酰CoA水化生成L-β-羟脂酰CoA，β-烯脂酰CoA水化酶催化。 c. L-β-羟脂酰CoA脱氢生成β-酮脂酰CoA，L-β羟脂酸CoA脱氢酶催化。 d.β-酮脂酰CoA硫解生成乙酰CoA和（n-2）脂酰CoA，酮脂酰硫解酶催化。

脂肪酸β-氧化作用小结：

（1） 脂肪酸β-氧化时仅需活化一次，其代价是消耗1个ATP的两个高能键

（2） 长链脂肪酸由线粒体外的脂酰CoA合成酶活化，经肉碱运到线粒体内；中、短 链脂肪酸直接进入线粒体，由线粒体内的脂酰CoA合成酶活化。

（3） β-氧化包括脱氢、水化、脱氢、硫解4个重复步骤 （4） β-氧化的产物是乙酰CoA，可以进入TCA

脂肪酸β-氧化产生的能量

以硬脂酸为例，18碳饱和脂肪酸

胞质中： a.活化：消耗2ATP，生成硬脂酰CoA 线粒体内：

b.脂酰CoA脱氢：FADH2 ，产生2ATP c.β-羟脂酰CoA脱氢：NADH，产生3ATP

d.β-酮脂酰CoA硫解：乙酰CoA → TCA，12ATP

(n-2)脂酰CoA → 第二轮β氧化 活化消耗： -2ATP

β氧化产生： 8×（2+3）ATP = 40 9个乙酰CoA： 9×12 ATP = 108 净生成： 146ATP

饱和脂酸完全氧化净生成ATP的数量：(8.5n-7)ATP (n 为偶数)

硬脂酸燃烧热值：–2651 kcal; β-氧化释放：146ATP×(-7.3Kcal)=-1065.8Kcal 转换热效率=40.2%

β-氧化的调节

a.脂酰基进入线粒体的速度是限速步骤，长链脂酸生物合成的第一个前体丙二酸单酰CoA的浓度增加，可抑制肉碱脂酰转移酶Ⅰ，脂肪氧化。

b.[NADH]/[NAD+]比率高时，β—羟脂酰CoA脱氢酶便受抑制。

c.乙酰CoA浓度高时；可抑制硫解酶，抑制氧化（脂酰CoA有两条去路： ①氧化。②合成甘油三酯）

(4) 不饱和脂酸的β氧化

1)单不饱和脂肪酸的氧化：油酸的β氧化，△3顺—△2反烯脂酰CoA异构酶（改变双键位置和顺反构型），生成（146-2）ATP ，少一次脱氢。

2） 多不饱和脂酸的氧化：亚油酸的β氧化，△3顺—△2反烯脂酰CoA异构酶（改变 双键位置和顺反构型），β-羟脂酰CoA差向酶（改变β-羟基构型：D→L型），生成（146—2—2）ATP

（5） 奇数碳脂肪酸的β氧化

奇数碳脂肪酸经反复的β氧化，最后可得到丙酰CoA，丙酰CoA有两条代谢途径： 1） 丙酰CoA转化成琥珀酰CoA，进入TCA。动物体内存在这条途径，因此，在动物

肝脏中奇数碳脂肪酸最终能够异生为糖。反刍动物瘤胃中，糖异生作用十分旺盛，碳水化合物经细菌发酵可产生大量丙酸，进入宿主细胞，在硫激酶作用下产丙酰CoA，转化成琥珀酰CoA，参加糖异生作用。

2） 丙酰CoA转化成乙酰CoA，进入TCA。这条途径在植物、微生物中较普遍。有些 植物、酵母和海洋生物，体内含有奇数碳脂肪酸，经β氧化后，最后产生丙酰CoA。

（6） 脂酸的其它氧化途径

1） α—氧化（不需活化，直接氧化游离脂酸），植物种子、叶子、动物的脑、肝细胞， 每次氧化从脂酸羧基端失去一个C原子。

RCH2COOH→RCOOH+CO2

α—氧化对于降解支链脂肪酸、奇数碳脂肪酸、过分长链脂肪酸（如脑中C22、C24） 有重要作用

2） ω—氧化（ω端的甲基羟基化，氧化成醛，再氧化成酸），动物体内多数是12C以

上的羧酸，它们进行β氧化，但少数的12C以下的脂酸可通过ω—氧化途径，产生二羧酸，如11C脂酸可产生11C、9C、和7C的二羧酸（在生物体内并不重要）。ω—氧化涉及末端甲基的羟基化，生成一级醇，并继而氧化成醛，再转化成羧酸。ω—氧化在脂肪烃的生物降解中有重要作用。泄漏的石油，可被细菌ω氧化，把烃转变成脂肪酸，然后经β氧化降解。

4、 酮体的代谢

脂肪酸β-氧化产生的乙酰CoA，在肌肉和肝外组织中直接进入TCA，然而在肝、肾脏

细胞中还有另外一条去路：生成乙酰乙酸、D-β-羟丁酸、丙酮，这三种物质统称酮体。酮体在肝中生成后，再运到肝外组织中利用。

1） 酮体的生成

酮体的合成发生在肝、肾细胞的线粒体内。

形成酮体的目的是将肝中大量的乙酰CoA转移出去，乙酰乙酸占30%，β—羟丁酸 70%，少量丙酮。（丙酮主要由肺呼出体外），肝脏线粒体中的乙酰CoA走哪一条途径，主要取决于草酰乙酸的可利用性。饥饿状态下，草酰乙酸离开TCA，用于异生合成Glc。当草酰乙酸浓度很低时，只有少量乙酰CoA进入TCA，大多数乙酰CoA用于合成酮体。当乙酰CoA不能再进入TCA时，肝脏合成酮体送至肝外组织利用，肝脏仍可继续氧化脂肪酸。

肝中酮体生成的酶类很活泼，但没有能利用酮体的酶类。因此，肝脏线粒体合成的酮体， 迅速透过线粒体并进入血液循环，送至全身。

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）、 乙酰乙酸被琥珀酰CoA转硫酶（β-酮脂酰CoA转移酶）活化成乙酰乙酰CoA 心、肾、脑、骨骼肌等的线粒体中有较高的酶活性，可活化乙酰乙酸。

乙酰乙酸+琥珀酰CoA→乙酰乙酰CoA+琥珀酸

然后，乙酰乙酰CoA被β氧化酶系中的硫解酶硫解，生成2分子乙酰CoA，进入TCA。

（2）、 β—羟基丁酸由β—羟基丁酸脱氢酶催化，生成乙酰乙酸，然后进入上述途径。 （3）、 丙酮可在一系列酶作用下转变成丙酮酸或乳酸，进入TCA或异生成糖。肝脏氧 化脂肪时可产生酮体，但不能利用它（缺少β—酮脂酰CoA转移酶），而肝外组织在脂肪氧化时不产生酮体，但能利用肝中输出的酮体。在正常情况下，脑组织基本上利用Glc供能，而在严重饥饿状态，75%的能量由血中酮体供应。

3） 酮体生成的生理意义：酮体是肝内正常的中间代谢产物，是肝输出能量的一种

形式。酮体溶于水，分子小，能通过血脑屏障及肌肉毛细管壁，是心、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Glc，成为脑组织及肌肉的主要能源。

正常情况下，血中酮体0.03~0.5 mmal/2。在饥饿、高脂低糖膳食时，酮体的生成增加，

当酮体生成超过肝外组织的利用能力时，引起血中酮体升高，导致酮症酸（乙酰乙酸、β—羟丁酸）中毒，引起酮尿。

4） 酮体生成的调节。

（1）饱食：胰岛素增加，脂解作用抑制，脂肪动员减少，进入肝中脂酸减少，酮体生

成减少。饥饿：胰高血糖素增加，脂肪动员量加强，血中游离脂酸浓度升高，利于β氧化及酮体的生成。

（2）肝细胞糖原含量及代谢的影响：进入肝细胞的游离脂酸，有两条去路：一条是在 胞液中酯化，合成甘油三酯及磷脂；一是条进入线粒体进行β氧化，生成乙酰CoA及酮体。

肝细胞糖原含量丰富时，脂酸合成甘油三酯及磷脂。肝细胞糖供给不足时，脂酸主要进入线粒体，进入β—氧化，酮体生成增多。

（3）丙二酸单酰CoA抑制脂酰CoA进入线粒体

乙酰CoA及柠檬酸能激活乙酰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。

二、 脂肪酸及甘油三脂的合成代谢

所有的生物都可用糖合成脂肪酸，有两种合成方式。 A. 从头合成（乙酰CoA）——在胞液中（16碳以下） B. 延长途径——在线粒体或微粒体中

高等动物的脂类合成在肝脏、脂肪细胞、乳腺中占优势。 （一） 饱和脂肪酸的从头合成

合成部位：细胞质中； 合成的原料：乙酰CoA（主要来自Glc酵解）、 NADPH （磷酸戊糖途径）、 ATP 、 HCO3— 1、 乙酰CoA的转运

细胞内的乙酰CoA几乎全部在线粒体中产生，而合成脂肪酸的酶系在胞质中，乙酰CoA 必须转运出来。转运方式：柠檬酸-丙酮酸循环

2、 丙二酸单酰CoA的生成（限速步骤）

脂肪合成时，乙酰CoA是脂肪酸的起始物质（引物），其余链的延长都以丙二酸单酰 CoA的形式参与合成。

所用的碳来自HCO3—（比CO2活泼），形成的羧基是丙二酸单酰CoA的远端羧基 乙酰CoA羧化酶：（辅酶是生物素）为别构酶，是脂肪酸合成的限速酶，柠檬酸可激活 此酶，脂肪酸可抑制此酶。

3、 脂酰基载体蛋白（ACP）

脂肪酸合成酶系有7种蛋白质，其中6种是酶，1种是脂酰基载体蛋白（ACP），它们

组成了脂肪酸合成酶复合体。ACP上的Ser羟基与4-磷酸泛酰巯基乙胺上的磷酸基团相连，4-磷酸泛酰巯基乙胺是ACP和CoA的共同活性基团。

磷酸泛酰巯基乙胺是CoA和ACP的活性基团。

脂肪酸合成过程中的中间产物，以共价键与ACP辅基上的-SH基相连，ACP辅基就象 一个摇臂，携带脂肪酸合成的中间物由一个酶转到另一个酶的活性位置上。

4、 脂肪酸的生物合成步骤 脂肪酸生物合成的程序 第一阶段：缩合 第二阶段：还原 第三阶段：释放 （1）、 原初反应：乙酰基连到β-酮脂酰ACP合成酶上 （2）、 丙二酸酰基转移反应：生成丙二酸单酰-S-ACP

此时一个丙二酸单酰基与ACP相连,另一个脂酰基(乙酰基)与β-酮脂酰-ACP合成酶相 连。

（3）、 缩合反应：生成β-酮脂酰-S-ACP

同位素实验证明，释放的CO2来自形成丙二酸单酰CoA时所羧化的HCO3— ，羧化上的C原子并未掺入脂肪酸，HCO3— 在脂酸合成中只起催化作用。 （4）、 第一次还原反应：生成β-羟脂酰-S-ACP

注意：形成的是D型β羟丁酰-S-ACP，而脂肪分解氧化时形成的是L型。 （5）、 脱水反应：形成β-烯脂酰-S-ACP （6）、 第二次还原反应：形成（n+2）脂酰-S-ACP 第一次循环，产生丁酰-S-ACP。

第二次循环，丁酰-S-ACP的丁酰基由ACP转移至β-酮脂酰-ACP合成酶上，再接受第

二个丙二酸单酰基，进行第二次缩合。奇数碳原子的饱和脂肪酸也由相此途径合成，只是起始物为丙二酸单酰-S-ACP，而不是乙酰-S-ACP，逐加的二碳单位也来自丙二酸单酰-S-ACP。 多数生物的脂肪酸合成步骤仅限于形成软脂酸（16C）。经过7次循环后，合成的软脂酰-S-ACP经硫脂酶催化生成游离的软脂酸，或由ACP转到CoA上生成软脂酰CoA，或直接形成磷脂酸。对链长有专一性的酶是β-酮脂酰ACP合成酶，它不能接受16C酰基。由乙酰-S-CoA合成软脂酸的总反应：

8乙酰CoA + 14NADPH + 14H+ + 7ATP + H2O → 软脂酸 + 8CoASH + 14NADP+ + 7ADP + 7Pi

5、 各类细胞中脂肪酸合成酶系 （1）、 细菌、植物 (多酶复合体)： 6种酶 + ACP （2）、 酵母(α6β6)：电镜下直径为25nm，α：β-酮脂酰合成酶、β-酮脂酰还原酶 β：脂酰转移酶、丙二酸单酰转移酶、β-羟脂酰脱水酶、β-烯脂酰还原酶

（3）、 哺乳动物(α2 ，多酶融合体)

结构域I：底物进入酶系进行缩合的单元，乙酰转移酶活性、丙二酸单酰转移酶、缩合 酶

结构域II：还原反应物的单元，ACP、β-酮脂酰还原酶、β-羟脂酰脱水酶、β-烯脂酰 还原酶

结构域III：释放软脂酸的单元，硫脂酶。

多酶融合体：许多真核生物的多酶体系是多功能蛋白，不同的酶以共价键连在一起，称

为单一的肽连，称为多酶融合体。生物进化中，外显子跳动产生的结果。有利于酶的协同作用，提高催化效率。多酶融合体对酶工程的启示：E1~~~~~E2~~~~~~E3

6、 脂肪酸合成的化学计量（从乙酰CoA开始） 以合成软脂酸为例：（8个乙酰CoA） 14NADPH，7ATP 14*3+7=49ATP

7、 乙酰CoA和NADPH的来源 ⑴乙酰CoA

A.肉碱乙酰基转移酶 P154 B.柠檬酸-丙酮酸、穿梭 ⑵NADPH

60%来自磷酸戊糖支路

40%来自柠檬酸-丙酮酸穿梭 8、 脂肪酸合成的调节 两种方式 （1）、 酶浓度调节(酶量的调节或适应性控制) 关键酶：

乙酰CoA羧化酶(产生丙二酸单酰CoA) 脂肪酸合成酶系

苹果酸酶(产生还原当量)

饥饿时，这几种酶浓度降低3-5倍，进食后，酶浓度升高。 喂食高糖低脂膳食，这几种酶浓度升高，脂肪合成加快。 （2）、 酶活性的调节

乙酰CoA羧化酶是限速酶。

别构调节：柠檬酸激活、软脂酰CoA抑制。 共价调节：磷酸化会失活、脱磷酸化会复活

胰高血糖素可使此酶磷酸化失活，胰岛素可使此酶脱磷酸化而恢复活性。 9、 脂肪酸氧化与合成途径的比较

P203 表7-1(《生物化学》李庆章、吴永尧主编) 软脂酸分解与合成代谢的区别。

合成 氧化

细胞中部位 细胞质 线粒体 酰基载体 ACP CoA 二碳片段 丙二酸单酰CoA 乙酰CoA 电子供体（受体） NADPH FAD、NAD

能量变化 消耗7个ATP及14个NADPH 相当于106个ATP

9、三脂酰甘油的合成

合成原料： L-α-磷酸甘油(3-磷酸甘油) 、脂酰CoA

L-α-磷酸甘油的来源：⑴磷酸二羟丙酮(糖酵解产物)还原生成L-α-磷酸甘油

10、脂代谢与糖代谢的关系

（1） 甘油→磷酸二羟丙酮→糖异生

（2） 植物及微生物：脂肪酸→乙酰CoA→琥珀酸→糖异生

（3） 动物： 奇数碳脂肪酸→丙酰CoA→琥珀酰CoA→糖异生 （4） 糖→磷酸二羟丙酮→甘油→甘油脂 （5） 糖→乙酰CoA→脂肪酸

第八章 蛋白质降解与氨基酸代谢

一、 蛋白质消化、降解及氮平衡 1、 蛋白质消化吸收

哺乳动物的胃、小肠中含有胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、羧肽酶、氨肽酶、弹性蛋白酶。经上述酶的作用，蛋白质水解成游离氨基酸，在小肠被吸收。肠粘膜细胞还可吸收二肽或三肽，吸收作用在小肠的近端较强，因此肽的吸收先于游离氨基酸。

2、 蛋白质的降解

人及动物体内蛋白质处于不断降解和合成的动态平衡。成人每天有总体蛋白的1%～2%被降解、更新。不同蛋白的半寿期差异很大，人血浆蛋白质的t1/2约10天，肝脏的t1/2约1～8天，结缔组织蛋白的t1/2约180天，许多关键性的调节酶的t1/2 均很短。

真核细胞中蛋白质的降解有两条途径：

一条是不依赖ATP的途径，在溶酶体中进行，主要降解外源蛋白、膜蛋白及长寿命的细胞内蛋白。另一条是依赖ATP和泛素的途径，在胞质中进行，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白，此途径在不含溶酶体的红细胞中尤为重要。

泛素是一种8.5KD（76a.a.残基）的小分子蛋白质，普遍存在于真核细胞内。一级结构高度保守，酵母与人只相差3个a.a残基，它能与被降解的蛋白质共价结合，使后者活化，然后被蛋白酶降解。

3、 氨基酸代谢库

食物蛋白中，经消化而被吸收的氨基酸（外源性a.a）与体内组织蛋白降解产生的氨基酸（内源性a.a）混在一起，分布于体内各处，参与代谢，称为氨基酸代谢库。

氨基酸代谢库以游离a.a总量计算。肌肉中a.a占代谢库的50％以上。肝脏中a.a占代谢库的10％。肾中a.a占代谢库的4％。血浆中a.a占代谢库的1～6％。

肝、肾体积小，它们所含的a.a浓度很高，血浆a.a是体内各组织之间a.a转运的主要形式。 4、 氮平衡

食物中的含氮物质，绝大部分是蛋白质，非蛋白质的含氮物质含量很少，可以忽略不计。 氮总平衡：机体摄入的氮量和排出量，在正常情况下处于平衡状态。即，摄入氮＝排出氮。 氮正平衡：摄入氮＞排出氮，部分摄入的氮用于合成体内蛋白质，儿童、孕妇。 氮负平衡：摄入氮＜排出氮。饥锇、疾病、衰老。 二、 氨基酸分解代谢

氨基酸的分解代谢主要在肝脏中进行。氨基酸的分解代谢分一般分解代谢和个别氨基酸分解代谢。一般分解代谢分为脱氨基和脱羧基作用。

氨基酸的分解代谢一般是先脱去氨基，形成的碳骨架可以被氧化成CO2和H2O，产生ATP ，也可以为糖、脂肪酸的合成提供碳架。

1、 脱氨基作用

在动物中主要在肝脏中进行 1） 氧化脱氨基

第一步，脱氢，生成亚胺。第二步，水解。

生成的H2O2有毒，在过氧化氢酶催化下，生成H2O+O2↑，解除对细胞的毒害。 催化氧化脱氨基反应的酶（氨基酸氧化酶） （1）、 Ｌ—氨基酸氧化酶

有两类辅酶，Ｅ—ＦＭＮ， Ｅ—ＦＡＤ（人和动物） 对下列a.a不起作用：Gly、β-羟氨酸（Ser、 Thr）、二羧a.a（ Glu、 Asp）、二氨a.a （Lys、 Arg）真核生物中，真正起作用的不是L-a.a氧化酶，而是谷氨酸脱氢酶。

（2）、 D-氨基酸氧化酶 E-FAD

有些细菌、霉菌和动物肝、肾细胞中有此酶，可催化D-a.a脱氨。 （3）、 Gly氧化酶 E-FAD 使Gly脱氨生成乙醛酸。 （4）、 D-Asp氧化酶 E-FAD

E-FAD 兔肾中有D-Asp氧化酶，D-Asp脱氨，生成草酰乙酸。 （5）、 L-Glu脱氢酶 E-NAD+ E-NADP+

真核细胞的Glu脱氢酶，大部分存在于线粒体基质中，是一种不需O2的脱氢酶。

此酶是能使a.a直接脱去氨基的活力最强的酶，是一个结构很复杂的别构酶。在动、植、微生物体内都有。ATP、GTP、NADH可抑制此酶活性。ADP、GDP及某些a.a可激活此酶活性。因此当ATP、GTP不足时，Glu的氧化脱氨会加速进行，有利于a.a分解供能（动物体内有10%的能量来自a.a氧化）。

2） 非氧化脱氨基作用（大多数在微生物的中进行）

①还原脱氨基；②水解脱氨基；③脱水脱氨基；④脱巯基脱氨基；⑤氧化-还原脱氨基两个氨基酸互相发生氧化还原反应，生成有机酸、酮酸、氨；

⑥脱酰胺基作用：

谷胺酰胺酶：谷胺酰胺 + H2O → 谷氨酸 + NH3 天冬酰胺酶：天冬酰胺 + H2O → 天冬氨酸 + NH3 谷胺酰胺酶、天冬酰胺酶广泛存在于动植物和微生物中 3） 转氨基作用

转氨作用是a.a脱氨的重要方式，除Gly、Lys、Thr、Pro外，a.a都能参与转氨基作用。 转氨基作用由转氨酶催化，辅酶是维生素B6（磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺）。转氨酶在真核细胞的胞质、线粒体中都存在。

转氨基作用：是α-氨基酸和α-酮酸之间氨基转移作用，结果是原来的a.a生成相应的酮酸，而原来的酮酸生成相应的氨基酸。

不同的转氨酶催化不同的转氨反应。

大多数转氨酶，优先利用α-酮戊二酸作为氨基的受体，生成Glu。如丙氨酸转氨酶，可生成Glu，叫谷丙转氨酶（GPT）。肝细胞受损后，血中此酶含量大增，活性高。肝细胞正常，血中此酶含量很低。

动物组织中，Asp转氨酶的活性最大。在大多数细胞中含量高，Asp是合成尿素时氮的供体，通过转氨作用解决氨的去向。

4） 联合脱氨基

单靠转氨基作用不能最终脱掉氨基，单靠氧化脱氨基作用也不能满足机体脱氨基的需要，因为只有Glu脱氢酶活力最高，其余L-氨基酸氧化酶的活力都低。

机体借助联合脱氨基作用可以迅速脱去氨基 。 （1） 以谷氨酸脱氢酶为中心的联合脱氨基作用

氨基酸的α-氨基先转到α-酮戊二酸上，生成相应的α-酮酸和Glu，然后在L-Glu脱氨酶催化下，脱氨基生成α-酮戊二酸，并释放出氨。

（2） 通过嘌呤核苷酸循环的联合脱氨基做用

骨骼肌、心肌、肝脏、脑都是以嘌呤核苷酸循环的方式为主

2、 脱羧作用

生物体内大部分a.a可进行脱羧作用，生成相应的一级胺。

a.a脱羧酶专一性很强，每一种a.a都有一种脱羧酶，辅酶都是磷酸吡哆醛。

a.a脱羧反应广泛存在于动、植物和微生物中，有些产物具有重要生理功能，如脑组织中L-Glu脱羧生成r-氨基丁酸，是重要的神经介质。His脱羧生成组胺（又称组织胺），有降低血压的作用。Tyr脱羧生成酪胺，有升高血压的作用。

但大多数胺类对动物有毒，体内有胺氧化酶，能将胺氧化为醛和氨。

3、 氨的去向

氨对生物机体有毒，特别是高等动物的脑对氨极敏感，血中1%的氨会引起中枢神经中毒，因此，脱去的氨必须排出体外。

氨中毒的机理：脑细胞的线粒体可将氨与α-酮戊二酸作用生成Glu，大量消耗α-酮戊二酸，影响TCA，同时大量消耗NADPH，产生肝昏迷。

氨的去向：

（1）重新利用 合成a.a、核酸。 （2）贮存 Gln，Asn

高等植物将氨基氮以Gln，Asn的形式储存在体内。 （3）排出体外

排氨动物：水生、海洋动物，以氨的形式排出。 排尿酸动物：鸟类、爬虫类，以尿酸形式排出。 排尿动物：以尿素形式排出。 氨的转运（肝外→肝脏）

1） Gln转运 Gln合成酶、Gln酶（在肝中分解Gln） Gln合成酶，催化Glu与氨结合，生成Gln。

Gln中性无毒，易透过细胞膜，是氨的主要运输形式。 Gln经血液进入肝中，经Gln酶分解，生成Glu和NH3。 2） 丙氨酸转运（Glc-Ala循环）

肌肉可利用Ala将氨运至肝脏，这一过程称Glc-Ala循环。

丙氨酸在PH7时接近中性，不带电荷，经血液运到肝脏

在肌肉中，糖酵解提供丙酮酸，在肝中，丙酮酸又可生成Glc。

肌肉运动产生大量的氨和丙酮酸，两者都要运回肝脏，而以Ala的形式运送，一举两得。 氨的排泄

1） 直接排氨

排氨动物将氨以Gln形式运至排泄部位，经Gln酶分解，直接释放NH3。游离的NH3借助扩散作用直接排除体外。

2） 尿素的生成（尿素循环）

排尿素动物在肝脏中合成尿素的过程称尿素循环。1932年，Krebs发现，向悬浮有肝切片的缓冲液中，加入鸟氨酸、瓜氨酸、Arg中的任一种，都可促使尿素的合成。

尿素循环途径（鸟氨酸循环）： （1）、 氨甲酰磷酸的生成（氨甲酰磷酸合酶I）

肝细胞液中的a.a经转氨作用，与α-酮戊二酸生成Glu，Glu进入线粒体基质，经Glu脱氢酶作用脱下氨基，游离的氨（NH4+）与TCA循环产生的CO2反应生成氨甲酰磷酸。

氨甲酰磷酸是高能化合物，可作为氨甲酰基的供体。 氨甲酰磷酸合酶I：存在于线粒体中，参与尿素的合成。 氨甲酰磷酸合酶II：存在于胞质中，参与尿嘧啶的合成。 N-乙酰Glu激活氨甲酰磷酸合酶 I、II （2）、 合成瓜氨酸（鸟氨酸转氨甲酰酶）

鸟氨酸接受氨甲酰磷酸提供的氨甲酰基，生成瓜氨酸。

鸟氨酸转氨甲酰酶存在于线粒体中，需要Mg2+作为辅因子。 瓜氨酸形成后就离开线粒体，进入细胞液。 （3）、 合成精氨琥珀酸（精氨琥珀酸合酶） （4）、 精氨琥珀酸裂解成精氨酸和延胡索素酸（精氨琥珀酸裂解酶） 精氨琥珀酸 → 精氨酸 + 延胡索素酸 此时Asp的氨基转移到Arg上。

来自Asp的碳架被保留下来，生成延胡索酸。延胡索素酸可以经苹果酸、草酰乙酸再生为天冬氨酸， （5）、 精氨酸水解生成鸟氨酸和尿素 尿素形成后由血液运到肾脏随尿排除。

尿素循环总反应：

NH4+ + CO2 + 3ATP + Asp + 2H2O → 尿素 + 2ADP + 2Pi + AMP + Ppi + 延胡索酸 形成一分子尿素可清除2分子氨及一分子CO2 ， 消耗4个高能磷酸键。

联合脱-NH2合成尿素是解决-NH2去向的主要途径。

尿素循环与TCA的关系：草酰乙酸、延胡素酸（联系物）。

肝昏迷（血氨升高，使α-酮戊二酸下降，TCA受阻）可加Asp或Arg缓解。 3） 生成尿酸（见核苷酸代谢）

尿酸（包括尿素）也是嘌呤代谢的终产物。

4、 氨基酸碳架的去向 20余种aa有三种去路

（1）氨基化还原成氨基酸。 （2）氧化成CO2和水（TCA）。 （3）生糖、生脂。

20余种a.a的碳架可转化成7种物质：丙酮酸、乙酰CoA、乙酰乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。它们最后集中为5种物质进入TCA：乙酰CoA、α-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸、草酰乙酸。

1） 转变成丙酮酸的途径

Ala、Gly、Ser、Thr、Cys形成丙酮酸的途径 （1）、 Ala 经与α-酮戊二酸转氨（谷丙转氨酶） （2）、 Gly先转变成Ser，再由Ser转变成丙酮酸。

Gly与Ser的互变是极为灵活的，该反应也是Ser生物合成的重要途径。

Gly的分解代谢不是以形成乙酰CoA为主要途径，Gly的重要作用是一碳单位的提供者。 Gly + FH4 + NAD+ → N5,N10-甲烯基FH4 + CO2 + NH4+ + NADH （3）、 Ser 脱水、脱氢，生成丙酮酸（丝氨酸脱水酶） （4）、 Thr 有3条途径

① 由Thr醛缩酶催化裂解成Gly和乙醛，后者氧化成乙酸 → 乙酰CoA。 （5）、 Cys 有3条途径

① 转氨，生成β-巯基丙酮酸，再脱巯基，生成丙酮酸。

② 氧化成丙酮酸 ③加水分解成丙酮酸

2） 转变成乙酰乙酰CoA的途径 Phe、Tyr、Leu （1）、 Phe → Tyr → 乙酰乙酰CoA

Phe、Tyr分解为乙酰乙酰CoA和延胡索酸的途径 （2）、 Tyr

产物：1个乙酰乙酰CoA（可转化成2个乙酰CoA。），1个延胡索酸，1个CO2 ， （3）、 Leu

产物：1个乙酰CoA，1个乙酰乙酰CoA，相当于3个乙酰CoA。 反应中先脱1个CO2 ，后又加1个CO2 ，C原子不变 。 （4）、 Lys

产物：1个乙酰乙酰CoA，2个CO2 。 在反应途中转氨：a. 氧化脱氨 ， b. 转氨 （5）、 Trp

产物：1个乙酰乙酰CoA，1个乙酰CoA，4个CO2 ，1个甲酸。 3） α-酮戊二酸途径

Arg、His、Gln、Pro、Glu形成α-酮戊二酸的途径 （1）、 Arg 产物：1分子Glu，1分子尿素 （2）、 His 产物：1分子Glu，1分子NH3 ,1分子甲亚氨基 （3）、 Gln 三条途径

①. Gln酶： Gln + H2O → Glu + NH3

② Glu合成酶： . Gln+α-酮戊二酸 + NADPH → 2Glu + NADP+

③ 转酰胺酶：Gln+α-酮戊二酸 → Glu + r-酮谷酰氨酸 → α-酮戊二酸 + NH4+ （4）、 Pro 产物：Pro → Glu Hpro → 丙酮酸 + 丙醛酸 4） 琥珀酰CoA途径

Met、Ile、Val转变成琥珀酰CoA （1）、 Met 给出1个甲基，将-SH转给Ser（生成Cys），产生一个琥珀酰CoA （2）、 Ile 产生一个乙酰CoA和一个琥珀酰CoA （3）、 Val 5）草酰乙酸途径

Asp和Asn可转变成草酰乙酸进入TCA，Asn先转变成Asp（Asn酶），Asp经转氨作用生成草酰乙酸. 6）延胡索酸途径

Phe、Tyr可生成延胡索酸。

生糖氨基酸与生酮氨基酸

生酮氨基酸：Phe、Tyr、Leu、Lys、Trp。在分解过程中转变为乙酰乙酰CoA，后者在动物肝脏中可生成乙酰乙酸和β-羟丁酸，因此这5种a.a.称生酮a.a.

生糖氨基酸：凡能生成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸、草酰乙酸的a.a.都称为生糖a.a，它们都能生成Glc。

而Phe、Tyr是生酮兼生糖a.a。

5、 由氨基酸衍生的其它重物质 1）由氨基酸产生一碳单位 一碳单位：具有一个碳原子的基团，包括：亚氨甲基（-CH=NH），甲酰基（ HC=O-），羟甲基（-CH2OH），亚甲基（又称甲叉基，-CH2），次甲基（又称甲川基，-CH=），甲基（-CH3）

一碳单位不仅与a.a.代谢密切相关，还参与嘌呤、嘧啶的生物合成，是生物体内各种化合物甲基化的甲基来源。

Gly、Thr、Ser、His、Met 等a.a.可以提供一碳单位。 一碳单位的转移靠四氢叶酸（5，6，7，8-四氢叶酸），携带甲基的部位是N 5、N 10 2） 氨基酸与生物活性物质 （1）、 Tyr与黑色素 （2）、 Tyr与儿茶酚胺类

可生成多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素，这四种统称儿茶酚胺类。前二者是神经递质，后二者是激素

Tyr形成多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素 （3）、 Trp与5-羟色胺及吲哚乙酸 Trp形成5-羟色胺及吲哚乙酸 5-羟色胺是神经递质，促进血管收缩

（4）、 肌酸和磷酸肌酸（Arg、Gly、Met）

肌酸和磷酸肌酸，在贮存和转移磷酸键能中起重要作用。它们存在于动物的肌肉、脑、血液中。Arg、Gly、Met形成磷酸肌酸

肌酸合成中的甲基化：S-腺苷Met （5）、 His与组胺

His脱羧生成组胺，是一种血管舒张剂，在神经组织中是感觉神经的一种递质。 （6）、 Arg → 水解 → 鸟氨酸 → 脱羧 → 腐胺 → 亚精胺 → 精胺 （7）、 Glu与r-氨基丁酸

Glu本身就是一种兴奋性神经递质（还有Asp），在脑、脊髓中广泛存在。Glu脱羧形成的r-氨基丁酸是一种抑制性神经递质。 （8）、 牛磺酸和Cys

Cys 的SH氧化成-SO3-，并脱去-COO - 就形成了牛磺酸，牛磺酸与胆汁酸结合，乳化食物。 6、 氨基酸代谢缺陷症 苯丙酮尿症（PKU）

三、 氨基酸合成代谢

1、 氨基酸合成中的氮源和碳源 1） 氮源（无机氮不行） （1）生物固氨（微生物） a.与豆科植物共生的根瘤菌 b.自养固氮菌 兰藻

在固氮酶系作用下，将空气中的N2固定，产生NH3 （2）盐和亚盐 (植物、微生物)

（3）各种脱氨基酸作用产生的NH3（所有生物） 2） 碳源

直接碳源是相应的α-酮酸，植物能合成20种a.a.相应的全部碳架或前体。人和动物只能直接合成部分a.a.相应的α-酮酸。

主要来源：糖酵解、TCA、磷酸已糖支路。

必需氨基酸：Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Thr、Trp、Val、（Arg、His） 3） 植物、部分微生物a.a.合成方式

①α-酮戊二酸衍生类型 Glu、Gln、Pro、Arg、Lys（蕈类、眼虫） 与a.a.分解进入α-酮酸的途径比较，少了一种a.a.，即His。

②草酰乙酸衍生类型 Asp、Asn、Met、Thr、Ile（也可归入丙酮类）、Lys（植物、细菌）

经TCA中间产物（α-酮戊二酸、草酰乙酸）可合成10种a.a.，即Glu、Gln、Pro、Arg、Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys。

③丙酮酸衍生类型 Ala、Val（Ile）、Leu ④3-磷酸甘油酸衍生类型 Ser、Gly、Cys 经酵解中间产物（3-磷酸甘油酸、丙酮酸），可合成Ser、Cys、Gly、 Ala、Val、Leu等6种a.a。 ⑤经酵解及磷酸戊糖中间产物（磷酸烯醇丙酮酸、4-磷酸赤藓糖），可合成Phe、Tyr、Trp等3种芳香族a.a。

⑥His有自己独特的合成途径，与其它氨基酸之间没有关系

2、 脂肪族氨基酸生物合成途径

1） α-酮戊二酸衍生类型（Glu、Gln、Pro、Arg、Lys（蕈类、眼虫）） （1）、 Glu的合成

由α-酮戊二酸与游离氨，经L-Glu脱氢酸催化。对于植物和微生物，氨的来源是Gln的酰胺基。 （2）、 Gln的合成

由α-酮戊二酸形成Glu，由Glu可以进一步形成Gln，

Gln合酶是催化氨转变为有机含氮物的主要酶，活性受8种含氮物反馈： 氨基Glc-6-P、Trp、Ala、 Gly、 His和CTP、 AMP、氨甲酰磷酸。 除Gly、Ala，其余含氮物的氮都来自Gln。 （3）、 Pro的合成 （Glu环化而成） （4）、 Arg合成 （5）、 Lys合成

① α-酮戊二酸衍生型（蕈类、眼虫）

② 天冬氨酸、丙酮酸衍生型（植物、细菌）

2） 草酰乙酸衍生类型（Asp、Asn、Met、Thr、Ile、Lys（植物、细菌）） （1）、 Asp合成 （2）、 Asn合成（转移酰胺基） 哺乳动物

（3）、 Met合成 （4）、 Thr合成

Lys、Met、Thr合成中，有一段共同途径，即生成Asp-β-半醛，是一个分枝点化合物。 （5）、 Ile合成 （与Val极为相似） Ile的合成途径与Val极为相似。

6个C中4个来自Asp（Asp → Thr），2个来自丙酮酸，所以也可以归入丙酮酸衍生型。 （6）、 Lys（植物、细菌） P267 图17-5 3） 丙酮酸衍生型（Ala、Val（Ile）、Leu） 4） 3-磷酸甘油酸衍生型（Ser、Gly、Cys）

3、 芳香族氨基酸及His的生成合成 1） Phe、Tyr、Trp的合成

分枝酸 ： 2磷酸烯醇丙酮酸，1个赤藓糖4-P 2）His合成

本章重点：脱氨的几种方式；氨的去路；尿素的合成；氨的转运；脱氨后碳架的去向；a.a.合成中的碳源氮源；Gln、Glu合成；一碳单位及作用

第九章 核酸的降解与核苷酸代谢

一、核苷酸的生物功能 ①合成核酸

②是多种生物合成的活性中间物

糖原合成，UDP-Glc。磷脂合成，CDP-乙醇胺，CDP-二脂酰甘油。 ③生物能量的载体ATP、GTP ④腺苷酸是三种重要辅酶的组分 NAD、FAD、CoA

⑤信号分子cAMP、cGMP

二、核酸和核苷酸的分解代谢

食物中的核酸，经肠道酶系降解成各种核苷酸，再在相关酶作用下，分解产生嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖和磷酸，然后被吸收。吸收到体内的嘌呤和嘧啶，大部分被分解，少部分可再利用，合成核苷酸。人和动物所需的核酸无须直接依赖于食物，只要食物中有足够的磷酸盐，、糖和蛋白质，核酸就能在体内正常合成。因此所谓的“核酸保健品”不过是一个而已。 1、 核酸的酶促降解

核酸是核苷酸以3’、5’-磷酸二酯键连成的高聚物，核酸分解代谢的第一步就是分解为核苷酸，作用于磷酸二酯键的酶称核酸酶（实质是磷酸二酯酶）。

根据对底物的专一性可分为：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、非特异性核酸酶。 根据酶的作用方式分：内切酶、外切酶。 1） 核糖核酸酶

只水解RNA磷酸二酯键的酶（RNase），不同的RNase专一性不同。如： 牛胰核糖核酸酶（RNaseI），作用位点是嘧啶核苷-3’-磷酸与其它核苷酸间的连接键。 核糖核酸酶T1（RNaseT1），作用位点是3’ -鸟苷酸与其它核苷酸的5’-OH间的键。 2） 脱氧核糖核酸酶

只能水解DNA磷酸二酯键的酶。DNase牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseI）可切割双链和单链DNA。产物是以5’-磷酸为末端的寡核苷酸。如：牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseⅠ），降解产物为3’-磷酸为末端的寡核苷酸。

性核酸内切酶：细菌体内能识别并水解外源双源DNA的核酸内切酶，产生3ˊ-OH和5ˊ-P。 PstⅠ切割后，形成3ˊ-OH 单链粘性末端。 EcoRⅠ切割后，形成5ˊ-P单链粘性末端。 3） 非特异性核酸酶

既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯键的核酸酶。

小球菌核酸酶是内切酶，可作用于RNA或变性的DNA，产生3’-核苷酸或寡核苷酸。 蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二脂酶属于外切酶。

蛇毒磷酸二酯酶能从RNA或DNA链的游离的3’-OH逐个水解，生成5’-核苷酸。 牛脾磷酸二脂酶从游离的5’-OH开始逐个水解，生成3’核苷酸。

2、 核苷酸的降解

1） 核苷酸酶 （磷酸单脂酶） 水解核苷酸，产生核苷和磷酸。

非特异性磷酸单酯酶：不论磷酸基在戊糖的2’、3’、5’，都能水解下来。

特异性磷酸单酯酶： 只能水解3’核苷酸或5’核苷酸（3’核苷酸酶、5’核苷酸酶） 2） 核苷酶

① 核苷磷酸化酶：广泛存在，反应可逆。

② 核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆

3、 嘌呤碱的分解

首先在各种脱氨酶的作用下水解脱氨，脱氨反应可发生在嘌呤碱、核苷及核苷酸水平上。 不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因此，终产物也不同。 排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类 排尿囊素动物：哺乳动物（灵长类除外）、腹足类 排尿囊酸动物：硬骨鱼类

排尿素动物：大多数鱼类、两栖类

某些低等动物能将尿素进一步分解成NH3和CO2排出。

植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。 微生物分解嘌呤类物质，生成NH3、CO2及有机酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。

4、 嘧啶碱的分解

人和某些动物体内脱氨基过程有的发生在核苷或核苷酸上。脱下的NH3可进一步转化成尿素排出。

三、嘌呤核苷酸的合成 1、 从头合成 由5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸（5’-PRPP）开始，先合成次黄嘌呤核苷酸，然后由次黄嘌呤核苷酸（IMP）转化为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。

嘌呤环合成的前体：CO2 、甲酸盐、Gln、Asp、Gly A. Gln提供-NH2：N 9 B. Gly：C4、C5、N7 C. 5.10-甲川FHFA：C8 D. Gln提供-NH2：N3 闭环

E CO2：C 6

F. Asp提供-NH2：N 1 G 10-甲酰THFA：C 2

1） 次黄嘌呤核苷酸的合成（IMP） （1）、 磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶（转氨）

5-磷酸核糖焦磷酸 + Gln → 5-磷酸核糖胺 + Glu + ppi 使原来α-构型的核糖转化成β构型 （2）、 甘氨酰胺核苷酸合成酶

5-磷酸核糖胺+Gly+ATP → 甘氨酰胺核苷酸+ADP+Pi （3）、 甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶

甘氨酰胺核苷酸 + N 5 N 10-甲川FH4 + H2O → 甲酰甘氨酰胺核苷酸 + FH4 甲川基可由甲酸或氨基酸供给。 （4）、 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶

甲酰甘氨酰胺核苷酸 + Gln + ATP + H2O → 甲酰甘氨脒核苷酸 + Glu + ADP + pi

此步反应受重氮丝氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸不可逆抑制，这两种抗菌素与Gln有类似结构。 （5）、 氨基咪唑核苷酸合成酶

甲酰甘氨脒核苷酸 + ATP → 5-氨基咪唑核苷酸 + ADP + Pi （1）~（5）第一阶段，合成第一个环（6）、 氨基咪唑核苷酸羧化酶 5-氨基咪唑核苷酸+CO2 → 5-氨基咪唑-4羧酸核苷酸 （7）、 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶

5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸+Asp+ATP → 5-氨基咪唑4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸 （8）、 腺苷酸琥珀酸裂解酶

5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸 → 5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+延胡索酸 （9）、 氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶

5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+N10-甲酰FH4 → 5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+FH4 （10）、 次黄嘌呤核苷酸环水解酶

5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 → 次黄嘌呤核苷酸+H2O 总反应式：

5-磷酸核糖 + CO2 + 甲川THFA + 甲酰THFA + 2Gln + Gly + Asp + 5ATP → IMP + 2THFA + 2Glu + 延胡索酸 + 4ADP + 1AMP + 4Pi + PPi

2） 腺嘌呤核苷酸的合成（AMP）

从头合成：CO2 、2个甲酸盐、2个Gln、1个Gly、（1+1）个Asp、（6+1）个ATP，产生2个Glu、（1+1）个延胡索酸。Asp的结构类似物羽田杀菌素，可强烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，阻止AMP生成。羽田杀菌素： N-羟基-N-甲酰-Gly

3） 鸟嘌呤核苷酸的合成

4）AMP、GMP生物合成的调节

5-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶是关键酶，可被终产物AMP、GMP反馈抑制。AMP过量可反馈抑制自身的合成。GMP过量可反馈抑制自身的合成。

5） 药物对嘌呤核苷酸合成的影响

筛选抗肿瘤药物，肿瘤细胞核酸合成速度快，药物能抑制。

①羽田杀菌素：与Asp竞争腺苷酸琥珀酸合成酶，阻止次黄嘌呤核苷酸转化成AMP。 ②重氮乙酰丝氨酸、6-重氮-5-氧正亮氨酸，是Gln的结构类似物，抑制Gln参与的反应。 ③氨基蝶呤、氨甲蝶呤：叶酸的结构类似物，能与二氢叶酸还原酶发生不可逆结合，阻 止FH4的生成，从而抑制FH4参与的各种一碳单位转移反应。

2、 补救途径

利用已有的碱基和核苷合成核苷酸

1、 磷酸核糖转移酶途径（重要途径）

嘌呤碱和5-PRPP在特异的磷酸核糖转移酶的作用下生成嘌呤核苷酸 2、 核苷激酶途径（但在生物体内只发现有腺苷激酶）

腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下转化为腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下与ATP反应，生成腺嘌呤核苷酸。

嘌呤核苷酸的从头合成与补救途径之间存在平衡。Lesch-Nyan综合症就是由于次黄嘌 呤：鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷，AMP合成增加，大量积累尿酸，肾结石和痛风。

四、 嘧啶核苷酸的合成 1、 从头合成

与嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸时，首先合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合，生成尿嘧啶核苷酸，最后由尿嘧啶核苷酸转化为胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。

合成前体：氨甲酰磷酸、Asp 1） 尿嘧啶核苷酸的合成 氨甲酰磷酸的合成所需的酶： （1） 天冬氨酸转氨甲酰酶 （2） 二氢乳清酸酶

（3） 二氢乳清酸脱氢酶（辅基：FAD、FMN） （4） 乳清苷酸焦磷酸化酶 （5） 乳清苷酸脱羧酶 2） 胞嘧啶核苷酸的合成

尿嘧啶核苷三磷酸可直接与NH3（细菌）或Gln（植物）反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。 3） 嘧啶核苷酸生物合成的调节（大肠杆菌） 氨甲酰磷酸合成酶： 受UMP反馈抑制 天冬氨酸转氨甲酰酶：受CTP反馈抑制 CTP合成酶： 受CTP反馈抑制 4） 药物对嘧啶核苷酸合成的影响

有多种嘧啶类似物可抑制嘧啶核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合

成。 5-氟尿嘧啶在人体内转变成相应的核苷酸，再转变成脱氧核苷酸，可抑制脱氧胸腺嘧啶核酸合成酶，干扰尿嘧啶脱氧核苷酸经甲基化生成脱氧胸苷的过程，DNA合成受阻。

2、 补救途径

（1） 嘧啶核苷激酶途径（重要途径）

嘧啶碱与1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP。

（2） 磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）

五、脱氧核苷酸的合成

脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸衍生而来的。

（1）腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原，将核糖第二位碳原子的氧脱去，即成为相应的脱

氧核糖核苷酸。

（2）胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：先由尿嘧啶核糖核苷酸还原形成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸，然后尿嘧啶再经甲基化转变成胸腺嘧啶。 1、 核糖核苷酸的还原

ADP、GDP、CDP、UDP均可分别被还原成相应的脱氧核糖核苷酸：dADP、dGDP、dCDP、dUDP等，其中dUDP甲基化，生成dTDP。

还原反应一般在核苷二磷酸（NDP）水平上进行，ATP、dATP、dTTP、dGTP是还原酶的变构效应物，个别微生物（赖氏乳菌杆菌）在核苷三磷酸水平上还原（NTP）。

1） 核苷酸还原酶系

由硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核苷酸还原酶（B1、B2）三部分组成。 B1、B2亚基结合后，才具有催化活性。

B1上的巯基和B2上的酪氨酸残基是活性中心的催化基因。 另外核苷酸还原酶所需的还原当量还可来自谷胱甘肽。 ①硫氧还蛋白 -SH

②硫氧还蛋白还原酶、辅酶FAD ③谷胱甘肽氧还蛋白（酶） ④谷胱甘肽还原酶 -SH ⑤核苷酸还原酶（RR）-SH

2） 核苷酸还原酶结构模型及催化机理 （1）、 结构模型

B1亚基上有两个调节部位，一个影响整个酶的活性（一级调节部位），另一个调节对底物的专一性（底物结合部位）

一级调节部位：ATP是生物合成的信号分子，而dATP是核苷酸被还原的信号。 底物调节部位：.①与ATP结合，可促进嘧啶类的UDP、CDP还原成dUDP、dCDP；②与dTTP或dGTP结合，可促使GDP（ADP）还原成dGDP（dADP） （2）、 催化机理 自由基催化转换模型。 3） 脱氧核苷酸的补救（脱氧核苷激酶途径）

脱氧核苷酸也能利用已有的碱基或核苷进行合成（补救途径），但只有脱氧核苷激酶途径，不存在类似的磷酸核糖转移酶途径

2、 胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成

由尿嘧啶脱氧核苷酸（dUMP）经甲基化生成。 Ser提供甲基，NADPH提供还原当量。

四氢叶酸是一碳的载体，参与嘌呤核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成。

氨基嘌呤、氨甲蝶呤是叶酸的类似物，能与二氢叶酸还原酶不可逆结合，阻止FH4的生成，从而抑制FH4参与的一碳单位的转移。可用于抗肿瘤。

第十章 DNA的生物合成

生物体的遗传信息储存在DNA中，并通过DNA的复制由亲代传给子代。在子代的生长发育中遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成蛋白质以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。 1958年，F.Crick提出中心法则：

（1）以原DNA分子为模板，合成出相同DNA分子的过程。

（2）以某一段DNA分子为模板，合成出与其序列对应的RNA分子的过程。 （3）以mRNA为模板，根据三联密码规则，合成对应蛋白质的过程。 中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。（实际上10、11、12这三章分别讲述了中心法则的三个主要环节）

DNA生物合成有两种方式：DNA复制和反转录

DNA体内复制涉及：原核、真核生物的染色体、细菌质粒（环状，双链）、真核细胞器DNA（线粒体、叶绿体）、病毒（双链，环状） DNA的体外复制：分子克隆。

一、DNA的复制

1、 DNA半保留复制

在复制过程中，首先亲代双链解开，然后每条链作为模板，在其上合成互补的子代链，结果新形成的两个子代DNA与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样，而且每个子代DNA分子中有一条链完全来自亲代DNA，另一条是新合成的。

1958年，Meselson和Stahl用15N标记E.coli. DNA，然后密度梯度离心，证明了DNA的复制是半保留复制。

1963年，Cairns用放射自显影法，在显微镜下首次观察到完整的正在复制的E. coli. 染色体DNA。用3H-脱氧胸苷标记E.coli. DNA ，经过将近两代时间，用溶菌酶消化细胞壁，将E.coli. DNA转至膜上，干燥，压感光胶片，3H放出β粒子，还原银，在光学显微镜下观察。用这种方法证明了大肠杆菌染色体DNA是一个环状分子，并以半保留的形式进行复制。

DNA的半保留复制可以说明DNA在代谢上的稳定性。经过多代复制，DNA的多核苷酸链仍可以保持完整，并存在于后代而不被分解掉。

二、 复制起点、单位和方向

DNA的复制是在起始阶段进行控制的，一旦复制起始，它就会继续下去直到整个复制子完成复制。 1、 复制起点

复制起点是以一条链为模板起始DNA合成的一段序列。有时，两条链的复制起点并不总是在同一点上（如D环复制）。 在一个完整的细胞周期中，每一个复制起点只使用一次，完成一次复制过程。多数生物的复制起点，都是DNA呼吸作用强烈（甲醛变性实验）的区段，即经常开放的区段，富含A.T。 2、 复制单位

复制子(Replicon)：Genome能进行复制的单位，每个复制子都含有一个复制起点。

原核生物的染色体和质粒、真核生物的细胞器DNA都是环状双链分子，它们都是单复制子，都在一个固定的起点开始复制，复制方向大多数是双向的，少数是单向复制。多数是对称复制，少数是不对称复制（一条链复制后才进行另一条链的复制）。

环状DNA的复制眼象θ，称θ形复制。

真核生物的染色体DNA是线形双链分子，含有许多复制起点，因此是多复制子，每个复制子约有100-200Kbp。人体细胞平均每个染色体含有1000个复制子。

病毒DNA多种多样，环状或线形，双链或单链，但都是单复制子。 3、 复制方向

定点起始，复制方向大多数是双向的（等速进行或异速进行），形成两个复制叉，少数是单向复制，形成一个复制叉。

4、 DNA的几种复制方式 （1）、 直线双向复制 单点，双向，T7

多点，双向，真核染色体DNA （2）、 θ型复制：环状双链DNA，单向或双向（E .coli.）

（3）、 滚环复制：环状单链DNA，Φx174 （4）、 D环复制：线粒体、叶绿体DNA （5）、 多复制叉复制：

第一轮复制尚未完成，复制起点就开始第二轮的复制。

在E.coli.富营养时，可采取多复制叉复制方式。E.coli. DNA的复制最快可达50Kb/min，完全复制需40min，富营养时，20min。而真核染色体要6-8小时。

三、 与DNA复制有关的酶及蛋白质因子

目前已发现30多种酶及蛋白质因子参与DNA复制 （一） DNA的聚合反应和聚合酶 DNA生物合成5，→3，，化学合成3，→5， 1、 DNA聚合反应必备的条件 ⑴ DNA聚合酶

⑵ DNA模板(反转录时用RNA模板) ⑶引物 (DNA、RNA或蛋白质) ⑷ 4种dNTP ⑸ Mg2+

2、 聚合反应过程及特点 总反应式：

n1dATP DNA pol . dAMP

n2dGTP +DNA dGMP DNA+（n1+n2+n3+n4）PPi n3dCTP Mg2+ dCMP n4dTTP dTMP 在链的延长过程中，链的游离3，-羟基，对进入的脱氧核糖核苷三磷酸α磷原子发生亲核攻击，生成3，.5，-磷酸二酯键，并脱下焦磷酸。 DNA聚合酶的反应特点： ⑴ 以4种dNTP为底物

⑵ 反应需要接受模板的指导，不能催化游离的dNTP的聚合。 ⑶ 反应需有引物3，-羟基存在 ⑷ 链生长方向5， → 3，

⑸ 产物DNA的性质与模板相同

3、 由DNA聚合酶催化的几种DNA聚合类型

（1） 发荚环结构：加入单链DNA作为模板和引物，3＇羟基端回折成引物链。 （2） 末端延伸聚合：加入双链DNA作为模板和引物，3’末端突出作为模板。 （3） 分枝型和切口平移型聚合：加入双链DNA，聚合发生在切口或末端单链区。 （4） 环形聚合：加入带引物的环形DNA作为模板。 4、 E.coli DNA聚合酶 （1）、 E.coli. DNA pol.I（Kornberg酶，400 copy/cell）

单体酶，分子量109Kd，含一个Zn2+，每个细胞中含400个DNA pol.Ⅰ 催化活性：

5， → 3， 聚合活性 3， → 5， 外切活性 5， → 3， 外切活性

用蛋白水解酶将DNA pol.Ⅰ部分水解可得： 大片段（Klenow），75Kd，活性：5， → 3，聚合活性、3， → 5，外切活性。

小片段，36Kd，活性：5， → 3，外切活性（只作用于双链DNA的碱基配对部分，切除修复）。 Klenow片段的用途： a 补齐DNA 3，隐缩未端 b. 标记DNA片段未端 c．cDNA合成第二链 d．d DNA测序 （2）、 E.coli. DNA Pol.Ⅱ（100 copy/cell） 单体酶，分子量120Kd

催化活性：5，→ 3，聚合(活性很低) 3，→ 5，外切

可能在DNA的修复中起某中作用。 （3）、 E.coli.DNA pol.Ⅲ（复制酶，10-20 copy/cell）

寡聚酶，全酶由10种共22个亚基组成，α、ε和θ三种亚基组成核心酶。 DNA pol.Ⅲ是合成新链DNA主要的酶，又称复制酶(Replicase)

Pol.Ⅲ的5，→3，外切酶活性只作用于单链DNA。 ★DNA聚合酶有6个结合位点 ⑴ 模板DNA结合位点 ⑵ 引物结合位点

⑶ 引物3，-OH位点、反应位点 ⑷ 底物dNTP结合位点

⑸ 5， → 3， 外切位点(pol.Ⅱ没有) ⑹ 3， → 5， 外切位点(校正) 5、 真核生物DNA聚合酶

真核DNA聚合酶一般不具备外切活力，可能由另外的酶在DNA复制中起校正功能。 ⑴ DNA聚合酶α，多亚基，功能与E.coli. pol.Ⅲ类似，是真核DNA复制酶。 ⑵ DNA聚合酶β，主要在DNA损伤的修复中起作用。

⑶ DNA聚合酶γ，从线粒体得到，可能与线粒体DNA的复制有关。 ⑷ DNA聚合酶δ，特点：有3， → 5，外切活力 （二） 引物酶或RNA聚合酶（引发酶）

细胞内，DNA的复制需要引物（DNA或RNA），引物酶或RNA聚合酶可合成6-10个碱基的RNA引物。 ★DNA复制为什么要用RNA引物？（为什么DNA聚合酶要用引物，RNA聚合酶不需要引物？） ⑴从模板复制最初几个核酸时，碱基堆集力和氢键都较弱，易发生错配

⑵新复制的最初几个核苷酸，没有与模板形成稳定双链，DNA聚合酶的5，→3，校对功能难发挥作用。 （三） 解螺旋酶

大肠杆菌的解螺旋酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与rep蛋白共同作用，将DNA两条链解开。

解螺旋酶I、II、III沿着模板链的5’→3’方向随着复制叉的前进而移动，而rep蛋白则在另一条模板链上沿3’→5’方向移动。 （四） DNA旋转酶

属DNA拓扑异构酶Ⅱ，可引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。 拓扑异构酶分两类：I和II，广泛存在于原核生物和真核生物。

拓扑异构酶I使DNA的一条链发生断裂和再连接，反应无须供给能量，主要集中在活性转录区，与转录有关。

拓扑异构酶Ⅱ使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要由ATP供给能量。分布在染色质骨架蛋白和核基质部，与复制有关。 （五） 单链DNA结合蛋白（SSB）

复制叉上的解螺旋酶，沿双链DNA前进，产生单链区，大量的单链DNA结合蛋白与单链区结合，阻止复性和保护单链DNA不被核酸酶降解。 （六） DNA连接酶（ligase） 连接双链DNA上的切口。

大肠杆菌连接酶只能在模板上连接DNA缺口。T4DNA ligase即可连接粘性末端的DNA，又可连接平齐末端的双链DNA。

E.coli.和其它细菌的DNA ligase以NAD为能源，动物细胞和噬菌体DNA ligase以ATP为能源。 （七） DNA复制的拓扑结构

四、 DNA的半不连续复制 DNA的半不连续复制

DNA聚合酶催化的方向是5，→3，。

前导链：延伸方向与复制叉移动方向相同的子代DNA链。 滞后链：延伸方向与复制叉移动方向相反的子代DNA链。 1968年，发现冈崎片段。长度：

细菌：1Kb-2Kb，相当于一个顺反子的大小。

真核：100-200bp，约等于一个核小体DNA的长度。 五、 DNA复制过程（E.coli.） 大肠杆菌的复制体结构示意图 1、 复制的起始

引发：当DNA的双螺旋解开后，合成RNA引物的过程。

引发体：引物合成酶与各种蛋白质因子（dnaB、dnaC、n、n＇n＇＇I）构成的复合体，负责RNA引物的合成。

引发体沿着模板链5’→3’方向移动（与冈崎片段合成的方向正好相反，而与复制叉移动的方向相同），移到一定位置上即可引发RNA引物的合成。

E.coli.DNA复制原点ori C，由245bp组成，三组13bp重复序列（近5，端处），四组9 bp重复序列（另一端处）。

大肠杆菌复制原点起始复制所需蛋白质：

DNaA 在原点处打开双螺旋 DNaB 使DNA解旋

DNaC DNaB结合在原点所需 Hu 刺激起始

引物酶（DNaG） 合成RNA引物 SSB 结合单链DNA

RNA聚合酶 促进DNaA活性 旋转酶 松驰DNA扭曲应力

20个DnaA结合在四组9bp重复区，形成起始复合物，DNA环绕此复合物。 三组13bp重复区依次变性，产生开放型复合物。

DnaB（在DnaC协助下）与开放复合物结合，进一步解链。 2、 DNA链的延长反应

前导链只需要一个RNA引物，后随链的每一个冈崎片段都需要一个RNA引物，链的延长反应由DNA pol.Ⅲ催化。

复制体：在DNA合成的生长点（既复制叉上）分布着许多与复制有关的酶和辅助因子，它们在DNA的模板链形成离散的复合物，彼此配合进行高度精确的复制，称为复制体。 复制体沿着复制叉方向前进就合成DNA。 3、 RNA引物的切除及缺口补齐

DNA polⅠ的5， → 3，外切活力，切除RNA引物。 DNApolⅠ的5， → 3，合成活性补齐缺口。 4、 DNA切口的连接

DNA ligase，动物、真核由ATP供能，原核由NAD供能。 5、 DNA合成的终止

环状DNA、线性DNA，复制叉相遇即终止。

u 小结：

⑴ DNA解螺旋酶解开双链DNA。 ⑵ SSB结合于DNA单链。

⑶ DNA旋转酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。 ⑷ DNA引物酶(在引发体中)合成RNA引物。 ⑸ DNA pol.Ⅲ在两条新生链上合成DNA。 ⑹ DNA polⅠ切除RNA引物，并补上DNA。 ⑺ DNA ligase连接一个冈崎片段。

DNA复制过程中，聚合酶对dTTP和dUTP的分辨能力高,有少量dUTP掺入DNA链中，此时，U-糖苷酶、AP内切酶、DNA polⅠ、DNA ligase共同作用，切除尿嘧啶，接上正确的碱基。 六、 真核生物DNA的复制 1、 复制起点和单位

真核生物染色体DNA是多复制子，有多个复制起点，可以多点起始，分段进行复制。每个复制子大多在100-200bp之间，比细菌染色体DNA（单复制子）小得多。

★试验证据：5-氟脱氧胞苷标记

真核生物DNA复制叉移动的速度此原核的慢，如哺乳动物复制叉移动的速度每分钟1-3Kb，细菌每分钟5Kb。

真核生物染色体全部复制完成前，起点不再从新开始复制。而在快速生长的原核生物中，起点可以连续发动复制。真核生物在快速生长时，可采用更多的复制起点同时复制。如黑腹果蝇，早期胚胎细胞中相邻复制起点的平均距离为7.9kb，而在培养的成体细胞中，平均距离为40kb，成体细胞只利用一部分复制起点。 2、 复制过程中组蛋白的装配 核小体的结构（200bp左右）

在真核生物的复制子上，亲代染色体的核小体被逐个打开，组蛋白以完整的八聚体形式直接转移到子代DNA的前导链上，新合成的组蛋白与后随链组装成核小体。因此，DNA的复制是半保留的，而组蛋白则是全保留的。

3、 真核生物DNA复制的终止

端粒：一段DNA序列与蛋白质形成的一种复合体，是真核细胞染色体末端所特有的结构。 功能：

⑴保证线性DNA的完整复制 ⑵保护染色体末端

⑶决定细胞寿命，胚系细胞含端粒酶，体细胞不表达端粒酶。

端粒（telomeres）分布于线性真核染色体未端。酵母端粒约100bp的重复序列，形式为：5，（TxGy）n3，(AxCy) n，x和y一般为1—4。

端粒末端的重复序列，通过端粒酶（telomerase）将其加到染色体末端。

端粒酶含有RNA和蛋白质（起DNA聚合酶的作用）两种组分，RNA分子约159b，含有多个CyAx重复序列，RNA分子用作端粒TxGy链合成的模板。端粒酶是一种反转录酶，它只合成与酶自身的RNA模板互补的DNA片段。

人类体细胞的端粒长度，随个体年龄增加而逐渐缩短。细胞每一次，端粒缩短50-200bp，短至1-4Kbp时，细胞就停止。若能重建端粒，则细胞可以永远。恶性肿瘤细胞端酶表达多。 七、 DNA复制的 八、 DNA复制的真实性

生物体DNA复制具有高度真实性，复制10-7-10-11碱基对,只有一个错误碱基。碱基对的自由能通常在4-13KJ/mol，这样的自由能相当于平均参入100个核苷酸就可能出现一次错配，仅靠Watson-Crick双螺旋的碱基配对原则，突变率将高达10-2 。 1、 DNA聚合酶对碱基的选择作用

酶的被动论：不同的核苷酸在聚合位点停留时间不同，正确的dNTP能长时间停留，而参与聚合。DNA聚合酶能依照模板的核苷酸，选择正确的dNTP掺入引物末端。

酶积极参与理论：DNA聚合酶对正确与错误的核苷酸，不仅亲和性不同，而且将它们插入DNA引物端的速度也不同。

动力学校正阅读：在新的磷酸二酯键未形成时，dNTP结合在酶与模板—引物复合物的聚合位点上，DNA聚合酶能识别正确与错误的dNTP。

DNA聚合酶对底物的识别作用，DNA聚合酶有两种底物，一种是DNA模板—引物，另一种是dNTP。 DNA聚合酶先识别DNA模板和引物的3，未端，再识别底物dNTP，是一种有序的识别过程。 2、 3，→5，外切活性的校正阅读

E. coli. DNA pol.Ⅰ和pol.Ⅲ有3，→5，外切活性，可删除错误插入的核苷酸。

缺失3， →5，外切活性的E. coli. DNA pol.Ⅰ，催化DNA合成时，出现错误的几率增高5-50倍。因此，3，→5，外切活性可以使DNA复制的真实性，提高1-2个数量级。 3、 影响DNA合成真实性的因素

⑴高浓度NMP(如3，-AMP, 5，-GMP)

NMP竞争酶的dNTP结合位点，抑制3，→5，外切活性。

⑵某一种dNTP浓度银高,可使引物3，末端离开外切活性中心。 ⑶dNTP 一般与二价阳离子结合成活化形式，Mg2+为主要的二价阳离子。当用其它二价阳离子（如Mn2+）代替Mg2+时，会改变酶的主体结构，影响聚合活性和3，→3，外切活性。 4、 为什么用RNA引物

⑴从模板复制最初几个核酸时，碱基堆集力和氢键都较弱，易发生错配

⑵新复制的最初几个核苷酸，没有与模板形成稳定双链，DNA聚合酶的5，→3，校对功能难发挥作用。

DNA的损伤及修复

DNA的损伤：一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起DNA损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。紫外线可使DNA分子中同一条链上两个相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成二聚体（TT），两个T以共价键形成环丁烷结构。CT、CC间也可形成少量二聚体（CT、CC），使复制、转录受阻。

细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去DNA上的损伤，恢复DNA的双螺旋结构。目前已知有4种酶修复系统：光复活、切除修复、重组修复、SOS反应诱导的修复，后三种不需要光，又称为暗修复。

一、 直接修复

1949年已发现光复活现象，可见光（最有效400nm）可激活光复活酶，此酶能分解由于紫外线形成的嘧啶二聚体。高等哺乳动物没有此酶。

A 形成嘧啶二聚体 B. 光复合酶结合于损伤部位 C 酶被可见光激活 D. 修复后释放酶 二、 切除修复

在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除，并以完整的那一条链为模板，合成出切去部分，DNA恢复正常结构。 I、结构缺陷的修复：

（1）核酸内切酶识别DNA损伤部位，在其附近将其切开。 （2）核酸外切酶切除损伤的DNA。 （3）DNA聚合酶修复。 （4）DNA连接酶连接。

切除修复发生在DNA复制之前，而当DNA发动复制时尚未修复的损伤部位，可以先复制，再重组修复。

在重组修复过程中，DNA链的损伤并未除去，但相当于被稀释了。因为受损伤的链没有增加。 四、 易错修复和应急反应（SOS反应）

诱导修复是细胞DNA受到严重损伤或DNA复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的一系列诱导性修复。SOS反应广泛存在于原核生物和真核生物，它是生物在极为不利的环境中求得生存的一种基本功能。

RNA指导的DNA合成（反转录）

反转录（reverse transcription）：以RNA为模板，合成DNA。与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。

1970年，Temin 和Baltimore分别从致癌RNA病毒（劳氏肉瘤病毒和鼠白血病病毒）中发现发反转录酶。致癌RNA病毒是一大类能引起鸟类、哺乳类等动物白血病、肉瘤以及其它肿瘤的病毒。这类病毒侵染细胞后并不引起细胞死亡，却可以使细胞发生恶性转化。经过改造后可以作为基因治疗的载体。

放线菌素D（抑制以DNA为模板的反应，复制和转录）能抑制致癌RNA病毒的复制，可见致癌RNA病毒的复制过程必然涉及DNA。Bader 用嘌呤霉素（puromycin）来抑制静止细胞蛋白质的合成，发现这种细胞仍能感染劳氏肉瘤病毒（RSV），证实反转录酶是由反转录病毒带入细胞的，而不是感染后在宿主细胞中新合成的。

一、 反转录酶

由一个α亚基和一个β亚基组成，含有Zn2+，具有三种酶活力。 （1）RNA指导的DNA聚合酶活力（以RNA为模板，合成一条互补的DNA，形成RNA—DNA杂种分子）。 （2）RNase H酶活力，水解RNA—DNA杂种分子中的RNA，可沿3’→5’和5’→3’两个方向起外切酶作用。 （3）DNA指导的DNA聚合酶活力。 模板：RNA或DNA

以自身病毒类型的RNA为模板时，该酶的反转录活力最大，但是带有适当引物的任何种类的RNA都能作为合成DNA的模板。 引物：RNA或DNA 底物：dNTP

二价阳离子：Mg2+或Mn2+

真核mRNA3’端有polyA，加入oligo dT后，可以作为反转录酶的模板，合成cDNA。

二、 病毒RNA的反转录过程

所有已知的致癌RNA病毒都含有反转录酶，因此被称为反转录病毒（retrovirus），反转录病毒的复制需要经过一个DNA中间体（前病毒）。 1、 反转录病毒的基因组结构 （1） 反转录病毒基因组通常由两条相同的（+）RNA链组成。5’端附近区域以氢键结合在一起，全长7-10Kb。 （2） 每一条RNA链的两端具有相同的序列，形成正向重复序列。 （3） 5’端有帽子结构，3’端有polyA，与真核mRNA相似。

（4） 5’端带有1分子的宿主tRNA，作为反转录时的引物。某些鸟类反转录病毒携带的是tRNAtrp，鼠类是tRNApro

2、 反转录过程。

当致癌RNA病毒侵染宿主细胞时，病毒RNA及反转录酶一起进入宿主细胞，病毒自身带入的反转录酶使RNA反转录成双链DNA。

（1） 以病毒（+）RNA为模板，合成互补的（－）DNA。 （2） 切除RNA—DNA杂种分子中的RNA。

（3） 以（－）DNA链为模板，合成（+）DNA链，最后形成两端带有LTR（长末端重复序列）的双链DNA。

反转录病毒只有整合到宿主染色体DNA后才能被转录，转录产物经拼接可以产生不同的病毒mRNA。LTR（长末端重复序列）对前病毒DNA整合到宿主染色体DNA以及整合后的转录均起着重要作用。 反转录病毒合成的过程：缺口的模板（基因组）RNA，在U3旁生成一个正链DNA的合成RNA的引物，而其余的模板RNA被降解。正链DNA合成开始，复制。 3、 反转录病毒的生活周期

（1） 病毒粒子侵染细胞，病毒RNA和反转录酶一起进入细胞。 （2） RNA被反转录成双链DNA（前病毒），环化，进入细胞核。 （3） 反转录病毒的DNA整合到宿主染色体DNA中。

（4） 前病毒DNA进行复制，转录出功能基因、基因组RNA和病毒蛋白。

（5） 基因组RNA和病毒蛋白在胞质中组装成新病毒粒子，转移到质膜，通过出芽方式释放新病毒粒子。

三、 反转录的生物学意义。

1．反转录酶存在于所有致癌RNA病毒中，它的存在与RNA病毒引起细胞恶性转化有关。 2．艾滋病毒（AIDS） 人类免疫缺陷病毒（HIV），也是一种反转录病毒，主要感染T4淋巴细胞和B淋巴细胞。病毒粒子直径100nm，球状，粒子外包被两层脂质质膜，膜上有糖蛋白（gp120、gp41），另有两层衣壳蛋白p24、p18。

HIV基因组由两条单链正链RNA组成，每个链长9.7kb，RNA 5，端有帽子结构，3’端有PolyA，链上结合有反转录酶。 3．乙肝病毒

大蛋白、中蛋白、主蛋白（表面抗原） 核心抗原

双链环状DNA

4、真核生物正常细胞内也存在反转录过程

真核生物的谈色体基因组中存在为数众多的逆假基因和逆基因。

逆假基因：无启动子和内含子，但有polyA的残基，推测是由mRNA反转录后整合到基因组中去的。 逆基因：具有启动子和转录功能，无内含子。可能是由于mRNA反转录后刚好整合到启动子的下游处，或者是带启动子的RNA序列反转录后整合到基因组中

DNA合成技术

一、 cDNA合成

1、 cDNA文库的构建

cDNA：以mRNA为模板，用反转录酶合成第一链，去除mRNA，合成的第二链。 cDNA文库是获得真核结构基因的最好方法，成熟的mRNA无内含子。 （1）、 真核mRNA的分离纯化 （2）、 cDNA合成（反转录酶） （3）、 cDNA与载体连接 （4）、 重组体的转化 （5）、 扩增、保存

2、 获取特定mRNA的cDNA （1）免疫法分离特定的mRNA （2）PCR法

二、 PCR技术（聚合酶链式反应）Polymerase chain Reaction 以目的基因或DNA片段为模板，在引物介导及Taq DNA聚合酶催化下，在体外用核苷酸大量合成目的基因或DNA片段。

它能快速、专一地扩增所希望得到的目的基因或DNA片段。 1、 反应物 （1）模板 单、双链DNA或cDNA都可以作为PCR的模板，若以RNA为起始材料，则须经反转录，获得第一条cDNA后才能用于PCR。 （2）Taq DNA聚合酶

DNA聚合酶是进行PCR扩增的关键，从水生栖热菌（Thermus aquaticns VT-1）分离出来。

Taq DNA聚合酶有很好的热稳定性，92.5℃处理130min，仍保留50%的酶活性，在74℃活性最高，错误掺入核苷酸的比率为1/7500。 （3）引物

引物是决定PCR结果的关键，它由寡核苷酸组成，15-30个b （4）核苷酸dNTP

dNTP的浓度50-200umul/L。 （5）镁离子Mg2+ 2、 PCR原理 变性 95℃ 复性 55℃ 延伸 72℃

第十一章 RNA的生物合成

RNA的生物合成包括转录和RNA的复制。 转录（transcription）：以一段DNA的遗传信息为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程，或在DNA指导下合成RNA。

转录产物：mRNA 、rRNA、 tRNA、小RNA

除某些病毒基因组RNA外，绝大多数RNA分子都来自DNA转录的产物。 转录研究的主要问题：

①RNA聚合酶 ②转录过程 ③转录后加工 ④转录的

①~③是基本内容，④是目前研究的焦点，转录是基因的核心。 转录与DNA复制的异同：

相同：要有模板，新链延伸方向5’→3’，碱基的加入严格遵循碱基配对原则。 相异：①复制需要引物，转录不需引物。

②转录时，模板DNA的信息全保留，复制时模板信息是半保留。

③转录时，RNA聚合酶只有5’→3’聚合作用，无5’→3’及3’→5’外切活性。 转录是基因表达的第一步，也是最关键的一步。 基因表达的终产物：①RNA ②蛋白质 转录过程涉及两个方面 ①RNA合成的酶学过程

②RNA合成的起始信号和终止信号，即DNA分子上的特定序列。 DNA正链：与mRNA序列相同的DNA链。 负链：与正链互补的DNA链。

转录单位的起点核苷酸为+1，起点右边为下游（转录区），转录起点左侧为上游，用负数表示：-1，-2，-3。

DNA指导的RNA合成（转录）

RNA链的转录，起始于DNA模板的一个特定位点，并在另一位点终止，此转录区域称为一个转录单位。一个转录单位可以是一个基因（真核），也可以是多个基因（原核）。

基因的转录是有选择性的，细胞不同生长发育阶段和细胞环境条件的改变，将转录不同的基因。

转录的起始由DNA上的启动子区控制，转录的终止由DNA上的终止子控制，转录是通过DNA指导的RNA聚合酶来实现的。

一、 RNA聚合酶 RNA合成的基本特征

①底物：NTP（ATP、GTP、CTP、UTP） ②RNA链生长方向：5’→3’ ③不需引物 ④需DNA模板 反应：

1、 E.coli RNA聚合酶（原核生物）

E.coli和其它原核细胞一样，只有一种RNA聚合酶，合成各种RNA（mRNA、tRNA、rRNA）。

一个E.coli细胞中约有7000个RNA聚合酶分子，在任一时刻，大部分聚合酶（5000左右）正在参与RNA的合成，具体数量依生长条件而定。

E.coli RNA聚合酶全酶|（holoenzyme）分子量46万Da，由六个亚基组成，α2ββ’ ζω，另有两个Zn2+。 无ζ亚基的酶叫核心酶，核心酶只能使已开始合成的RNA链延长，而不具备起始合成活性，加入ζ亚基后，全酶才具有起始合成RNA的能力，因此，ζ亚基称为起始因子。 E.coli RNA聚合酶各亚基的大小与功能：

亚基 亚基数 分子量（KD） 基因 功能

β’ 1 160 rpoC 模板DNA结合

β 1 150 rpoB 与核苷酸结合，起始和催化部位。 ζ 1 70 rpoD 起始识别因子

α 2 37 rpoA 与DNA上启动子结合 ω 1 不详

不同的细菌，β’、β、α亚基分子量变化不大，ζ亚基分子量变化较大，44KD~92KD。

ζ亚基的功能：核心酶在DNA上滑动，ζ亚基能增加酶与DNA启动子的结合常数，增加停留时间，使聚合酶迅速找到启动子并与之结合，ζ亚基本身无催化活性。 不同的ζ因子识别不同的启动子，从而表达不同的基因。

不同的原核生物，都具有相同的核心酶，但ζ亚基有所差别，这决定了原核基因表达的选择性。

RNA聚合酶的催化活性：RNA聚合酶以完整的双链DNA为模板，转录时DNA的双链结构部分解开，转录后DNA仍然保持双链的结构。

核心酶覆盖60bp的DNA区域，其中解链部分17bp左右，RNA-DNA杂合链约12bp。

纯的RNA聚合酶，在离体条件下可转录双链DNA，但在体内，DNA的两条链中只有一条可用于转录，这

可能是由于RNA聚合酶在分离时丢失了ζ亚基引起的。

解旋和重新螺旋化也是RNA聚合酶的内在特性，在酶的前端解螺旋，在后端以相反方向重新螺旋化，活体状况中，可能还有其它酶活性来帮助调整DNA的拓扑学性质。 37℃时，RNA聚合酶的聚合速度可达40~100个核苷酸/秒 2、 真核生物RNA聚合酶

真核生物的转录机制要复杂得多，有三种细胞核内的RNA聚合酶：RNA聚合酶I转录rRNA，RNA聚合酶II转录mRNA，RNA聚合酶III转录tRNA和其它小分子RNA。这三种RNA聚合酶分子量都在50万左右，亚基数分别为6-15。

动物、植物、昆虫等不同来源的细胞，RNApolⅡ的活性都可被低浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而RNApolⅠ不受抑制。

动物RNApolⅢ受高浓度的α-鹅膏蕈碱抑制，而酵母、昆虫的RNApolⅢ不受抑制。

除了细胞核RNA聚合酶外，还分离到线粒体和叶绿体RNA聚合酶，它们的结构简单，能转录所有种类的RNA，类似于细菌RNA聚合酶。

3、 噬菌体T3和T7编码的RNA聚合酶 仅为一条分子量11KD的多肽链，这些聚合酶只需要识别噬菌体DNA的少数启动子，并无选择地与其作用，37℃时的聚合速度200nt/秒。

二、 RNA聚合酶催化的转录过程（E.coli） 1、 起始

RNA聚合酶结合到DNA双链的特定部位，局部解开双螺旋，第一个核苷酸掺入转录起始位点，从此开始RNA链的延伸。

在新合成的RNA链的5’末端，通常为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷（pppG或pppA），即合成的第一个底物是GTP或ATP。

起始过程中，ζ因子起关键作用，它能使聚合酶迅速地与DNA的启动子结合，ζ亚基与β’结合时，β’亚基的构象有利于核心酶与启动子紧密结合，。 正链：与mRNA序列相同的两、链。 负链：模板链。

转录起点是+1，上游是-1。 2、 延长

转录起始后，ζ亚基释放，离开核心酶，使核心酶的β’亚基构象变化，与DNA模板亲和力下降，在DNA上移动速度加快，使RNA链不断延长。

转录起始后，ζ亚基便从全酶中解离出来，然后nusA亚基结合到核心酶上，由nusA亚基识别序列序列。 3、 终止

RNA聚合酶到达转录终止点时，在终止辅助因子的帮助下，聚合反应停止，RNA链和聚合酶脱离DNA模板链，nusA又被ζ亚基所取代。

由此形成RNA聚合酶起始复合物与终止复合物两种形式的循环

三、 启动子和转录因子

启动子：RNA聚合酶识别、结合并开始转录所必需的一段DNA序列。

转录因子：RNA聚合酶在进行转录时，常需要一些辅助因子（蛋白质）参与作用，此类蛋白质统称为转录因子。

足迹法和DNA测序法确定启动子的序列结构。 （一） 原核启动子结构与功能

分析比较上百种启动子序列，发现不同的启动子都存在保守的共同序列，包括RNA聚合酶识别位点和结合位点。 （1）、 -10序列（Pribnow框） 在转录起点上游大约-10处，有一个6bp的保守序列TATAAT，称Pribnow框。此段序列出现在-4到-13bp之间，每个位点的保守性在45%-100%。 频度： T A T50 A65 A65 T100

据预测，Pribnow框中，一开始的TA和第6位最保守的T在结合RNA聚合酶时起十分重要的作用。

目前认为，Pribnow框决定转录方向。酶在此部位与DNA结合形成稳定的复合物，Pribnow框中DNA序列在转录方向上解开，形成开放型起始结构，它是RNA聚合酶牢固的结合位点，是启动子的关键部位。 RNA聚合酶的结合，诱导富含AT的Pribnow框的双链解开，然后进一步扩大成17个核苷酸长度的泡状物，在泡状物中RNA聚合酶从模板链开始转录RNA产物。 （2）、 -35序列（Sexfama box）（识别区域）

只含-10序列的DNA不能转录，在-10序列上游还有一个保守序列，其中心约在-35位置，称为-35序列，此序列为RNA酶的识别区域。

各碱基出现频率如下：T85 T83 G81 A61 C69 A52 ，其中TTG十分保守。

-35序列的功能：它是原核RNA聚合酶全酶依靠σ因子的初始识别位点。因此，-35序列对RNA聚合酶全酶有很高的亲和性。-35序列的核苷酸结构，在很大程度上决定了启动子的强度，RNA聚合酶易识别强的启动子。

-35序列提供RNA聚合酶识别信号， -10序列有助于DNA局部双链解开，

启动子结构的不对称性决定了转录的方向。 P3 图20-4 原核型启动子的结构 （二） 真核启动子

真核基因的转录十分复杂，对启动子的分析要比原核基因的困难得多。

真核生物有三种RNA聚合酶：RNA聚合酶I、II、III，分别转录rRNA、mRNA、tRNA和小分子RNA，这三类聚合酶的启动子各有其结构特点。 1、 RNA聚合酶Ⅱ的启动子

RNA聚合酶Ⅱ的启动子有三个保守区： （1）、 TATA框（Hogness框） 中心在-25至-30，长度7bp左右。

碱基频率：T82 A97 A85 A63 （T37 ）A83 A50（T37 ）（全为A-T，少数含有一个G-C对）。

此序列功能：使DNA双链解开，并决定转录的起点位置，失去TATA框，转录将可能在许多位点上开始。 TATA框的改变或缺失，直接影响DNA与酶的结合程度，会使转录起始点偏移，因此，TATA是绝大多数真核基因正确表达所必需的。

由于RNA聚合酶分子有相对固定的空间结构，同此框的结合位点和转录反应催化位点的距离，决定了起始位点的正确选择。启动子特定序列和酶的正确结构，这两者把酶置于一种正确的构象中，决定了识别的正确性和转录起始的正确性。 （2）、 CAAT框

中心在-75处，9bp，共有序列GGT（G）CAATCT 功能：与RNA聚合酶结合。 （3）、 GC框

在CAAT框上游，序列GGGCGG，与某些转录因子结合。

CAAT和GC框均为上游序列，对转录的起始频率有较大影响。 2、 RNApolⅢ的启动子

RNApolⅢ的启动子在转录区内部。 四、 终止子和终止因子

终止子：提供转录终止信号的一段DNA序列。

终止因子：协助RNA聚合酶识别终止子的蛋白质辅助因子。

有些终止子的作用可被特异的因子所阻止，使酶越过终止子继续转录，称为通读，这类引起抗终止作用的蛋白质称为抗终止因子。

终止子位于已转录的序列中，DNA的终止子可被RNA聚合酶本身或其辅助因子识别。 1、 大肠杆菌中的两类终止子

所有原核生物的终止子在终止点之前都有一个回文结构，它转录出来的RNA可以形成一个颈环式的发荚结构。 （1）、 不依赖于ρ的终止子（简单终止子）

简单终止子除具有发夹结构外，在终止点前有一寡聚U序列，回文对称区通常有一段富含GC的序列。寡聚U序列可能提供信号使RNA聚合酶脱离模板。 （2）、 依赖ρ的终止子

依赖ρ的终止子，必需在ρ因子存在时，才发生终止作用。终止点前无寡聚U序列，回文对称区不富含GC。ρ因子是55KD的蛋白质，可水解三磷酸核苷。 2、 抗终止作用

通读往往发生在强启动子、弱终止子的基因上。

抗终止作用常见于某些噬菌体的时序控制。早期基因于后基因之间以终止子相隔开，通过抗终止作用可以打开后基因的表达。

λ噬菌体前早期（immediate early）基因的产物N蛋白就是一种抗终止因子。它与RNA聚合酶作用使其在左右两个终止子处发生通读，从而表达晚早期（delayed early）基因。晚早期基因的产物Q蛋白也是一种抗终止因子，它能使晚早期基因得以表达。

RNA转录后的加工

RNA聚合酶合成的原初转录产物，要经过剪切、修饰、拼接等过程，才能转变成成熟的RNA分子，此过程称RNA转录后的加工。

（1）、 原核、真核的tRNA、rRNA（稳定的RNA）

细胞内的tRNA、rRNA相对稳定，半衰期一般为几个小时。所有的tRNA、rRNA都不是原初转录产物，都要经过一系列的加工才能成为有活性的分子。 a. 原初转录产物的5’是三磷酸（pppG、pppA），而成熟的tRNA、rRNA ，5’是单磷酸。 b. 成熟 tRNA、rRNA分子都比原初转录物小。

c. 所有的tRNA分子，都有原初转录物所没有的稀有碱基（A、G、C、U以外的碱基）。 （2）、 真核的mRNA

单顺反子，多内含子。寿命比原核mRNA的长。 内含子、内元（intron）：在原初转录物中，通过RNA拼接反应而被去除的RNA序列，或基因中与这种序列对应的DNA序列。 外显子、外元（exon）：原初转录物通过RNA拼接反应后，而保留于成熟RNA中的序列，或基因中与成熟RNA对应的DNA序列。 （3）、 原核mRNA

多顺反子，半衰期只有几分钟。这是原核生物重要的机制，如果一种酶或蛋白质不再需要时，只需简单地关闭其mRNA的合成就行了。

一、 原核生物RNA的加工

在原核生物中，rRNA基因与某些tRNA基因组成混合操纵子，可提高效率、节省空间（增加有效信息）。其它的tRNA基因也成簇存在，并与编码蛋白质的基因组成操纵子，它们在形式多顺反子转录物后，断裂成为rRNA和tRNA的前体，然后进一步加工成熟。 1、 原核rRNA前体的加工（E.coli） E.coli共有三种rRNA 5S rRNA 120b 16S rRNA 1541b 23S rRNA 2904b

rRNA原初转录物含6300个核苷酸，约30S。 大肠杆菌有7个rRNA的转录单位（操纵子），它们分散在基因组的各处。每个转录单位由16SrRNA、23SrRNA、5SrRNSA以及一个或几个tRNA基因所组成。每个操纵子中tRNA基因的种类、数量和位置都各不相同。 RNAaseⅢ是一种rRNA、多顺反子mRNA加工的内切酶，识别特定的RNA双螺旋区。 RNAase E也可识别P5（5SrRNA前体）两端形成的双螺旋区。 2、 原核tRNA前体的加工

E.coli染色体基因组有60个tRNA基因，即某种a.a.的tRNA基因不止一个拷贝。 tRNA基因大多成簇存在，或与rRNA基因，或与蛋白质基因组成混合转录单位。 tRNA前体加工步骤

a. 核酸内切酶(RNAaseP、RNAaseF)在tRNA两端切断。 b. 核酸外切酶(RNAaseD)从3’端逐个切去附加序列。 c. 在tRNA3’端加上-CCA-OH。tRNA核苷酰转移酶 d. 核苷的修饰（修饰酶）：甲基化酶 / S-腺苷蛋氨酸（SAM），假尿苷合成酶。 （1）、 RNAase P

能识别空间结构，很干净地切除tRNA前体的5’端。 含有蛋白质和RNA（M1 RNA）两部分。M1 RNA含375nt，在某些条件下，（提高[Mg2+]、或加入胺类），RNAase P的RNA能单独地切断tRNA前体的5’端序列。 （2）、 RNAaseF

不干净地切除tRNA前体的3’端序列，需要RNAase D进一步修剪。 3、 原核mRNA前体的加工

由单顺反子构成mRNA，一般不需加工，一经转录，即可直接进行翻译。有些多顺反子构成的mRNA，须由核酸内切酶切成较小的mRNA，然后再进行翻译。

例：核糖体大亚基蛋白L10、L7、L12与RNA聚合酶β、β’亚基的基因组成混合操纵子。

它在转录出多顺反子mRNA后，由RNAaseⅢ将核糖体蛋白质基因与聚合酶亚基基因的mRNA切开，然后各自翻译。

该加工过程的意义：可对mRNA的翻译进行调节，核糖体蛋白质的合成必须适应于rRNA的合成水平，而细胞内RNA聚合酶的合成水平则要低得多。两者切开，有利于各自的翻译。

二、 真核生物RNA的加工

真核rRNA、tRNA前体的加工过程与原核的很相似，但mRNA的加工过程与原核的有很大不同。 1、 真核rRNA前体的加工

真核生物核糖体的小亚基含：16-18S rRNA，大亚基含：26-28S r RNA、5S rRNA、5.8S rRNA（特有）。 真核rRNA基因拷贝数较多，几十至几千个之间。

真核rRNA基因也成簇排列在一起，18S、5.8S、28S rRNA基因组成一个转录单位，彼此被间隔区分开，由RNA聚合酶I转录生成一个长的rRNA前体。5SrRNA基因也成簇排列，间隔区不被转录，由RNA聚合酶III转录后经适当加工。

哺乳动物：45SrRNA前体，含18S、5.8S、28S rRNA 果蝇：38SrRNA前体，含18S、5.8S、28S rRNA 酵母：37SrRNA 前体，17S、5.8S、26S rRNA

rRNA在成熟过程中可被甲基化，位点主要在核糖2’-OH上。真核rRNA甲基化程度比原核的高，约1-2%的核苷酸被甲基化。

真核生物的核仁是rRNA合成、加工和装配成核糖体的场所，大、小亚基分别组装后，通过核孔转移到胞质中参与核糖体循环。

2、 真核tRNA前体的加工

真核tRNA基因的数目比原核tRNA的要多的多。例如，E.coli有60个tRNA基因，啤酒酵母250个，果蝇850个，爪蟾1150个，人1300个。

真核tRNA基因也成簇排列，被间隔区分开，tRNA基因由RNA聚合酶Ⅲ转录。 真核tRNA前体的剪切、修饰过程与原核相似。 3、 真核生物mRNA前体的加工

mRNA原初转录物是分子量很大的前体，在核内加工过程中形成分子大小不等的中间产物，它们被称为核内不均一RNA（hn RNA）。其中，约有25%可转变成成熟的mRNA。 hnRNA半寿期很短，比细胞质中的mRNA更不稳定，一般在几分钟至1小时。而细胞质mRNA的半寿期为1-10小时，神经细胞mRNA最长可达数年。 hnRNA转变成mRNA的加工过程主要包括： a. 5’末端形成帽子结构 b. 3’末端切断并加上polyA c. 剪接除去内含子对应的序列 d. 甲基化 （1）、 5’末端加帽

RNA三磷酸酶，mRNA鸟苷酰转移酶，mRNA（鸟嘌呤-7）甲基转移酶，mRNA（核苷-2’）甲基转移酶。 由于甲基化的程度不同，有三种类型的帽子：CAP O型，CAP I型，CAP II型。

★5’帽子也出现于hnRNA，说明加帽过程可能在转录的早期阶段或转录终止前就已完成。 ★5’帽子的功能

a. 在翻译过程中起信号识别作用，协助核糖体与mRNA结合，使翻译从AUG开始。 b. 保护mRNA，避免5’端受核酸外切酶的降解。 （2）、 3’端加polyA

hnRNA链由RNAaseⅢ切断，由多聚腺苷酸聚合酶催化，加上polyA，ATP为供体。 加尾信号：AATAAA、YGTGTGYY（Y为嘧啶）。

高等真核生物和病毒的mRNA在靠近3’端区都有一段非常保守的序列AAUAAA，这一序列离多聚腺苷酸加入位点的距离在11-30nt范围之内。

核内hnRNA的3’端也有多聚腺苷酸，表明加尾过程早在核内已经完成。hnRNA中的poly（A）比mRNA略长，平均150-200nt。 polyA的功能

a. 防止核酸外切酶对mRNA信息序列的降解，起缓冲作用。 b. 与mRNA从细胞核转移到细胞质有关。

3’脱氧腺苷（既冬虫夏草素）是多聚腺苷酸化的特异抑制剂，但它不抑制hnRNA的转录。 （3）、 mRNA甲基化

某些真核mRNA内部有甲基化的位点，主要是在N6-甲基腺嘌呤（m6A）。

三、 RNA的拼接和催化作用（内含子的切除）

多数真核基因是断裂基因，其转录产物通过拼接，去除内含子，使编码区（外显子）成为连续序列。 有些内含子可以催化自身的拼接（self-splicing）,有些内含子需要在有关酶的作用下才能拼接。 1、 tRNA前体的拼接

酵母tRNA约有400个基因，有内含子的基因约占1/10，内含子长度14-46bp，没有保守性。 切除内含子的酶识别的是tRNA的二级结构，而不是什么保守序列。 拼接过程：

第一步切除内含子，第二步RNA连接酶将两个tRNA半分子连接。 P375图20-9酵母tRNAPhe及其前体的结构

P376图20-10酵母和植物tRNA前体的拼接过程 2、 四膜虫rRNA前体的自我拼接

四膜虫35S rRNA前体，经加工可以生成5.8S 、17S和26SrRNA。

某些品系的四膜虫在其26SrRNA基因中有一个内含子，35S rRNA前体需要拼接除去内含子。该拼接过程只需一价和二价阳离子和鸟苷酸(提供3’-OH)，无需能量和酶。 3、 mRNA前体的拼接

真核生物所有编码蛋白质的核结构基因，其内含子的左端均为GT，右端均为AG。此规律称GT-AG规律（对于mRNA就是GU-AG，此规律不适合于线粒体、叶绿体的内含子，也不适合于tRNA和某些rRNA的核结构基因）

酵母核基因的内含子在靠近3’端还有一个保守序列，与5’端序列互补，称为TACTAAC box，也与拼接有关。

真核细胞内存在许多种类的小分子RNA，大小在100-300nt，有些由聚合酶III转录，有些由聚合酶II转录。

核内小RNA（snRNA）主要存在于核内，细胞质小RNA（scRNA）主要存在于细胞质。

重要的snRNA有U系列snRNA，因其尿嘧啶含量高而得名。U系列snRNA通常都与多肽或蛋白质结合形成核糖核蛋白颗粒（RNP）。U-snRNA参与hnRNA的拼接过程。U3-snRNA与rRNA前体的加工有关，U1、U2、U4、U5、U6可能都与hnRNA的加工有关。

真核生物编码蛋白质的核基因的内含子属于II类内含子（反式剪接）

四、 RNA的催化功能

1、 I类内含子的自我剪接（顺式剪接）

I类内含子包括四膜虫rRNA的内含子(1981，Cech,美国)，几种酵母线粒体的内含子，噬菌体T4胸苷酸合成酶的内含子(1984，Apirion,美国）等。这些内含子有较大的同源性，可自我拼接。 2、 独具催化活性的小分子RNA 1984，Altman，Pace（美国），细菌加工tRNA前体的酶—RNAase P中的M1RNA在高浓度的Mg2+或胺类存在时能单独切下tRNA前体的5’端。

RNA的复制

有些RNA病毒，进入寄主细胞后，借助复制酶而进行RNA病毒的复制。从感染RNA病毒的细胞中可以分离出RNA复制酶，这些RNA复制酶的模板特异性很强，只识别病毒自身的RNA，它以病毒RNA为模板，合成与模板性质相同的RNA。 一、 噬菌体QβRNA的复制

噬菌体Qβ：直径20nm，正十二面体，含30%RNA，其余为蛋白质，单链RNA，4500个核苷酸，编码3-4个蛋白质。

结构：5’端——成熟蛋白（A或A2蛋白）——外壳蛋白（或A1蛋白）——复制酶β亚基——3’端 Qβ复制酶：αβγδ四个亚基，只有β是自己编码，其余三个亚基来自寄主细胞。

进入E.coli细胞后，其RNA即为mRNA，可以直接合成与病毒繁殖有关的蛋白质（复制酶β亚基）。 QβRNA的复制过程：在Qβ特异的复制酶合成并装备好后就开始病毒RNA的复制。 QβRNA翻译和复制的自我调节：

QβRNA的高级结构（尤其是双螺旋区的结构）参与翻译的调节控制： （1） 只有刚复制的QβRNA，成熟蛋白基因才能翻译。 （2） 核糖体能直接启动外壳蛋白基因的翻译

（3） 复制酶β亚基基因只有在外壳蛋白合成时双链打开才能进行翻译。

QβRNA的翻译、复制受寄主细胞调节，以正链RNA为模板复制负链RNA时，另需寄主细胞的HFⅠ和HFⅡ因子。而以负链RNA 为模板复制正链RNA时，不需这两个因子，感染后期大量合成的是正链RNA。

二、 病毒RNA复制的主要方式 1、 正链RNA病毒（mRNA）：噬菌体Qβ、灰质炎病毒等。

进入寄主细胞后，利用寄主的翻译系统，首先合成复制酶及有关的蛋白质，然后进行病毒RNA的复制，最后由病毒RNA和蛋白质装配成病毒颗粒。 2、 负链RNA病毒（带有复制酶）：狂犬病毒等

此类病毒带有复制酶，侵入后，复制酶首先合成出正链RNA（mRNA），再以正链RNA为模板，合成负链RNA及蛋白质，然后装配。

3、 双链RNA病毒（带有复制酶）：呼肠孤病毒等 以双链RNA为模板，在复制酶作用下先转录正链RNA（mRNA），从而翻译出蛋白质，然后合成负链RNA，形成双链RNA，再包装。

4、 反转录病毒（含反转录酶）：白血病病毒、肉瘤病毒等致癌RNA病毒 正链RNA病毒，它们的复制需要经过DNA前病毒阶段。

RNA生物合成的抑制剂

某些核酸代谢的拮抗物和抗生素可抑制核苷酸或核酸的合成，因而可以用于抗病毒或抗肿瘤药物，也

可以用于核酸的研究 一、 嘌呤和嘧啶类似物

抑制核苷酸的合成，还能掺入核酸分子中去，形成异常DNA、RNA，影响核酸功能。

主要有：6-巯基嘌呤、硫鸟嘌呤、2.6—二氨基嘌呤、8-氮鸟嘌呤、5-氟尿嘧啶 、6-氮尿嘧啶。碱基类似物进入体内后需转变成相应的核苷酸，才表现出抑制作用。 二、 DNA模板功能的抑制剂

此类化合物能与DNA结合，使DNA失去模板功能，从而抑制其复制与转录。 1、 烷化剂

氮芥（二（氯乙基）胺的衍生物）、磺酸酯、氮丙啶、乙撑亚胺类。它们带有活性烷基，使DNA烷基化。 烷化位点：鸟嘌呤N7 ，腺嘌呤N1、N3、N7，胞嘧啶N1

烷基化后，碱基易被水解下来，留下的空隙可干扰DNA复制或引起错误碱基掺入。带有双功能基团的烷化剂，可同时与DNA两条链结合，使双链DNA交联，从而失去模板功能。

环磷酰胺：肿瘤细胞中磷酰胺酶活化，生成活性氮芥。

苯丁酸氮芥：癌细胞酵解作用强，乳酸多，pH低，苯丁酸氮芥易进入。 2、 放线菌素D（对真核、原核细胞都起作用） 有抗菌和抗癌作用。

它可与DNA形成非共价复合物，使其多肽部分在DNA的“浅沟”上如同阻遏蛋白一样，抑制DNA的转录和复制。

此类机理的放线菌素还有色霉素A3、橄榄霉素、光神霉素。 3、 嵌入染料

扁平芳香族染料，可插入双链DNA相邻碱基对之间。

溴化乙锭插入后，使DNA在复制时缺失或增添一个核苷酸，从而导致移码突变，并能抑制RNA链的起始及质粒的复制。此外还有原黄素、吖啶黄、吖啶橙等。 三、 RNA聚合酶的抑制物 1、 利福霉素

包括其衍生物利福平，特异地抑制细菌RNA聚合酶的活性。

强烈抑制革兰氏阳性菌和结核杆菌，它主要抑制RNA合成的起始。 2、 利链菌素

与细菌RNA聚合酶β亚基结合，抑制转录过程中链的延长。 3、 α-鹅膏蕈碱

主要抑制真核RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ，对细菌的RNA聚合酶作用极小。

第十二章 蛋白质的生物合成

蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体地解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译(translation)。 一、蛋白质生物合成的条件。

生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：① mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中氨基酸的排列顺序；② tRNA：搬运氨基酸的工具；③ 核糖体（又名核蛋白体）：蛋白体生物合成的场所；④ 酶及其他蛋白质因子；⑤ 供能物质及无机离子。 （一）mRNA：

作为指导蛋白质生物合成的模板。mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码(coden)。共有种不同的密码，即4×4×4＝。

遗传密码具有以下特点：① 连续性；② 简并性；③ 通用性；（但在线粒体或叶绿体中特殊）④ 方向性，即解读方向为5′→ 3′；⑤ 摆动性；⑥ 起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA。 （二）tRNA：

在氨酰－tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的 氨基酸结合，生成氨酰－tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。

tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码子(anticoden)。

反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A—U，G—C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷酸为Ⅰ（次黄嘌呤），则可与A、U或C配对，如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳定配对。

能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA是一种特殊的tRNA，称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。

在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。 （三）rRNA和核糖体：

原核生物中的核糖体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白

质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。

真核生物中的核糖体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中还含有5.8 S rRNA。

核糖体的大、小亚基分别有不同的功能：

1．小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2．大亚基：

（1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右）—— 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）——给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。

（2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA，形成肽键。 （3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。

（4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。

在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核糖体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。由若干核糖体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核糖体。 （四）起动因子（IF）

这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核糖体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。 （五）延长因子（EF）

这是一些与多肽链合成延伸有关的蛋白因子。原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核糖体的受体，并可促进移位过程。 （六）释放因子（RF）

这是一些与多肽链合成终止有关的蛋白因子。原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。 （七）氨酰－tRNA合成酶

该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。

每种氨酰－tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。

目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。

（八）供能物质和无机离子

多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。

氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。

二、蛋白质生物合成的过程

蛋白质生物合成过程包括三大步骤：①氨基酸的活化与搬运；②活化氨基酸在核糖体上的缩合；③多肽链合成后的加工修饰。

（一）氨基酸的活化与搬运

氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨酰－tRNA合成酶催化完成。

在此反应中，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨酰－tRNA，从而使活化氨基酸能够被搬运至核糖体上参与多肽链的合成。氨酰－tRNA的合成，可使氨基酸 ①活化；②搬运；③定位。

（二）活化氨基酸在核糖体上的缩合

活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核糖体上进行。活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核糖体循环。

核糖体循环过程可分为起动、延长和终止三个阶段，这三个阶段在原核生物和真核生物类似，现以原核生物中的过程加以介绍。

1、起动阶段：

（1）30S起动复合物的形成：在起动因子的促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（fmet-tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。

原核mRNA的起动部位由一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序组成，称为SD序列（核糖体结合位点，RBS），可被核蛋白体小亚基辨认结合。

真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。

（2）70S起动前复合体的形成：IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。

（3）70S起动复合体的形成：GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。此时，tRNAfmet的反密码UAC与mRNA上的起动密码AUG互补结合，tRNAfmet结合在核蛋白的给位（P位）。

2、肽链延长阶段：

（1）进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核糖体的A位（受位）。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。

（2）成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到P位（受位）上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核糖体上脱落。

（3）移位：核糖体向mRNA的3‘- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核糖体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。

3、肽链终止阶段：

核糖体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入P位。 1．识别：RF识别终止密码，进入核糖体的受位。

2．水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。

3．解离：通过水解GTP，使核糖体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核糖体解离为大、小亚基。 多肽链的合成是一个消耗能量的过程，其能量主要由ATP和GTP提供。 若n个氨基酸合成一条多肽链：

n个氨基酸分子的活化： 2n个 （ATP→AMP+PPi）

70s起始复合物的形成： 1个 （GTP → GDP+Pi)

(n－1)个氨酰－tRNA进入核糖体A位点： （n－1）个 （GTP → GDP+Pi)

(n－1)次核糖体移位： (n－1)个

(GTP → GDP+Pi)

共（4n－1）个

（三）蛋白质的翻译后加工修饰

一级结构的加工修饰：

1．N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：

N端甲酰蛋氨酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。 ① 去甲酰化：

甲酰化酶

甲酰蛋氨酸-肽 甲酸 + 蛋氨酸-肽

② 去蛋氨酰基：

蛋氨酸氨基肽酶

蛋氨酰-肽 蛋氨酸 + 肽 2．氨基酸的修饰：

由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 3．二硫键的形成： 由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。

4．肽段的切除： 由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。 如：前胰岛素原（切信号肽）→胰岛素原（切间插序列） →胰岛素

高级结构的形成： 1．构象的形成：

在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。 2．亚基的聚合。 3．辅基的连接。

三、蛋白质的靶向运输

蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。

信号肽假说：

1、分泌蛋白的mRNA先和游离的核糖体结合合成出信号肽；

2、信号肽识别蛋白（SRP）结合在信号肽上，暂时中止蛋白质合成；

3、信号肽识别蛋白—mRNA—核糖体复合物与内质网表面的停泊蛋白（SRP receptor，信号肽识别蛋白受体）结合；

4、经过一系列反应后，核糖体与停泊蛋白紧密结合，中断的翻译恢复。信号肽识别蛋白被释放参加下一轮作用。

5、肽链在穿过转位蛋白形成的内质网孔时，信号肽被信号肽酶切除。合成的新生肽链进入内质网腔后折叠成最终构象。

第十三章 基因表达的调节

基因表达有几个水平的调节 ⑴转录水平 ⑵翻泽水平

⑶加工水平： 转录后加工、翻译后加工 ⑷蛋白质活性调节

其中最关键的是⑴，基因表达的控制主要发生在转录水平,原核生物尤其如此。基因表达有时间特异性和空间特异性。

一、 原核生物基因表达的调节 1、 纵子模型

操纵子是基因表达的协调单位，它含有在功能上彼此有关的多个结构基因及控制位，控制部位由启动子和操纵基因组成。一个操纵子的全部基因排列在一起，其中含多个结构基因，转录产物是单个多顺反mRNA，操纵子的控制部位可受调节基因产物的调节。 2、 组成型基因和诱导型基因 组成酶（构成酶），受环境影响小，正常代谢条件下表达。如糖酵解的酶。 诱导酶（适应型酶），对不同的生存环境有不同的表达。如半乳糖苷酶。 3、 正和负

在没有调节蛋白质存在时，基因是关闭的，加入调节蛋白后，基因活性被开启，此为正。 在没有调节蛋白存在时，基因是表达的，加入调节蛋白后基因表达活性被关闭，此为负。 在正中，调节蛋白称诱导蛋白。 在负中，调节蛋白称阻遇蛋白。

4、 原核生物结构基因表达的4种控制模式。 负：诱导作用，应使阻遇蛋白解离DNA。 阻遇作用，应使阻遇蛋白结合DNA。

正：诱导作用，应使诱导蛋白结合DNA。 阻遇作用，应使诱导蛋白解离DNA。 5、 大肠杆菌乳糖操纵子 Lac操纵子

LacZ、LacY、LacA为结构基因，上游依次为操纵基因、启动子和调节基因LacI。

当细胞内无诱导物（乳糖或IPTG）存在时，阻遏蛋白与操纵基因结合。由于操纵基因与启动子有一定程度重叠，妨碍了RNA聚合酶在-10序列上形成开放性启动子复合物。

当细胞内有诱导物（乳糖或IPTG）存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白构象，使之迅速从操纵基因上解离下来。这样RNA聚合酶就能与启动子结合，并形成开放性启动子复合物，从而开始转录LacZYA结构基因。

IPTG：异丙基-β-D硫代半乳糖苷（安慰诱导物），能对乳糖操纵子产生极强的诱导效应，是强诱导物。 6、 色氨酸操纵子（trp）的转录

trp操纵子负责Trp的合成，通常是开放的，调节基因的产物使它关闭，这种作用称为可阻遏型的负。

⑴E.coli trp操纵子有5个结构基因，trpE-D-C-B-A。

⑵在trpE的上游有三个区段trpP-O-L， trpL是一段162bp序列，转录到mRNA中成为前导序列，对操纵子的转录起作用。

⑶在染色体90分区有trpR基因，编码12.5kd的阻遏蛋白亚基,能以四聚体形式结合到trpO。 TrpP与一般原核基因启动子一样，具有-10序列和-35序列，-10序列完全位于trpP之内。 E.coli trp操纵子的组成及基因产物的功能。

E.coli 具有合成各种a.a的能力。在多数情况下，只有在培养基不供应外源a.a时，才去合成产生该a.a所必须的酶系。

当细胞内Trp浓度较高时，Trp与阻遏蛋白（trpR基因产物）结合，产使它具有活性，从而与trpO基因结合，关闭转录。

当细胞内Trp浓度很低时，阻遏遇蛋白上的Trp解离出来，使阻遏蛋白失活，并失去与trpO结合的能力，开启转录。

7、 trp操纵子的前导序列

trp mRNA分子一旦开始合成，在trpE基因开始转录之前，大多数mRNA会停止生长，这是因为前导序列（trpL）对操纵子发挥了重要作用。 trp mRNA的前导序列及前导肽。

结构基因上游具有：启动子—操纵基因—前导序列—衰减子区。

mRNA 5，端有162b，其中139个构成前导序列。前导序列由14个a.a的前导肽、4个互补区段和1个衰减子终止点构成。

衰减子：位于结构基因上游前导区的终止信号。 前导序列的特点：

⑴前导序列的某些区段富含GC。尾部有一个含8个U的区段，易极成不依赖于ρ的终止信号。(3区与4区构成终止信号的发夹结构)

⑵1区和2区构成第二个发夹结构，其中1区处于14个a.a的前导肽序列中。

⑶3区与2区也能形成另一个发夹结构，从而可阻止3区与4区形成终止发夹结构。 ⑷前导序列RNA编码一段14a.a的前导肽，并有一终止密码子UGA ⑸前导序列中，并列二个Trp密码子.

在mRNA合成过程中，1区与2区若先配对，则3区与4区配对,终止转录.

阻遏和衰减机制，虽然都是在转录水平上进行调节，但是它们的作用机制完全不同，前者控制转录的起始，后者控制转录起始后是否继续下去。

氨基酸合成操纵子前导肽序列 二、 真核基因表达的调节（略）

第十四章 基因重组与基因工程

一、自然界的基因转移和重组：

基因重组(gene recombination)是指DNA片段在细胞内、细胞间，甚至在不同物种之间进行交换，交换后的片段仍然具有复制和表达的功能。

1．接合作用：当细胞与细胞相互接触时，DNA分子即从一个细胞向另一个细胞转移，这种遗传物质的转移方式称为接合作用（conjugation）。

2．转化和转染：由外来DNA引起生物体遗传性状改变的过程称为转化(transformation)。噬菌体常常可感染细菌并将其DNA注入细菌体内，也可引起细菌遗传性状的改变。通过感染方式将外来DNA引入宿主细胞，并导致宿主细胞遗传性状改变的过程称为转染(transfection)。转染是转化的一种特殊形式。

3．整合和转导:外来DNA侵入宿主细胞，并与宿主细胞DNA进行重组，成为宿主细胞DNA的一部分，这一过程称为整合。整合在宿主细胞染色体DNA中的外来DNA，可以被切离出来，同时也可带走一部分的宿主DNA，这一过程称为转导(transduction)。来源于宿主DNA的基因称为转导基因。 4．转座：转座又称为转位（transposition），是指DNA的片段或基因从基因组的一个位置转移到另一个位置的现象。这些能够在基因组中自由游动的DNA片段包括插入序列和转座子两种类型。

⑴插入序列：典型的插入序列（insertion sequence，IS）是长750-1500bp的DNA片段，由两个分离的反向重复序列和一个转座酶基因。当转座酶基因表达时，即可引起该序列的转座。其转座方式主要有保守性转座和复制性转座。

⑵转座子：转座子(transposons)是可从一个染色体位点转移到另一个位点的分散的重复序列，含两个反向重复序列、一个转座酶基因和其他基因（如抗生素抗性基因）。

免疫球蛋白重链基因由一组可变区基因（VH）和一组恒定区基因（CH）构成，通过这些基因的选择性转

座和重组，就可以转录表达出各种各样的免疫球蛋白重链，以对付不同的抗原。 5．基因重组的方式：

⑴位点特异性重组：在整合酶的催化下，两段DNA序列的特异的位点处发生整合并共价连接，称为位点特异性重组。

⑵同源重组：发生在同源DNA序列之间的重组称为同源重组(homologous recombination)。这种重组方式要求两段DNA序列类似，并在特定的重组蛋白或酶的作用下完成。 二、重组DNA技术：

重组DNA技术又称为基因工程（genetic engineering）或分子克隆(molecular cloning)，是指采用人工方法将不同来源的DNA进行重组，并将重组后的DNA引入宿主细胞中进行增殖或表达的过程。 1．载体和目的基因的分离（分）：对载体DNA和目的基因分别进行分离纯化，得到其纯品。

⑴载体：常用的载体(vector)主要包括质粒(plasmid)、噬菌体(phage)和病毒(virus)三大类。这些载体均需经人工构建，除去致病基因，并赋予一些新的功能，如有利于进行筛选的标志基因、单一的酶切点等。①质粒：是存在于天然细菌体内的一种于细菌染色体之外的双链环状DNA，具有复制的能力，通常带有细菌的抗药基因。②噬菌体：可通过转染方式将其DNA送入细菌体内进行增殖。常用的为人工构建的λ噬菌体载体，当目的基因与噬菌体DNA进行重组时，可采用插入重组方式，也可采用置换重组方式。③病毒：常用的为SV40，通过感染方式将其DNA送入哺乳动物细胞中进行增殖。

⑵目的基因：①直接从染色体DNA中分离：仅适用于原核生物基因的分离。②人工合成：根据已知多肽链的氨基酸顺序，利用遗传密码表推定其核苷酸顺序再进行人工合成。适应于编码小分子多肽的基因。③从mRNA合成cDNA：采用一定的方法钓取特定基因的mRNA，再通过逆转录酶催化合成其互补DNA（cDNA），除去RNA链后，再用DNA聚合酶合成其互补DNA链，从而得到双链DNA。④从基因文库中筛选：将某一种基因DNA用适当的酶切断后，与载体DNA重组，再全部转化宿主细胞，得到含全部基因组DNA的种群，称为G文库(genomic DNA library)。将某种细胞的全部mRNA通过逆转合成cDNA，然后转化宿主细胞，得到含全部表达基因的种群，称为C-文库(cDNA library)。C-文库具有组织细胞特异性。⑤利用PCR合成：如已知目的基因两端的序列，则可采用聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）技术，在体外合成目的基因。 2．载体和目的基因的切断（切）：通常采用性核酸内切酶(restriction endonuclease)，简称酶，分别对载体DNA和目的基因进行切断，以便于重组。能够识别特定的碱基顺序并在特定的位点降解核酸的核酸内切酶称为酶。酶所识别的顺序往往为4-8个碱基对，且有回文结构。由酶切断后的末端可形成平端、3'-突出粘性末端和5'-突出粘性末端三种情况。形成粘性末端(cohesive end)者较有利于载体DNA和目的基因的重组。

3．载体和目的基因的重组（接）：即将带有切口的载体与所获得的目的基因连接起来，得到重新组合后的DNA分子。

⑴粘性末端连接法：载体与目的基因通过粘性末端进行互补粘合，再加入DNA连接酶，即可封闭其缺口，得到重组体。

⑵人工接尾法：即同聚物加尾连接法。在末端核苷酸转移酶的催化下，将脱氧核糖核苷酸添加于载体或目的基因的3'-端，如载体上添加一段polyG，则可在目的基因上添加一段polyC，通过碱基互补进行粘合后，再由DNA连接酶连接。

⑶人工接头连接法：将人工连接器（即一段含有多种酶切点的DNA片段）连接到载体和目的基因上，即有可能使用同一种酶对载体和目的基因进行切断，得到可以互补的粘性末端。 4．重组DNA的转化和扩增（转）：将重组DNA导入宿主细胞进行增殖或表达。重组质粒可通过转化方式导入宿主细胞，λ噬菌体作为载体的重组体，则需通过转染方式将重组噬菌体DNA导入大肠杆菌等宿主细胞。重组DNA导入宿主细胞后，即可在适当的培养条件下进行培养以扩增宿主细胞。 5．重组DNA的筛选和鉴定（筛）：对含有重组体的宿主细胞进行筛选并作鉴定。

⑴根据重组体的表型进行筛选：对于带有抗药基因的质粒重组体，可采用插入灭活法进行筛选。

⑵根据标志互补进行筛选：当宿主细胞存在某种基因及其表达产物的缺陷时，可采用此方法筛选重组体。即在载体DNA分子中插入相应的缺陷基因，如宿主细胞重新获得缺陷基因的表达产物，则说明该细胞中带有重组体。

⑶根据DNA酶谱进行分析：经过粗筛后的含重组体的细菌，还需进行酶谱分析进一步鉴定。 ⑷用核酸杂交法进行分析鉴定：采用与目的基因部分互补的DNA片段作为探针，与含有重组体的细菌菌落进行杂交，以确定重组体中带目的基因。

获得带目的基因的细菌后，可将其不断进行增殖，从而得到大量的目的基因片段用于分析研究。如在目的基因的上游带有启动子顺序，则目的基因还可转录表达合成蛋白质

第十五章 代谢调节

细胞代谢包括物质代谢和能量代谢。细胞代谢是一个完整统一的网络，并且存在复杂的调节机制，这些调节机制都是在基因表达产物（蛋白质或RNA）的作用下进行的。本章重点是：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节。

物质代谢途径的相互联系

细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应转化种类繁多的分子。不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化，其中三个关键的中间物是乙酰CoA 、G-6-P、丙酮酸。

一、 糖代谢与脂代谢的联系 1、 糖转变成脂

糖经过酵解，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。磷酸二羟丙酮还原为甘油，丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰CoA，合成脂肪酸。 2、 脂转变成糖

甘油经磷酸化为3-磷酸甘油，转变为磷酸二羟丙酮，异生为糖。

在植物、细菌中，脂肪酸转化成乙酰CoA，后者经乙醛酸循环生成琥珀酸，进入TCA，由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸，生糖。

动物体内，无乙醛酸循环，乙酰CoA进入TCA氧化，生成CO2和H2O。

脂肪酸在动物体内也可以转变成糖，但此时必需要有其他来源的物质补充TCA中消耗的有机酸（草酰乙酸）。

糖利用受阻，依靠脂类物质供能量，脂肪动员，在肝中产生大量酮体（丙酮、乙酰乙酸、β-羟基丁酸）。 二、 糖代谢与氨基酸代谢的关系

1、 糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架 糖 → 丙酮酸 → α-酮戊二酸 + 草酰乙酸

这三种酮酸，经过转氨作用分别生成Ala、Glu和Asp。 2、 生糖氨基酸的碳架可以转变成糖

凡是能生成丙酮酸、α—酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，称为生糖a.a。 Phe、Tyr、Ilr、Lys、Trp等可生成乙酰乙酰CoA，从而生成酮体。 Phe、Tyr等生糖及生酮。 三、 氨基酸代谢与脂代谢的关系

氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰CoA，可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成。 生糖a.a的碳架可以转变成甘油。

Ser可以转变成胆胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂。

动物体内脂肪酸的降解产物乙酰CoA，不能为a.a合成提供净碳架。

脂类分子中的甘油可以转变为丙酮酸，经TCA进一步转变为草酰乙酸、α—酮戊二酸，这三者都可以转变成氨基酸。

四、 核苷酸代谢与糖、脂、氨基酸的关系 核苷酸不是重要的碳源、氮源和能源。

各种氨基酸，如Gly 、Asp 、Gln是核苷酸的合成前体。 有些核苷酸在物质代谢中也有重要作用： ATP 供能及磷酸基团。

UTP 参与单糖转变成多糖（活化单糖）。 CTP 参与卵磷脂合成。 GTP 为蛋白质合成供能。 五、 物质代谢的特点： 1、 TCA是中心环节

代谢途径交叉形成网络，主要联系物：丙酮酸、乙酰CoA、柠檬酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸。 2、 分解、合成途径往往是分开的，不是简单的逆反应。

在一条代谢途径中，某些关键部位的正反应和逆反应，往往由两种不同的酶催化，一种酶催化正反应，另一种酶催化逆反应。

3、 ATP是通用的能量载体

乙酰CoA进入TCA后，完全氧化生成CO2、H2O，释放的自由能被ADP捕获转运。否则，自由能以热能形式散发到周围环境中。

4、 分解为合成提供还原力和能量

物质代谢的基本要略在于：生成ATP、还原力和结构单元用于体内生物合成。

NADPH专一用于还原性生物合成，NADH和FADH2主要功能是通过呼吸链产生ATP。 ATP来源：（1）底物水平磷酸化、（2）绿色植物和光合细菌的光合磷酸化、（3）呼吸链的氧化磷酸化。 NADPH来源：

（1）植物光合电子传递链 （2）磷酸戊糖途径

（3）乙酰CoA由线粒体转移到细胞质时伴随有NADH的氧化和NADP+的还原，所产生的NADPH可用于脂肪酸合成

有机物分解产生构造草料和能量大致可以分三个阶段：

（1）将大分子分解为小分子单元，释放的能量不能被利用。

（2）将各种小分子单元分解为共同的降解产物乙酰CoA，产生还原力NADPH和少量ATP。 （3）乙酰CoA通过TCA被完全氧化成CO2，脱下的电子经氧化磷酸化产生大量的ATP。 5、 分解、合成受不同方式调节 单向代谢的反馈调节

顺序反馈控

分枝代谢的反馈调节 对同工酶的反馈抑制 协同反馈抑制

代谢调节的三个水平

代谢调节是生物长期进化过程中，为适应环境的变化的而形成的一种适应能力。进化程度越高的生物，其代谢调节的机制越复杂、越完善。

生物代谢调节在三个水平上进行，即酶水平、细胞水平、多细胞整体水平（神经、激素）。酶和细胞水平的调节，是最基本的调节方式，为一切生物所共有。 神经水平调节 ：动物

激素水平调节：植物、动物

细胞水平调节、酶水平调节：单细胞生物、植物、动物

神经调节：整体的、最高级的调节。

激素调节：受神经调节控制。第二级调节。 酶调节：原始的、基本的调节。第三级调节。

酶水平的调节：酶活性调节（酶原激活、别构效应、共价修饰）和酶含量（基因表达）

一、 酶水平的调节

酶水平的调节，主要通过酶定位的区域化、酶活性的调节、酶含量的调节，这三个方面进行。 1、 酶定位的区域化

酶在细胞内有一定的布局和定位。催化不同代谢途径的酶类，往往分别组成各种多酶体系。多酶体系存在于一定的亚细胞结构区域中，或存在于胞质中，这种现象称为酶的区域化。 功能：浓缩效应，防止干扰，便于调节。

⑴多酶体系在细胞中区域化，为酶水平的调节创造了有利条件,使某些调节因素可以专一地影响细胞内某一部分的酶活性，而不致影响其它部位酶的活性。

⑵此外，酶定位的区域化，使它与底物和辅助在细胞器内一起相对浓缩，利于在细胞局部范围内快速进行各个代谢反应。

主要代谢途径酶系在细胞内的分布：

胞质：糖酵解，糖原合成，磷酸成糖途径，脂肪酸合成，部分蛋白质合成。 线粒体：脂肪酸β氧化，三羧酸循环，呼吸链，氧化磷酸化。 细胞核：核酸的合成、修饰。

内质网：蛋白质合成，磷脂合成。 胞质和线粒体：糖异生，胆固醇合成 溶酶体：多种水解酶 2、 酶活性的调节

调节方式：酶原的激活

pH改变，如溶菌酶。pH7，无活性。pH5，活性高。 同工酶 共价修饰

反馈调节（生物体内最重要）

特点：调节快速、灵敏，数秒至数分钟可完成。 （1）、 共价修饰和级联放大 P430图22-14 磷酸化/脱磷酸化

腺苷酰化/脱腺苷酰化 （2）、 前馈和反馈调节

前馈调节：底物对酶活性的调节，一般是前馈激活，但也可能是前馈抑制。当底物浓度过高时可避免该代谢途径的过分拥挤和产物的大量合成，如高浓度的乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂，可避免丙二酸单酰CoA大量合成。

反馈调节：产物对酶活性的调节，一般是反馈抑制，但也有反馈激活。 a．反馈抑制 单价反馈抑制 多价反馈抑制

当序列终产物浓度积累过多时，会抑制初始反应的酶活性，使整个体系反应速度降低。 b. 顺序反馈抑制 c. 协同反馈抑制 d. 累积反馈抑制 e. 同工酶反馈抑制 f. 反馈激活和前馈激活 （3）、 反馈激活： （4）、 前馈激活：

如在糖酵解中，1.6—二磷酸果糖，可提高后面丙酮酸激酶的活性，加速磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸。 如当丙酮酸不能经乙酰CoA进入TCA时，丙酮酸积累，磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸，后者可合成a.a和嘧啶核苷酸。合成出的嘧啶核苷酸，反馈激活磷酸烯醇丙酮酸羧化酶，促进草酰乙酸合成，保证TCA对草酰乙酸的需要。

3、 酶合成的调节（基因表达的调节）

酶合成调节，是通过酶量的变化来代谢速率。

二、 细胞水平的调节

（1）控制跨膜离子浓度剃度和电位梯度 （2）控制跨膜物质运输

（3）区隔化：浓缩作用，防止干扰，便于调节 （4）膜与酶可逆结合：

双关酶：能与膜可逆结合，通过膜结合型和可溶型的互变来调节酶的活性。双关酶大多是代谢途径的关键酶和调节酶，如糖酵解中的己糖激酶，磷酸果糖激酶，醛缩酶，3-磷酸甘油醛脱氢酶，氨基酸代谢的Glu脱氢酶，Tyr氧化酶：参与共价修饰的蛋白激酶，蛋白磷酸脂酶等。

二、 激素水平的调节（略）

说明：1、这个版本适用于非生物类专业，用于期末考试内容足够了；

2、整个生化可以粗略分为：（1）生物大分子的结构与功能；（2）生物大分子的代谢；（3）遗传信息

的复制、传递和表达，即中心法则。重点是（1）、（3）部分，时间不够的情况下不要花太多的时间去背（2）部分里的反应步骤，可以尝试最后再复习（2）部分，对照附录的复习提纲来看笔记；

3、因为时间关系，编撰得比较匆忙，如果您在文档中发现有一些错误或有建议，请告知我，便于在

后续版本中更正改进。联系方式：ourbio@163.com www.livingworlds.net

生物化学及分子生物学复习提纲

绪论

一、基本概念

生物化学 生物大分子 新陈代谢

二、 重点内容：生物化学的主要研究内容。 核酸结构及其功能 一、 基本概念

核苷酸 碱基互补配对 三叶草结构 发夹结构 帽子结构 尾巴结构 增色效应 减色效应 变性与复性 二、 重点内容

1、 核酸的生物学功能、基本结构单位和基本组成成分； 2、 核苷酸的分子结构、名称和符号； 3、 DNA双螺旋结构的特点和稳定因素； 4、 RNA的类型及结构特点；

5、 核酸的紫外吸收特性、Tm值与变性、复性的关系； 6、 核酸的测序程序。 蛋白质结构及其功能 一、 基本概念

氨基酸 寡肽 多肽 肽键 肽平面 二硫键 氨基酸残基 一级结构 二级结构 超二级结构 结构域 三级结构 四级结构 α－螺旋 β－折叠 β－转角 蛋白质变性 分子病 二、 重点内容

1、 蛋白质的生物功能、元素和分子组成特点及分类； 2、 氨基酸的分类及21种蛋白质氨基酸的名称、符号； 3、 肽键和多肽的化学结构及其性质；

4、 α－螺旋、β－折叠和β－转角的结构要点； 5、 维系蛋白质空间结构的主要作用力；

6、 蛋白质的两性解离、等电点、胶体性质和沉淀； 7、 蛋白质变性和复性以及变性后的特性变化； 8、 蛋白质的紫外吸收与呈色反应； 9、 蛋白质的分类。

10、蛋白质氨基酸测序程序。

酶

一、 基本概念

酶的专一性 酶蛋白 辅基 辅酶 单体酶 寡聚酶 活性中心 必需基团 米氏方程 米氏常数 抑制剂 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 别构酶 别构效应 同工酶 诱导酶 酶活力单位 比活力 二、 重点内容

1、 酶的定义及催化作用特点；

2、酶的分类和专一性，诱导契合学说； 3、米氏方程的运用及米氏常数的的意义；

4、底物浓度、酶浓度、pH值、温度、激活剂对酶反应速度的影响； 7、 酶活性别构调节的特点； 8、 酶抑制剂的类型及作用特点； 9、 酶活力的测定；

10、胰凝乳蛋白酶的催化机理；

11、维生素与辅酶，及其生物学功能和缺乏症。 糖的分解代谢 一、 基本概念

糖酵解 三羧酸循环 磷酸戊糖途径 二、 重点内容

1、 糖酵解的化学历程、能量变化、及生物意义；

2、 三羧酸循环的化学历程、能量变化、及生物意义； 3、 磷酸戊糖途径的化学历程、能量变化、及生物意义； 4、 1摩尔葡萄糖彻底氧化分解产生的ATP数。 生物氧化与氧化磷酸化 一、 基本概念

高能键 呼吸链 泛醌 细胞色素 铁硫中心 氧化磷酸化 底物磷酸化 P/O值 细胞色素氧化酶 线粒体偶联因子F1－F0 能荷 二、 重点内容

1、 电子传递链的组分及传递电子的顺序；

2、 电子传递链与氧化磷酸化作用的偶联和化学渗透假说； 3、电子传递链的抑制剂与解偶联剂的种类和作用特点。 糖的合成代谢 一、基本概念

糖异生作用 三、 重点内容

1、 糖异生途径的化学历程、能量变化及生物意义； 2、 蔗糖、淀粉、纤维素的生物合成基本过程。 脂类代谢

一、基本概念

脂类 必需脂肪酸 生物膜 脂肪 蜡 脂肪酸的β－氧化 脂肪酸的ω－氧化 脂肪酸的α－氧化 酮体 乙醛酸循环 饱和脂肪酸的从头合成 三、 重点内容

1、脂肪酸β－氧化的化学历程、能量变化；

2、乙醛酸循环的化学历程、能量变化和生物学意义； 3、脂肪酸从头合成的化学历程、能量变化； 蛋白质的酶促降解和氨基酸的分解代谢 一、基本概念

氨肽酶 羧肽酶 肽链内切酶 氧化脱氨基作用 转氨基作用 联合脱氨基作用 尿素循环 多胺 二、重点内容

1、水解蛋白质的酶的分类； 3、 细胞内蛋白质降解的意义； 4、 胞内蛋白质降解系统；

5、 脱氨基和脱羧基作用的种类； 6、 尿素循环的主要历程； 7、 α－酮酸的去向。 氨基酸的合成代谢 一、基本概念

生物固氮 还原作用 氮素循环 三、 重点内容

1、 生物固氮所需要的条件；

2、 谷氨酸生物合成的途径及催化的酶； 3、 各族氨基酸合成的碳架来源；

4、 一碳基团的种类及四氢叶酸的转运。 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 一、基本概念

核酸酶 性内切酶 核苷酸的从头合成途径 核苷酸合成的补救途径 三、 重点内容

1、 核酸酶的分类及其作用特点；

2、 性内切酶的作用特点及其生成的三种粘末端； 3、 嘌呤和嘧啶分解代谢的主要历程； 4、 嘌呤环和嘧啶环的元素来源；

5、 核苷二磷酸、核苷三磷酸的基本合成反应。 DNA的复制 一、 基本概念

中心法则 复制 转录 翻译 半保留复制 DNA聚合酶 引物酶 引发体 连接酶 解螺旋酶 单链接合蛋白 拓扑异构酶 复制子 单复制子 多复制子 复制叉 端粒 半不连续复制 复制叉 前导链 滞后链 冈崎片断 逆转录 光裂合酶修复 切除修复 重组修复 SOS修复 置换突变 插入突变 缺失突变 重点内容 1、 半保留复制的生物学意义；

2、 DNA复制的条件，与复制相关的酶、蛋白因子及其功能； 3、 大肠杆菌DNA聚合酶的结构和功能特点； 4、 确保DNA复制忠实性的机制；

5、 原核生物DNA复制的过程（起始、延伸、终止）； 6、 DNA损伤、修复和突变的类型。 RNA的生物合成 一、 基本概念

转录 启动子 终止子 模板链（反意义链、负链） 编码链（有意义链、正链） 外显子 内含子 核酶 质粒 二、 重点内容

1、 转录过程的特点；

2、 RNA聚合酶的特点及ó因子的作用；

3、 原核生物RNA转录的过程及转录后的加工方式； 4、 转录和复制有何异同点。 5、 PCR的程序。

6、 构建重组体DNA的程序。 蛋白质的生物合成 一、 基本概念

翻译 密码子 简并性 通用性 变偶性 同义密码 无义密码 信号肽 前导肽 核糖体 单顺反子 多顺反子 二、 重点内容

1、 遗传密码的特点；

2、 原核生物多肽链的合成过程及翻译后的加工方式；

3、 氨基酸的活化过程、氨酰tRNA合成酶的作用特点及其生物意义； 4、 原核生物核糖体的组成。 代谢调节

一、 基本概念

第一信使 第二信使 操纵子 二、 重点内容

1、代谢调节的四级水平；

2、糖类、脂类和氨基酸代谢途径的相互联系及其关键物质； 3、 产物反馈调节的几种类型； 4、 原核和真核基因组的特点；

5、 操纵子学说：乳糖操纵子和色氨酸操纵子的主要内容。